淺談車用電動空壓機在新能源汽車上的應用

陳建翔　楊曉虎　張仕淼　季浩杰　張浩偉

摘 要：文章以車用電動空壓機為研究內容，對其使用環境進行分析，同時對其在新能源車輛上控制策略做了分析，最后對其管路布局做分析，望對各大主機后續空壓機管路布局有所借鑒。

關鍵詞：車用電動空氣壓縮機 應用

新能源汽車應用至今，市場日趨成熟，各種車型應用層出不窮，但是相對底盤管路布局方面，各家理念差異點較大，業內也沒有統一標準，本文特針對車用電動空壓機壓縮機的應用進行概述。主要的有以下幾點：

1 車用電動空氣壓縮機類型

從目前市場上的電動空氣壓縮機總成的結構來看，活塞式的空壓機用量最大，主要有傳統車用油潤滑式活塞式改型的活塞式有油電動空氣壓縮機，全無油活塞式電動空壓機;其次應該是油潤滑式滑片式電動空氣壓縮機，渦旋式電動空氣壓縮機，螺桿式電動空氣壓縮機。

從結構上來講，活塞式空壓機將氣體從外部抽入空壓機缸體，經過內部的活塞，閥片等機構，其實活塞式空壓機閥片就是一個單向閥結構，通過活塞不斷地行程運動，氣體堆積形成壓力;而滑片式，渦旋式，螺桿式空壓機，依靠滑片的體積變化，或者螺桿，渦盤的轉到導致容積變化產生氣體擠壓，那么進氣同出氣端實際是想通的，那就不難解釋不少無油渦旋機出氣口單獨配置了單向閥。其次從結構上講，滑片機，螺桿機，渦旋機若是油潤滑結構，則必然添加油水分離裝置，否則機子無法適應車載管路。但是從機體自身結構上講，出氣端必須配置油氣分離裝置，則壓縮空氣中的冷凝水始終同出氣空氣，潤滑油液在一起，油水混合，空壓機壓縮過程中加熱，就帶來了油乳化事件，終究解釋了市場上原先使用此類結構的設備，無法通過控制邏輯來杜絕油品乳化問題;從而市場上車用電動空氣壓縮機不得不往活塞式油潤滑空壓機或無油結構發展。

2 車用電動空壓機管路布局

首先，簡述進氣部分。因為新能源市場的爆發，很多原先只生產工業機的空壓機廠家轉型做新能源車用電動空壓機，然而部分空壓機廠家，主機客戶對空壓機進氣的布局是非常潦草隨意的，筆者走訪市場時對某些空壓機廠家的部分進氣結構是不敢茍同的。例如某空壓機廠家將其進氣過濾組織僅用一塊直徑30mm左右的紙濾就解決了;某汽車廠設計灑水車布局管路時，將灑水噴頭對準了空壓機的進氣組織;更有部分汽車廠將進氣口布置在輪胎后方…其實筆者認為，空壓機只是氣體的搬運工，只是將大氣進行壓縮，那么它吸入的物質，那么它輸出的物質是相同的，你讓它多吸水，那么它就多出水;進氣組織堵塞那么將會造成進氣負壓過大，針對油潤滑空壓機來說，吸氣腔體的負壓過大，負壓過大極易導致出氣時隨氣含油量過大，加劇管路污染;針對無油空壓機來說，輕微的細塵更會破壞內部高分子材料的表層，加劇磨損，導致無油機早期失效;無論油潤滑空壓機，還是無油潤滑空壓機，進氣的空氣的清潔度往往決定了空壓機的使用壽命。

而目前市場上已有的布局情況來看，效果最好的應當是空調風道引氣，空調的濾芯作為第一道進氣過濾后，風道上截口，再裝一只過濾空濾器，最后引入空壓機，但是這種布局需防止風道聯通車廂內部，否則，空壓機打氣時脈沖容易引起車廂薄壁板共振，車廂內噪音無法承受;其次為首道進氣過濾放置干凈的地方，此類方案為現有主流方案，但是仍需考慮進氣組織保養問題。

其次，簡述出氣部分。無論油潤滑式空壓機或者無油潤滑式空壓機，務必做好排污環節。從油潤滑空壓機來講，汽車廠始終不希望將隨氣含油，粉塵等物質排入管路，導致氣制動氣閥污染，甚至橡膠件泡油導致橡膠件棉化等系列故障，引發車輛行駛安全;從無油潤滑空壓機來講，缺少油潤滑后，始終是由高分子材料進行密封運動，缺少了油的活動，金屬制品熱脹冷縮過程中產生的冷凝水必然大于油潤滑式的空壓機，若不處理好冷凝水問題，冬季來臨，尤其北方地區將會發生凍管，導致管路破損等系列問題影響運營，制動安全等。綜合上述兩點，車輛應用中就務必需要考慮排污問題。首先考慮的是管路走向問題，空壓機出氣口至干燥器、冷凝器或者濕儲氣筒進氣部位管路走向應當為順延向下，這樣可以避免中途若折彎產生無法流通節點，極易蓄水;第二，應當考慮放水裝置的控制邏輯問題，筆者建議利用空壓機打氣間隙，對放水裝置進行動作排水，借助管路中的高壓氣體，沖刷油污，冷凝水，不易積水，結冰凍管。

3 車用電動空壓機控制邏輯

首先最低啟動氣壓值，停機氣壓值得選擇。新能源車追求的是節能減排低碳，不同與傳統車的是，新能源用車載電動空氣壓縮機需做控制邏輯，當車輛氣壓低于最低需求氣壓時，空壓機進行工作打氣，當氣壓值高于最高需求氣壓時，干燥器進行卸荷，同時空壓機停止工作，其余時間段不工作。那么最低需求氣壓值的取值該如何定？筆者認為，彈簧制動氣室解除駐車制動所需氣壓值小于等于500KPa左右，早期新能源車一般設定的最低需求氣壓值為600-700KPa，實際應當從整車儲氣筒的布局，也就是全行程制動的角度來考慮，例如設置最低需求氣壓值為650KPa，而全行程制動僅1腳不到，則整車氣壓值馬上低于500KPa，那么這個最低氣壓值肯定設計不合理，同時整車儲氣筒布局可能有問題。同時各相關法規提出，整車氣壓值需高于1000KPa，作為空壓機停機氣壓值。那么如果，當整車氣壓值處于1000Kpa時，全行程制動僅1腳，整車氣壓值就降至空壓機最低啟動氣壓了，那么也是不太合理的，這樣的話，會造成空壓機頻繁打氣，失去了節能的意義。

若是最低啟動氣壓值至彈簧制動氣室所需氣壓值全行程制動有2腳，空壓機停機氣壓值至最低啟動氣壓值有3腳以上，那么車輛的制動又可以滿足GB7258法規需求，當然還需考慮其余的輔助用氣的裝置，例如車門用氣，氣囊用氣等。

傳統的空壓機大部分為不停機工作，干燥器卸荷后，所有的氣將直接通入大氣，卸荷期間將是很大的能源浪費;若是一直向干燥器通氣不卸荷，干燥器的分子篩等將極易失效，所以干燥器設定回關壓降值約100KPa-200KPa，試圖頻繁利用反吹延緩干燥器分子篩壽命。這個也就是現有很多廠家提議使用干燥器回關壓降作為空壓機的啟停氣壓值，但是筆者認為，當前整車氣壓值需提升至1000KPa，干燥器的回關壓降為100KPa，那么是否認為500KPa-900KPa這部分氣壓就閑置了，同時空壓機啟停的次數將會增加很多，空壓機的排氣溫度也會相對地上升很多，分子篩類的產品是有進氣溫度需求的，其實就是整車廠家取舍長時間低溫進氣，還是長時間地相對高溫頻繁反吹，同時筆者曾同各大主機廠交流過此類問題，也做了此類實驗，相同的條件下，空壓機啟動越頻繁則能耗越高，這個其實和生活中經常性開日光燈好還是短時離開不關燈好是同理。

終上所述，關于最低啟動氣壓值的選擇，筆者認為首先應當考慮的是制動安全，也就是全行程制動的腳數，在全行程制動允許的情況下，盡可能地延長最低啟動氣壓值到干燥器卸荷的值，例如部分8m板簧車型，空壓機打滿氣停機后，全行程制動3腳以上，空壓機才會接到啟動信號開始工作，而此時整車的氣壓值大于700KPa以上，同時700KPa至彈簧制動氣室所需氣壓值還有2腳以上的全行程制動氣壓，那么該車從空壓機的角度來講，它的負載率就會較低，將較為節能，可能數十分鐘才運作一次，單次打氣的排氣溫度遠低于頻繁打氣，同時兼顧干燥器進氣溫度低，確保干燥器的壽命。當然，若是氣囊車，那么就需要增加儲氣筒容積確保用氣安全。

其次，啟停機邏輯的選擇。目前市場運用最多的邏輯為can信號控制空壓機啟停，第二種為can信號，空壓機電機電流信號結合控制，第三種為can信號，干燥器4口卸荷信號結合控制，第四種為電控干燥器反饋信號控制。幾個邏輯各有優缺點，不做細述，唯獨需考慮的點為：①單獨can信號控制空壓機停機時需考慮延時確保干燥器卸荷，若干燥器不卸荷對干燥器的壽命將有很大的影響，采集的點需略微遠離干燥器卸荷點，例如干燥器卸荷壓力為1000KPa，若can信號也采集這個信號點，干燥器卸荷值有公差，can信號傳感器采集點也有公差，可能永遠無法達到同步控制，若是避開公差帶，can信號采集壓力值為900KPa，延時30s停機，就可能較好地避開了，當然各家選型不同，停機的壓力值及延時時間需做實驗驗證;②不建議兩種以上邏輯并存，避免邏輯干涉。例如采用電控干燥器反饋信號，又提供can信號，兩個信號沖突時，容易造成混亂。

4 車輛空壓機選型

車輛的空壓機選型目前市場是比較凌亂的，筆者接到很多主機客戶打電話來咨詢空壓機型號時，都是報的電機功率。筆者認為，空壓機的選型應該是基于打氣時間的需求，例如參考GB7258要求采用氣壓制動的機動車，發動機在75%的額定轉速下，4min內氣壓表的指示氣壓從零開始升至起步氣壓，以此信息為例，當以儲氣筒總容積，及空壓機排量去計算打氣時間，若是依據電機功率是無法明確的，參考GB19153空壓機的能效等級鑒定也是無法明確的。

根據這些年市場上匹配的經驗，參考筆者所在公司情況，大體的儲氣罐與排量如表1所示：

（筆者市場走訪時發現不少銘牌信息完全不符合現有工業水平的現象，不予理會，不做贅述，僅以筆者現有公司水平推薦，不足之處還望海涵！）

5 結語

在日常應用中，車用電動空壓機應遵循合理的匹配應用，參照相應的法規，才能更好地匹配車輛使用，更好地提升顧客的使用體驗感，更好地延續車輛零部件使用壽命，從而達到雙贏的目的！

參考文獻：

[1]GB 7258 機動車運行安全技術條件.

[2]QC/T 996 汽車空氣干燥器技術要求及臺架試驗方法.

[3]GB 19153 容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級.

[4]機械工業出版社 《活塞式壓縮機設計》.

[5]QC/T 汽車用空氣壓縮機性能要求及臺架實驗方法.