纯电动客车电动空压机系统的匹配设计

陈笃廉

（厦门金龙旅行车有限公司，福建省新能源汽车企业重点实验室，厦门361026）

纯电动客车电动空压机系统的匹配设计

陈笃廉

（厦门金龙旅行车有限公司，福建省新能源汽车企业重点实验室，厦门361026）

介绍纯电动客车电动空压机系统的组成部件和设计流程，阐述电动空压机系统关键部件在纯电动客车上的匹配设计方法及控制策略，同时分析系统总成的台架试验方法。

纯电动客车；电动空压机系统；匹配设计

电动空压机系统，全称为电动空气压缩机系统。包含了电动空气压缩机（简称电动空压机）及其控制器等部件，是纯电动客车必不可少的关键零部件之一。电动空压机的作用是为纯电动车辆的制动、门控等提供气源。电动空压机系统的设计，直接影响车辆的安全性能，同时还会涉及车辆的能耗和舒适性。因此，其在设计时需要合理匹配，同时控制策略需要根据车辆需求进行优化适配，并进行充分的试验验证。

1 电动空压机系统设计流程

电动空压机系统通过电机驱动控制空压机，其主要部件包含了电动空压机和电机控制器，另外还包含了空气过滤器、传输管路、储气筒等常规零部件。其中，电动空压机又由电机和空压机（不含驱动部件的机头）组成。根据空压机驱动方式的不同，电动空压机可分为滑片式、螺杆式、涡旋式、活塞式等类型，各种形式的产品各具优势，当前使用较多的是滑片式的空压机，其具备效率高、噪声小、振动轻等特点[1]。电机控制器则主要采用变频控制，接收整车控制器的指令，将储能系统的电能转换为机械能，控制电机带动空压机按照相应的控制逻辑进行工作，满足整车气路的需求。

根据不同车型的技术要求，对电动空压机系统的设计，除传统部分外，需重点匹配和设计电动机、空压机、电机控制器；在匹配设计的过程中，需对每一个阶段进行功能验证，还需重点加强质量把控，故电动空压机系统的设计建议按照V型设计流程（图1），从整体目标、总成部件、关键零件的进行设计验证[2]。

图1 电动空压机系统V型设计流程图

2 匹配设计内容

本文以某10 m空悬电动客车为例（储气筒容量约180 L），着重介绍电动空压机系统电动部分的匹配设计。而其对应的传统部分设计，则需严格遵循相关国标要求和汽车构造[3]、汽车理论[4]的设计要求，本文不再赘述。

2.1 总体设计

电动空压机系统，作为整车供气体系的一部分，其总体设计原理图如图2所示。

图2电动空压机系统总体设计原理图

图2 中的关键部件为电动空压机（电机和空压机）和电机控制器，需要重点进行计算匹配。

2.2 空压机匹配

空压机的工作压力应不小于储气筒的气压上限。根据文献[5]的相关要求，为减小储气筒容积和尺寸，应尽可能提高工作压力，但由于空压机的排气压力上限以及系统元件的承压强度等条件限制，本文车型采用的储气筒气压上限压力定义为0.86 MPa，对应的空压机工作压力P应≥0.86 MPa。

同时，空压机需要选择适当的排气量，根据国标的相关要求：测定升压最慢储气筒的升压时间至规定气压上限的65%，最长时间应≤3 min；至规定气压上限，最长时间应≤6 min。根据式（1）：

式中：P为充气后储气筒压力，MPa；V为充气后储气筒总容积，L；T为充气后储气筒气体温度，℃；P1为吸气大气压力，MPa；V1为吸入空气总体积，L；T1为吸入大气温度，℃；P2为充气前储气筒压力，MPa；V2为充气前储气筒总容积，L；T2为充气前储气筒气体温度，℃。

考虑到实车安装有相关的冷却装置，如冷凝器和足够长度的紫铜管，故可假设充气前后气体温度不变，即T =T1=T2，储气筒总容积不变，即V=V2，式（1）可简化为

式中：Q为空压机排气量，L/min；t为储气筒压力从P2到P1所需充气时间，min。

根据式（3），代入实际的数据，P为0.86 MPa的65%，即0.553 MPa；P1为0.1 MPa；P2默认与大气压力相同，即P2=P1；V为180 L；t为3 min。计算可得，10 m纯电动空悬车需求空压机排气量约为300 L/min。

2.3 电机匹配

电动空压机系统中电机的主要作用是带动空压机运转，根据空压机的技术参数，匹配电机时主要考虑电机的功率、转速、扭矩等参数。

1）电动机功率匹配。根据文献[6]的推荐，对于排气量为300 L/min的空压机，一般选用额定功率为3 kW的电机进行驱动，即需求的Ge≈3 kW。同时考虑空压机的最高压力（1.0 MPa）与常用输出压力（0.86 MPa）的比值，电动机峰值功率选定Gemax≈3.5 kW。

2）电动机转速计算。电机的转速需要与空压机打气的转速同步协调，同时还需要考虑电机本身的特性。

根据电机设计原理[7]，其转速n为：

式中：f为电源频率；p为电机极对数；s为转差率。

目前电动空压机常用的电机为三相永磁同步电机，多数为50 Hz定频电机，极对数为1对极或2对极，永磁电机转差率为0。将公式代入计算：三相异步2极的电动机，转速最低为1 500 r/min；三相异步1极的电动机，最高转速为3 000 r/min。将空压机转速设计为1 500～3 000 r/min。

根据电动机以及滑片式空压机的特性要求，虽然更高转速对空压机产品设计的材质要求更高，但转速过低容易导致负载率不足而引起机油变质。综合考虑，优先选择3 000 r/min的转速。

3）其他主要参数的确定。电机的额定电压需适配储能系统的电压平台，一般有220 V和380 V两种规格。本文案例中样车电池的电压平台超过500 V，故选用电机额定电压为380 V。同时为满足《电动客车安全技术条件》[8]，还需考虑电动机的IP防护等级、绝缘等级等。本文样机最终选型防护等级为IP67，绝缘等级为H级。

2.4 控制器设计

电动空压机控制器的硬件基础是基于矢量控制的变频器[9]，其作用是驱动电机按照控制策略的规划进行运转，结合储能系统的电压平台和电机的参数，控制器直流DC输入端允许电压范围选定为DC300V～DC750 V，额定功率需大于3.5 kW，本文案例中参照实际可选机型，选定电机控制器额定功率为5.5 kW，额定输出电流为13 A，输出频率0～300 Hz。

在确定硬件平台后，还需要根据车辆的控制需求，制定电动空压机的控制策略。电动空压机关系到车辆的制动安全，策略制定需要重点考虑可靠性设计。本文电机控制器将读取整车控制器的使能指令，根据车辆的气压状态、电机转速信息，在低气压时提速运行、高气压时稳速运行，动态地实现对电动空压机的控制，同时结合空压机反馈的温度信号、干燥器的卸荷需求，避免空压机过热和气路积水，实现对电动空压机的保护功能。相关控制逻辑流程如图3所示。

图3 电动空压机系统控制逻辑流程图

3 总成测试试验

通过匹配计算得来的技术指标，还需进行测试验证。在本文的V型开发流程中，零部件的测试一般由部件供应商进行，而总成及实车的测试则主要由整车厂负责。

总成测试主要考虑在台架上进行电动空压机与电机的初步匹配，以及对打气时间、噪声、可靠性等的测试，而实车测试则还应考虑系统在车辆上的实际应用，如通信匹配、控制匹配、整体效率与能耗、振动等。本文主要针对总成测试进行介绍。

3.1 初步匹配测试

在进行电动空压机与电机控制器匹配测试时，可通过电机控制器直接读取电机侧的工作电压和对应的电流（线电压和线平均电流值），验证电机功率是否满足设计需求。

目前10 m纯电动车所匹配的电动空压机额定功率为3 kW，从实际车辆的控制逻辑，有两种状态在工作。状态一：车辆首次生产或长时间停放，则需电动空压机输出端带载气压从0.1 MPa运行至0.86 MPa；状态二：车辆正常使用，空压机输出端带载气压从0.68 MPa运行至0.86 MPa。

目前实际应用中，电动空压机基本保持在状态二的工作模式下。根据实际测量，电机交流侧的电流在一般4.7～5 A之间变动，较多时刻为4.88 A，电压较多时刻在380 V附近变动。将数据代入式（5）计算：

电动机输入端平均功率=1.732×380 V×4.88 A× 0.9=2.891 6 kW，基本满足电机功率3 kW的设计目标。

3.2 打气时间测试

本电动车的储气筒容量约为180 L，根据文献[5]的相关要求，对匹配设计的3 kW电动空压机进行实车测试。测试前，先将车辆所有储气筒内所有压缩空气排至与大气压力相同，然后测定升压最慢储气筒的升压时间至规定气压上限的65%，最长时间需满足≤3 min；所有储气筒压力升压至规定气压上限，最长时间需满足≤6 min。

10 m电动车的储气筒气压上限压力为0.86 MPa，所以泵气时间为3 min内需将升压最慢储气筒的压力打至0.559 MPa，6 min内需将所有储气筒压力打至0.86 MPa。为避免测试误差，不低于3次重复测试。检测数据记录如表1。

表1 10 m电动空压机系统打气时间测试数据

3.3 噪声测试

根据文献[10]的要求，对空压机进行噪声测试。鉴于实际测试环境的很多基础设施因素无法满足检测标准的相关要求，故采用空旷场地，且环境噪声小于45 dB（A）的场合进行模拟。将噪声检测仪放置于距离空压机1 m处进行测量。测试开始前，确保空压机输出端负载超过0.68 MPa，而后针对不同的负载气压，启动空压机运行至0.86 MPa。采集输出端负载压力变化期间的噪声，重复测试不少于8次。

由于电动车目前没有噪声限值相关标准可参考，根据汽车噪声来源分析[11]和空压机的技术条件[12]，综合考虑，将纯电动客车用电动空压机部件工作噪声限值定为≤80 dB（A）。电动空压机噪声检测数据平均值见表2。

表210 m电动空压机系统噪声测试数据平均值

平排均气噪压声力/ d /BM（PAa）06. 65 80 6 .7 6 30 6 .7 7 80 6 .8 9 20 7 .8 2 6

4 结束语

随着电动客车的推广与普及，电动空压机系统的应用也原来越广泛，为保证系统的可靠性、经济性，在实际设计过程中，理论计算与试验验证缺一不可。只有根据各种车型的需求设计合适的电动空压机系统，并进行充分的验证，才可保证电动空压机系统在纯电动车辆上的有效应用。

[1]丁传记.电动客车各型空气压缩机结构原理及可靠性分析[J].科技传播，2012（14）：147-148.

[2]刘刚，王鑫，张学勇.产品V型设计开发模式[C].中国重庆国际汽车工业展学术论坛暨商用车关键技术交流发展论坛，2013.

[3]陈家瑞.汽车构造：下册[M].3版.北京：机械工业出版社，2009.

[4]余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[5]全国汽车标准化技术委员会.商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法：GB 12676-2014[S].北京：中国标准出版社，2014：10.

[6]全国压缩机标准化技术委员会.一般用喷油滑片空气压缩机：JB/T4253-2013[S].北京：机械工业出版社，2013：4.

[7]程福秀.现代电机设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

[8]工业和信息化部.关于进一步做好新能源汽车推广应用安全监管工作的通知[EB/OL].（2016-11-11）[2017-01-15]. http：//www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n37570 18/c5362809/content.html.

[9]王震坡，孙逢春，刘鹏.电动汽车原理与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2014.3.

[10]全国压缩机标准化技术委员会.容积式压缩机噪声的测定：GB/T4980-2003[S].北京：中国标准出版社，2003：10.

[11]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[12]全国汽车标准化技术委员会.汽车用空气压缩机性能要求及台架试验方法：QC/T 29078-2016[S].北京：中国标准出版社，2016：4.

修改稿日期：2017-03-07

Matching Design of Electric Air Compressor System for Pure Electric Bus

Chen Dulian
（Xiamen Golden Dragon Bus Co.,Ltd,Fujian KeyLaboratoryofNewEnergyAutomobile Company，Xiamen 361026,China）

The author introduces the components and the design process of the electric air compressor system for a pure electric bus,the matching design method and the control strategy of the key parts of the electric air compressor systemfor the pure electric bus,and analyzes the bench test method ofthe systemassembly.

pure electric bus;electric air compressor system;matchingdesign

U469.72；U464.171

B

1006-3331（2017）03-0024-04

陈笃廉（1971-），男，工程师；主要从事客车技术研发与管理工作。