纯电动汽车电动空压机控制方案设计

霍新强

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海200438）

纯电动汽车电动空压机控制方案设计

霍新强

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海200438）

电动空压机是电动汽车的主要气源，针对其连续工作寿命短、在卸荷状态下能量消耗大的问题，本文提出了纯电动汽车电动空压机的控制方案，延长了电动空压机的使用寿命，降低了纯电动汽车的电耗。

纯电动汽车；电动空压机；控制方案

近年来，电动汽车在国家政策的引导下如雨后春笋般蓬勃发展。大部分电动商用车，如电动大中型客车、物流车等通常采用气制动系统、空气悬架系统和气动门泵，这些都需要气源。电动空压机是这些电动车辆的主要气源，目前电动汽车用的电动空压机种类比较多，使用寿命是电动空压机的一个重要指标，节能也是电动空压机选型要考虑的因素。

1 设计思路

传统商用车一般使用活塞式空压机，安装在发动机上，由发动机驱动，采用压力调节阀控制压力，当储气筒中气压达到预设的上限值时，打开压力调节阀放气；当压力低于预设的下限值时，关闭压力调节阀。压力调节阀开关动作比较频繁，但空压机随发动机连续运转。一般使用2～3年需要更换活塞环（大修），以便延长空压机寿命。而电动汽车上所用的电动空压机如果像传统空压机那样连续运转不停机，不但电动空压机寿命短，而且发热多、耗能大，发出的热量还影响其他部件的工作。所以对电动空压机进行起停控制很有必要，只要能使储气筒中的气压保持在一定的范围内，即可满足车辆的用气要求。

一般储气筒的气压下限应高于车桥制动气室抱死压力0.1 MPa以上，上限应不低于GB 7258-2012[1]的要求，而且电动空压机运转压缩空气的实际时间约为整个行车时间的1/3或1/4[2]。

针对目前电动汽车使用的电动空压机，为提高其使用寿命和节能，笔者提出一个关于电动汽车的电动空压机控制方案，控制原理如图1所示。

电动空压机的控制主要是按照储气筒中的气压P对电动空压机进行起停控制，保证储气筒中的气压P在设置的上下限值之间；但电动空压机的正常运转，还必须保证其润滑等辅助系统能够可靠地工作。有些电动空压机，比如活塞式、滑片式、螺杆式等，使用机油润滑，电动空压机自带机油润滑系统，这些统称有油电动空压机；为了保证润滑，预防机油乳化，需要对机油的油压、油温[3]等进行检测、控制，这些需要监测的油压、油温等辅助性信号，统称为电动空压机的辅助信号。还有一些电动空压机，不使用机油润滑，比如涡旋式电动空压机、活塞式无油电动空压机等，统称无油电动空压机[4]。所以电动空压机的控制包括辅助信号的控制和气压的控制。

如图1所示，电动空压机起动前，首先监测其油温、油压等辅助信号，如果辅助信号不满足要求，比如起动运转前，油泵没有转动，无法建立油压，油温也可能较低。在这种情况下可先起动运转，并开始计时t，如果在设定的时限t0内，辅助信号达到要求则将计时t清零，开始监控储气筒气压P；如果达到设定的时限t0，辅助信号仍无法达到要求，则将计时t清零，停机报警。有些电动空压机，如无油电动空压机，没有以上辅助信号，则略去以上辅助信号的控制，直接监测储气筒气压P进入气压控制循环。

如图1所示，控制系统连续监测储气筒中的气压P，当储气筒中气压达到设定的上限值时，电动空压机停止运转，不再压缩空气。随着制动系统、空气悬架系统、门泵等气压装置的使用，储气筒中的压缩空气不断被消耗，气压下降，当气压达到设定的下限值时，电动空压机起动运转，继续向储气筒中充气。电动空压机的起停可以通过控制系统发出起停信号，电动空压机的电源（逆变器）根据这个起停信号，通过接通或切断电源来实现起停功能[5]。

2 设计方案

对于上述设计思路，参照工作实践，设计了4种电动汽车电动空压机的控制方案。这些方案均可以实现电动空压机的起停控制，以减少电动空压机对电量的消耗，延长了电动空压机的使用寿命，同时降低了成本。

空气经过压缩后，水气会凝结成液态水，这些水一旦遇冷结冰，气管路将无法正常工作。每次电动空压机停机后，干燥器必须立即排气排水，保证尽量少的水进入储气筒[6-10]。

为了保证电动空压机顺利起动运行，每次停机后，必须排出电动空压机到干燥器之间管路中的高压气体，以防电动空压机下次带载起动，驱动电机过载。

所以，电动空压机的控制器系统除了辅助信号和气压信号P的控制外，还要考虑电动空压机停机后干燥器的排气、排水控制和电动空压机到干燥器之间管路的排气控制。

2.1 控制方案一

对于有辅助信号需要控制的电动空压机，可以采用电控干燥器和ECU来控制，如图2所示。

电控干燥器除了具有一般干燥器的功能外，还带有压力传感器，可以输出气压信号，当达到预设的下限值时输出高电平（24 V）；气压上升，当达到预设的上限值时转换成低电平（0 V）。气压信号由高电平转换成低电平时，电控干燥器自动控制反吹一次，从排气口3排气、排水一次；在反吹排气、排水的同时，将电动空压机到干燥器的管路中的高压空气排出，防止带载起动。

如图2所示，空气从电动空压机进气口进入电动空压机压缩后，经管路从电控干燥器的进气口1进入干燥器，干燥后从出气口21排出经管路进入储气筒。

辅助信号从电动空压机上采集，为开关信号，输入ECU，满足要求时为高电平，不满足要求时为低电平；气压信号由电控干燥器发出，也为开关信号，输入ECU，气压低于设置的下限时为高电平；当气压升到设置的上限时，转为低电平；当气压降到设置的下限时，再转为高电平。

ECU按照图1控制原理所示的流程进行控制，输出起停信号。在刚起动时，输入ECU的辅助信号可能不满足要求，为低电平，如果气压信号为高电平，则电动空压机起动运转；如果在设定的时限t0内，辅助信号满足要求，则按照流程，继续监测气压；反之如果在设定的时限t0内，辅助信号不能满足要求则停机报警；如果辅助信号为满足要求的高电平，气压信号也为高电平，则ECU输出起停信号为高电平，逆变器输出高压电到电动空压机的驱动电机，电动空压机起动运转；如果辅助信号为高电平，气压信号为低电平，则ECU输出起停信号为低电平，逆变器停止输出高压电到电动空压机的驱动电机，电动空压机停止运转。

2.2 控制方案二

对于没有辅助信号需要控制的电动空压机，也可以取消ECU，只采用电控干燥器直接控制[11]。

电动空压机的起停基本同控制方案一，与方案一不同的是，该方案只有电控干燥器采集气压信号，该气压信号就是起停控制信号。当电控干燥器监测到储气筒和气管路中的气压低于预设的下限值时，电控干燥器输出的气压信号为高电平，即起停信号为高电平；当电控干燥器监测到储气筒和气管路中的气压达到预设的上限值时，电控干燥器输出的气压信号转为低电平，即起停信号为低电平。

干燥器的反吹排气、排水和电动空压机到干燥器的管路中的高压空气的卸压同控制方案一，由电控干燥器自动实现。

2.3 控制方案三

对于有辅助信号需要控制的电动空压机，如果整车使用普通干燥器，也可以采用压力开关和ECU来控制，但需要增加干燥器排气排水的控制系统，如图3所示。

压力开关负责采集压力信号，压力开关的①为低压电源输入端，压力开关输出端根据输入的气压大小在②和③之间切换，当输入的气压低于预设的下限值时切换到输出端③，高电平信号进入ECU；当输入的气压达到预设的上限值时切换到输出端②，驱动二位三通电磁阀切换。

如图3所示，空气从电动空压机进气口进入电动空压机压缩后，经管路从干燥器的进气口1进入干燥器，干燥后从出气口21和22排出经管路分别进入储气筒和再生筒（一般5 L左右）。从储气筒上接出一路压缩空气，经过三通分别进入压力开关和二位三通电磁阀，进入压力开关的压缩空气用于监测储气筒压力，产生气压信号；进入二位三通电磁阀的压缩空气由该电磁阀控制经过管路从干燥器的控制口4进入干燥器。

辅助信号从电动空压机上采集，为开关信号，输入ECU，满足要求时为高电平，不满足要求时为低电平；气压信号由压力开关采集，也为开关信号，气压低于设置的下限时，压力开关输出端切换到③，输入ECU的信号为高电平；当气压达到设置的上限时，压力开关输出端切换到②，输出端③输入ECU的信号转为低电平。

ECU按照图1控制原理所示的流程进行控制，输出起停信号，控制策略同控制方案一。

干燥器的反吹排气、排水和电动空压机到干燥器的管路中的高压空气卸压由压力开关、二位三通电磁阀和再生筒等零部件配合完成。当储气筒气压达到预设的上限值时，压力开关输出端切换到②，驱动二位三通电磁阀切换到图示左侧位置（通电前处于右侧位置，储气筒来的管路处于关闭状态，干燥器控制口4与大气接通），与储气筒连接的管路中的压缩空气进入干燥器的控制口4，干燥器接到控制信号，打开22口，再生筒中压缩空气从22口进入干燥器，反吹一次，从排气口3排气、排水一次；在反吹排气、排水的同时，将电动空压机到干燥器的管路中的高压空气排出，防止带载起动。

2.4 控制方案四

对于没有辅助信号需要控制的电动空压机，如果整车使用普通干燥器，也可以取消ECU，只采用压力开关直接控制。

电动空压机的起停基本同控制方案三，与方案三不同的是，该方案只有压力开关采集气压信号，该气压信号就是起停控制信号。当输入压力开关的气压低于预设的下限值时，输出端③输出高电平，即起停信号为高电平；当输入的气压达到预设的上限值时，输出端③输出转为低电平，即起停信号为低电平，这时输出端②为高电平，驱动二位三通电磁阀切换。

干燥器的反吹排气、排水和电动空压机到干燥器管路中的高压空气卸压控制，与控制方案三相同。

3 结束语

本文提出的4种电动空压机的控制方案均经过实践验证，可以满足不同的电动空压机的控制。试验表明，电动汽车用电动空压机如果不使用起停控制，寿命大约为2～3年；而使用了起停控制，由于电动空压机的工作时间减小为原来的1/3或1/4，寿命可以增加至与整车一样的8年；电机空压机消耗的能量相应地减少为原来的1/3或1/4。一般商用车空压机运转消耗的功率占发动机总功率的2%左右，其中很大一部分能量转化成热量损失掉了[2]；电动汽车如果使用带起停控制的电动空压机，可以节能66%～75%，从而增加续驶里程，减轻电动汽车的“里程焦虑症”。电动空压机发出的热量同样减少，如果再采用隔板将电动空压机舱与其他舱体分开，阻挡热量的传递，可以有效地减小电动空压机对其他部件的影响。

[1]公安部道路交通管理标准化技术委员会.机动车运行安全技术条件：GB7258-2012[S].北京：中国标准出版社，2012：5.

[2]田韶鹏，李庚，雷蕾.纯电动汽车空压机控制方案设计[J].武汉理工大学学报，2016，38（3）：382-385.

[3]福下宏明.空气压缩机用润滑油的乳化对策[C].中日轨道交通车辆制动技术论坛，2008.

[4]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.

[5]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社2003.

[6]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册：设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7]冯彭.空气干燥器在气制动系统中的应用[J].汽车实用技术，2000（1）：20-22.

[8]全国压缩机标准化技术委员会.压缩空气干燥器第1部分：规范与试验：GB/T10893.1-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[9]陈小磊.商用车的空气管理系统[J].汽车与配件，2006（48）：42-43.

[10]张庶凯，郑金陶.商用车空气压缩机的发展[J].汽车与配件，2008（51）：68-69.

[11]杨国华，韦书达，招思安.电动客车空气管路气压控制的另一途径[J].客车技术与研究，2012，34（2）：32-34.

修改稿日期：2016-11-22

Control Scheme Design of Electric Air-compressor for Pure Electric Vehicles

HuoXinqiang
（Commercial Vehicle Technical Center ofSAICMotor Co.,Ltd,Shanghai 200438,China）

The electric air-compressor is the main air source of an electric vehicle,but it has two problems that are short service life under continuous working and high energy consumption under unloading.The author puts forward the control scheme of the electric air-compressor for the pure electric vehicle to extend the service life of the air compressor and reduce the electric prower consumption.

pure electric vehicle;electric air-compressor;control scheme

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2017）02-0022-04

霍新强（1976-），男，工程师；主要从事新能源动力系统的集成工作。