电动空气压缩机在电动客车上的应用及发展

陈运来， 闫帅林， 王浩宇

(郑州宇通客车股份有限公司， 郑州 450061)

电动空气压缩机(简称电动空压机)是电动客车必不可少的关键零部件，其为整车气制动及气动部件提供压缩气源，保证气动部件功能正常、稳定。目前电动空压机一直是电动客车企业的薄弱环节，带载启动性差、油乳化、空气干燥性能差、电耗高及振动大等问题影响电动客车的发展，安全、可靠、节能、低成本、低噪声的电动空压机是当前电动客车发展关键所在。

1 电动空压机系统

电动客车的制动、门泵、驻车、空气悬架、气囊等都采用高压气源，高压气源由电动空压机系统提供。电动空压机系统主要包括电动空压机、控制器(变频器)、气压传感器、电气线路、储气罐、管路、分配阀、干燥器以及冷凝器等。电动空压机利用电动客车动力电源，将电能转换成气体压力能，为整车提供压缩气源，是整车压缩空气的气压产生源装置，主要由打气泵和驱动电机集成。控制器控制驱动电机按照整车要求进行打气，将高压压缩空气储存到储气罐以供整车备用，使打气泵的排气量和用户的用气量保持供需平衡，避免卸载与压差的功率损耗。

1.1 控制方式

电动空压机在客车上有2种控制方式：卸荷式和压力开关式。卸荷式控制方式是指当储气罐内的压力达到调定值时，空压机不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转，这种空转状态称为卸荷运转；压力开关式控制方式是指当储气罐内的压力达到调定值时，空压机自动停止运转。

考虑到需要节约电能延长整车续驶里程的因素，基本采取压力开关式控制方式。其控制原理是：压力开关(或压力传感器)检测储气罐气压，将压力信号及时传递给对应控制器以控制其启停；同时控制器根据压力开关的压力大小(压力信号)来控制变频器的输出频率，当压力大时，载荷相对较大，减小频率，打气速度变慢，目的是提高电机的过载能力(降低转速以提高扭矩)；当压力小时，载荷相对较小，增大频率，打气速度加快，目的是快速打气以满足整车需要。使整车气压相对恒定，确保以高压气体为执行介质的整车零部件可靠稳定工作。

电动空压机通过变频器来控制电机转速，电机转速决定打气泵转速，这样就组成了一个变频闭环控制系统，实现恒压供气、多用多产、少用少产、不用即停，减少了无用功的能源损耗。

1.2 电动空压机与传统空压机的区别

目前电动空压机的驱动电机主要有三相异步、直流无刷、永磁同步等类型；打气泵主要有螺杆、滑片、涡旋、活塞等常用类型。

传统内燃机客车采用有油活塞式空气压缩机(打气泵)，由发动机驱动，具有带载启动能力强、干燥性能好、因发动机预热温度高不产生油乳化现象等特点，靠发动机润滑油进行统一集中润滑、冷却，大多数采用卸荷式控制方式，能耗相对较高。

电动客车采用的电动空压机由独立电机及对应控制器驱动，其工况不同于传统内燃机客车的空气压缩机：工作环境温度相对较低、间歇性启动。现阶段多数客车厂还采用传统客车用的有油活塞式空气压缩机作为电动空压机的打气泵头，即采用有油活塞式电动空压机，其打气泵头和传统客车基本相同，不同点有：驱动动力源为电机；用单独润滑油进行润滑、冷却，通过压缩机内部曲轴带动齿轮泵供给，在自身内部独立润滑和冷却。这种有油活塞式电动空压机存在以下缺点：后期维护繁琐、保养成本高、需要单独定期更换润滑油；另外高压压缩空气中含有一定油气，影响气动执行机构的性能和寿命。

由于有油活塞式电动空压机存在上述固有缺点，后续逐渐会被无油活塞式电动空压机取代。无油活塞式电动空压机在使用过程中免维护，后续维护成本大大降低，现在很多厂家都在研究和测试，不久将会大批量应用。

1.3 电动空压机特点

商用汽车上的压缩机一般通称容积式压缩机。容积式压缩机通过运动部件的位移，封闭空间发生变化，而使一定容积的气体吸入和排出封闭空间，以提高静压力。它的种类很多，相关术语详见容积式压缩机术语总则[1]。电动空压机的驱动电机设计满足电动汽车电机相关技术条件和性能要求[2]。目前电动客车主要采用螺杆式、滑片式、涡旋式、活塞式等4类电动空压机。

1) 螺杆式电动空压机。螺杆式电动空压机用螺杆与气缸形成一个动态的密闭空间并将空气压缩，其有双螺杆与单螺杆2种。双螺杆空压机出现比单螺杆晚，其克服了单螺杆平衡性差、轴承易损的缺点，双螺杆空压机工作时2个螺杆间的缝隙由润滑油形成油密封，不产生相对摩擦，该机型长期运行对效率降低影响极小；双螺杆式空压机更趋合理、先进，因具有噪声低、高效率等优点，得以快速应用。但该机型在使用过程中，因水与油长期混合容易形成乳化现象,造成油品下降而影响轴承润滑，导致整机寿命短，最终影响了以高压气源为工作介质的执行机构的性能和寿命。因此需要定期更换冷却油和三滤，维护成本稍高。

总体来说，其价格贵，噪声低，容积率高，比功率低，维护费用高。

2) 滑片式电动空压机。滑片式电动空压机也叫旋转叶片式电动空压机，是通过驱动电机带动转动叶片来实现气体压缩。滑片空压机关键器件是独特的旋转滑片，用滑片做挡板与气缸形成一个动态的密闭空间并将之压缩，转子是唯一连续运行的部件，其以极低的速度运转，因而寿命较长。该机型在使用过程中，滑片与缸体直接接触，长期运行后滑片会随之产生磨损，但滑片也会随转动甩出，可避免效率降低。但仍存在和螺杆式一样的乳化问题，需要定期更换冷却油和三滤。

总体来说，其价格贵，旋转后动态平衡好，噪声低，容积率高，比功率低，维护费用高。

3) 涡旋式电动空压机。涡旋式压缩机由动、静涡盘相互咬合而成，因结构复杂，密封要求高(核心部件静盘和动盘间隙小导致密封难度大)，因温度变化产生的微小形变，导致极易产生摩擦，因此对加工精度要求较高，不易制造。该机型工作时涡旋轮全面受压，同时又偏心旋转，导致轴承负载大，主要局限于小型无油式压缩机上使用。在使用过程中核心部件一旦损坏则无法维修，需整体更换。该机为新机型，尚在试验阶段，未大批量推广。

总体来说，其维护保养简单，振动小、噪声低，容积率高，制造成本较高，不易密封，可靠性低。

4) 活塞式电动空压机。活塞式电动空压机依靠活塞往复运动使气体增压和输送气体，活塞做往复循环运动形成打气。其技术性能要求满足《微型往复活塞空气压缩机》标准[3]，其适应性强，排气范围较广。最初因结构相对简单，很快得到应用。但在车辆运行油面颠簸时易润滑失效，过热后易出现拉缸问题。新产品通过优化设计解决了以上劣势：采用双缸直列式，减小了整体体积和重量；由机油泵从油底壳泵油并喷射至曲轴箱，进行强制油润滑；通过机油泵与油底壳及中冷器间形成油循环回路，实现泵头强制散热；端盖上增加油压传感器，实时监测机油泵工作状态并进行提前预警。在日常使用时，需定期对摩擦部件进行维护，更换机油、油滤、空滤。不再需要更换油气分离器，操作相对简单。

总体来说，其比功率高，成本低，噪声大，容积率最低，维护费用低。

2 在电动客车上的应用及发展趋势

2.1 应用情况

滑片式和螺杆式，因油乳化问题严重，如果采用延时停机让干燥器卸荷排出润滑油中水分，会改善乳化现象，但增加了整车电耗，间接降低了效率。综合考虑到成本低，维护简单且费用低，结构紧凑，环境适应性强，性能稳定，充气速度快等优点，活塞式电动空压机仍被广泛推广。现阶段主要是有油活塞式应用较多，后续无油活塞式电动空压机是各大主机厂的主要选型产品。无油式活塞自身润滑依靠免维护的润滑脂，冷却靠风冷，采用风冷的无油式活塞维护成本低，且维护简单方便，受到大多数用户的青睐。螺杆式、滑片式也有一定应用，涡轮式现处于研究阶段。

2.2 应用存在问题

1) 螺杆式电动空压机(一般指双螺杆)：价格高，维护成本高。

2) 滑片式电动空压机：乳化问题严重，维护成本高。

3) 涡旋式电动空压机：可靠性差，密封要求高，对加工精度要求高，成本高，故障率高，尚未批量应用。

4) 活塞式电动空压机：价格便宜，比功率高，维护费用低，在当前得到广泛应用，尤其是无油活塞式得以推广。

目前使用的3类主流电动空压机指标比较。可靠性：螺杆<滑片<活塞；成本：螺杆>滑片>活塞；维护费用：螺杆>滑片>活塞；效率：螺杆≈滑片>活塞；噪声：螺杆<滑片<活塞。

2.3 发展趋势

不论哪种类型的电动空压机，电动客车要快速发展，对其都提出了新要求：安全，可靠，低成本，低噪声，高效率，低耗能，后期维护简单。目前在短时间内，电动客车考虑到制造成本和后期维护成本，以无油活塞为主，在一些对噪声要求较高的车辆上滑片和双螺杆有一定发展。随着制造水平的提高，涡旋式电动空压机有相当大的推广优势，安全、可靠、高效节能、低噪声、低成本的电动空压机为行业发展的趋势。

1) 安全性要求。符合电动汽车操作安全和故障防护要求[4]，采用的电机满足电动汽车安全技术要求，做到人员触电防护要求，其所用绝缘材料的阻燃性能符合水平燃烧HB级，垂直燃烧V-0级[5]，无安全隐患。除了高压安全要求外，应具备最基本的机械防护装置，满足《容积式空气压缩机安全要求》[6]防护要求。

2) 可靠性要求。满足机动车运行安全技术条件[7]，即制动系统机构和装置应讲究耐用，不能因振动或冲击遭受损坏。 其次电机和控制器等电气设计满足电磁兼容以及环境要求[8]。

3) 节能要求。能效等级、能效限定值、目标能效限定值等参数满足《容积式压缩机能效限定值及能效等级》[9]的基本要求。经过匹配优化后各项性能指标要高于汽车用空气压缩机性能要求[10]。在选型或开发出合适产品的基础上，继续对电机选型及动力匹配进行优化，降低成本、降低能耗、提升性能，才能在节能方面具有竞争力。例如比功率、额定排气压力、公称容积流量、排气含油量等都应具有竞争优势。

4) 噪声要求。电动空压机按照汽车所用空气压缩机台架试验方法测试，满足台架对噪声的基本要求，在实车上要满足相关标准要求[11-12]。安静舒适的电动空压机具有竞争力。

5) 成本要求。成本包括电动空压机制造成本和后期维护成本，充分考虑电动空压机在整车上的LCC做到最低。

3 结束语

本文对当前电动客车所应用的各类电动空气压缩机的特点、应用和发展做了简单的概述。结合当前主要几类电动空压机的应用情况和存在的问题，论述了发展趋势。随着空气压缩机技术水平和制造水平的发展，以及电机控制技术水平的提高，电动空压机成本会逐渐降低，安全、可靠、低成本、高效节能、轻量化、低噪声的电动空气压缩机则将陆续出现，满足电动客车不断升级的高端需求。