不同海拔對電動汽車電動真空泵的影響

張春城 姜壁剛 韓飛 李春波

摘要：在高原山區對輕型電動車進行實際道路試驗，分析海拔對真空度的影響。結果發現電動汽車在高原山區容易出現踏板變硬的情況，利用踏板力計和真空度傳感器收集數據并分析問題的原因。結果表明：4 300 m的真空度比1 900 m下降了42.1%，恢復時間比1 900 m少33.4%；在高海拔地區連續制動更容易出現踏板變硬的情況，在高海拔處緊急制動導致踏板明顯變硬。

關鍵詞：電動汽車；電動真空泵；高海拔

中圖分類號：U461.3? 收稿日期：2023-02-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.023

1 前言

2022年全球新能源乘用車市場首次突破1 000萬輛大關，滲透率（2020年4%、2021年9%）提升至14%。其中，中國新能源汽車銷量649.8萬輛，市占率（2020年40.5%、2021年51%）提升至65%。想要進一步推動新能源汽車滲透率的提高，需新能源汽車更好地適用于更多的場景。

傳統油車的真空源來自于發動機進氣歧管（發動機的真空）。在發動機工作時，進氣歧管會產生一定的真空度，與外界大氣壓形成的一定的壓差，從而產生制動輔助的作用。純電動汽車的動力源是電動機，制動系統的真空助力動力來源發生改變，變為電動汽車真空助力泵抽真空。宗立華等[1]對同一車輛分別裝配和拆卸機械真空泵分別進行 NEDC 試驗循環，綜合工況油耗數據發現機械真空泵對整車油耗影響約為 1.3%。同時因為油車一直帶動真空泵運轉，造成較大能耗，而電動車則只需要在真空度較低時工作，比油車更為節能。

在高原地區海拔高、氣壓低，導致制動系統真空度嚴重下降，在山區行車進行連續制動，容易出現離真空度恢復閾值點制動的情況。在高原山區行車存在兩方面問題：一方面真空度較低導致提供的助力不足，制動踏板發硬，導致駕駛員疲勞；另一方面在連續制動時出現制動不足，造成事故。因此需要在高原山區進行實際道路試驗，分析海拔對電動汽車真空度和制動力的影響。車輛在高原山區行駛時出現制動發硬和制動效能不足的現象，與高原相關主要有兩種情況，一種海拔因數造成真空度水平低，另外一種是連續快速制動的工況，導致在真空泵閾值附近制動，造成制動力嚴重不足情況。本文針對高原出現的兩種現象，進行針對性試驗分析。

2 試驗設備和方案

2.1 試驗設備

試驗車輛選取某品牌1.7 t的N1類小貨車，試驗車輛已經磨合且狀態良好。使用VBOX和陀螺儀分別采集車速和加速度，利用踏板力計、壓力傳感器采集制動踏板力和真空度數據，數據采集設備主要參數如表1所示。

2.2 試驗方法

分別在海拔1 900 m的昆明中汽研、海拔3 300 m的香格里拉和海拔4 300 m的白馬雪山隘口，進行高原整車制動系統試驗，分析海拔對車輛制動系統真空度和對整車制動性能的影響。首先分析靜態條件下不同海拔對真空度恢復的影響；其次分析移庫時連續制動對真空度的影響；最后分析緊急制動工況，海拔對助力器真空度和踏板力的影響。同時分析車輛在高原地區出現的踏板變硬情況，并提出相關建議。

3 海拔對真空度的影響

QC/T 307-1999中對助力器性能檢測時的真空度要求為-66.7 kPa，在平原地區車輛真空助力器的真空度一般要求在-80～60 kPa，而在高原地區受到環境海拔氣壓的影響，助力器真空度一般為-50 kPa左右。通常將-20 kPa真空度作為閾值[2]。

3.1 靜態試驗

圖1為不同海拔對真空度恢復圖。從圖1可以看出，海拔1 900 m、3 300 m和4 300 m處真空度分別達到-51.5 kPa、-39.3 kPa和-29.8 kPa，3 300 m和4 300 m的真空度比1 900 m分別下降了23.7%和42.1%。從真空度恢復速率來看，在海拔1 900 m處恢復速率最快，4 300 m處次之，3 300 m時恢復最慢；在4 300 m處大氣壓僅為60.8 kPa，真空度下降較多，導致僅用7 s就恢復到峰值，恢復時間比1 900 m少33.4%。張曉明等[3]研究表明：在海拔2 800 m時，制動系統電動真空泵抽氣效率表現良好；在海拔高度4 100 m和4 700 m時，制動系統電動真空泵抽氣效率表現一般。圖1與張曉明研究結論一致，表明在海拔4 000 m的高原條件下，真空助力性能下降50%左右，達到最大真空的時間減少10%以上。

3.2 移庫試驗

在高原山區，海拔較高導致真空度下降。山區道路彎多坡陡，在彎道需要進行減速過彎；在長下坡時，需要連續制動。山區道路多為單向雙車道，遇見緊急情況需要全力制動。因連續制動，導致真空度連續消耗，當真空度達到恢復閾值附近時，會出現制動踏板發硬[4]。北京汽車的王飛等[5]表示通過試驗人員長期的實車測試及主觀評價，認為當真空度低于-30 kPa時，制動踏板已明顯發硬。

圖2是海拔1 900 m移庫試驗踏板力與真空度關系圖。在海拔1 900 m時空載最大踏板力為113 N，在進行前兩次移庫，真空度消耗達到恢復閾值附近，此時踏板力達到最大。而錯開真空度恢復閾值點附近，此時踏板力均在70 N附近，助力較為明顯。在滿載時真空度不是最大的時候開始進行試驗，而是開始就進行真空度恢復，而離真空度閾值較遠，整體上踏板力均較小，助力效果比較好。

圖3是3 300 m移庫試驗踏板力與真空度關系圖，在海拔3 300 m時最大真空度下降，整體踏板力較小。真空泵在恢復真空度時，開始踩制動踏板，導致圖中的真空度出現先增加、后減小、最后增加的現象，這種現象出現時助力效果較好。

圖4是海拔4 300 m移庫試驗踏板力與真空度關系圖，在海拔3 300 m時最大真空度下降嚴重，容易使真空度恢復閾值。在空載和滿載時，均容易出現真空度邊恢復邊踩制動踏板的情況，導致真空度曲線有較大的波動，且真空度水平不高，進行連續制動后，但在較長時間內真空度處于中低水平。另一方面最大踏板力均超過了250 N，出現踏板變硬的情況。GB 7258-2017要求商用車行車制動在產生最大制動效能時的踏板力或手握力應小于或等于700 N，根據經驗數據表示，當駕駛踏板力達到220 N時，駕駛員會感覺踏板變硬，長時間行車容易導致駕駛員疲勞和造成事故。

綜合圖2、圖3和圖4分析，隨海拔升高，真空度下降，最大踏板力呈現逐漸上升的趨勢。在海拔1 900 m和3 300 m處連續制動后，容易使真空度處于臨界值附近，在開始制動后容易出現踏板變硬的情況，且在高原山區，長下坡和彎道較多，需要連續制動，但在出現緊急制動時容易導致制動不足的情況，從而產生危險。對于海拔4 300 m處，真空度下降嚴重，容易出現消耗真空度同時真空泵在工作的情況，此時第二次制動時的踏板力已經和海拔3 300 m處踏板力相近，第三次則是海拔3 300 m處踏板力的兩倍，此時容易出現制動不足導致發生事故。對比圖2、圖3和圖4，在相同的真空度下產生的助力也有較大的差異，導致踏板力不一致。王飛等[6]在高原對油車進行試驗時，發現在高原地區存在失去助力的可能，在移庫、長時間跟車等工況存在較大安全風險。油車由于發動機工作，可以持續地讓真空度保持在較高的水平上，與油車相比電動汽車的真空度則不能實時地進行補充，高海拔對電動汽車制動有較大影響。

3.3 滿載緊急制動

在不同海拔進行滿載緊急制動試驗，以分析海拔對制動力的影響。該N1類電動汽車最大車速為80 km/h，結合企業標準和高原實際道路情況，選擇最大車速的一半（40 km/h）作為制動起始車速。圖5是海拔1 900 m滿載緊急制動踏板力與真空度的關系圖。在海拔1 900 m處、0.8 s時減速度達到較高水平，然后經過1 s達到最大減速度5.6 m/s2。真空度為-50 kPa時，真空助力效果較好，真空度下降了9 kPa。在0.9 s時踏板力達到峰值水平附近，踏板力最大僅為100 N。

圖6是海拔3 300 m滿載緊急制動踏板力與真空度的關系圖。在海拔3 300 m處，0.8 s時減速度達到較高水平，然后再經過0.4 s達到最大減速度5.7 m/s2。真空度在-36 kPa，真空助力效果一般，在0.8 s時踏板力達到峰值水平附近，真空度下降了6.5 kPa，踏板力最大達到240 N，在制動過程感覺制動踏板有點硬。圖7是海拔4 300 m滿載緊急制動踏板力與真空度的關系圖。在海拔4 300 m時，1 s時減速度達到較高水平，然后再經過0.4 s，達到最大減速度4.3 m/s2。真空度在-29 kPa，真空助力效果較差，在0.8 s時踏板力達到峰值水平附近，真空度下降了7.5 kPa，踏板力最大達到290 N，在制動過程感覺制動踏板較硬。

張棟江等[4]在對電動汽車電動真空泵進行高原標定時考慮到，高原穩態真空度下降的情況下，駕駛者又在進行特殊極端工況時，因連續制動導致真空度持續消耗，從而出現制動踏板發硬的情況。需要對整車制動真空度的下限值進行標定，從而提高制動真空度，以提供足夠的制動助力來保證緊急制動下的安全性。結合滿載緊急制動分析，在海拔4 000 m處需要合理提高真空度下限值，避免僅一次緊急制動就導致踏板變硬，在連續制動工況下要調整真空泵恢復策略。

4 結語

海拔對電動汽車真空度的影響較大，因此在高原山區對電動汽車進行實際道路試驗，結果表明：

a.海拔4 300 m的真空度比海拔1 900 m分別下降了42.1%；恢復時間比海拔1 900 m少33.4%。

b.在高海拔地區連續制動，容易使真空度處在開啟恢復閾值附近，導致下一次制動踏板變硬。

c.在高海拔處真空度下降較多，不能提供較大的助力，制動導致踏板力明顯變硬。

參考文獻：

[1]宗立華，吳楚汽車真空泵對整車油耗的影響研究[J]上海汽車，2019（3）：7-10.

[2]楊嵩高原地區汽車低速行駛時制動助力不足問題的試驗分析與仿真研究[D]成都：西華大學，2016.

[3]張曉明，劉泉，余云龍，等某純電動車型配電動真空泵高原制動試驗研究[J]汽車科技，2022（1）：72-75.

[4]張棟江，于陽，焦鵬，等電動汽車電動真空泵高原標定研究[J]時代汽車，2022（13）：94-96.

[5]王飛，王寶國傳統真空伺服助力車型抽真空能力試驗分析[J].車輛與動力技術，2021（4）：46-50.

[6]王飛，馬立璞車輛高原地區制動助力不足的試驗驗證[J]北京汽車，2019（2）：16-20.

作者簡介：

張春城，男，1989年生，工程師，研究方向為整車測試技術。