混合动力车压缩空气管系统的应用.pdf

新能源汽车AUTOMOBILEAPPLIEDTECHNOLOGY2023 年10.16638/ki.1671-7988.2023.017.005混合动力车压缩空气管系统的应用张静，张久祥，任鹏举，李红玉，庞志艳（北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古包头0 1 40 3 0）摘要：在混合动力车型开发的过程中，为达到节能减排的标准，同时完成车辆运行过程中各工况的要求，混合动力车采用两种动力源。针对采用电力驱动和燃油驱动两种方式的特殊需求，设计了一种用于混合动力商用车压缩空气管系统方案，目的在于采用燃油和纯电模式下，供气系统可以相互转换。当发动机工作时需要发动机自带空压机给制动系统提供空气；切换纯电模式时采用电控空压机给制动系统提供空气。文章详细阐述了混合动力商用车压缩空气管系统主要组成部分、控制原理及在重型商用车上的应用。关键词：混合动力车；压缩空气管系统；燃油和纯电模式；控制原理中图分类号：U469.72Application of Compressed Air Piping System in Hybrid Electric VehiclesZHANG Jing,ZHANG Jiuxiang,REN Pengju,LI Hongyu,PANG Zhiyan(Beiben Trucks Group Company Limited,Baotou 014030,China)Abstract:In the process of development of hybrid electric vehicles,in order to meet the standards ofenergy conservation and emission reduction,while fulfilling the requirements of various workingconditions in the process of vehicle operation,hybrid electric vehicles adopt two power sources.Inorder to meet the special requirements of electric drive and fuel drive,a compressed air piping systemfor hybrid commercial vehicles is designed.The purpose is to convert the gas supply system to eachother under the fuel oil and pure electric mode.When the engine is working,the engine needs its ownair compressor to provide air for the braking system,when the pure electric mode is switched,theelectronically controlled air compressor is used to provide air for the braking system.The paperdescribes in detail the main components,control principle and application of the compressed airpiping system in hybrid commercial vehicles.Keywords:Hybrid electric vehicles;Compressed air piping system;Fuel oil and pure electric mode;Control principle目前重型商用车压缩空气系统的动力源是传统燃油发动机上的空气压缩机提供气源,其控制作者简介：张静（1 9 8 5 一），女，硕士，工程师，研究方向为制动系统，E-mail:。文献标识码：A文章编号：1 6 7 1-7 9 8 8(2 0 2 3)1 7-2 4-0 5气源分配给底盘车辆的各个系统气路。正是由于这种气路供气方法，才能使车辆在行驶过程中用第1 7 期最短时间提供安全制动。但是在全球能源短缺和环境恶化问题越来越突出的今天 2,传统燃油车不能起到节能减排的作用，尤其对排放要求高的地区，不满足油耗限值、排放要求和进入城区内往返40 km的纯电动模式。1混合动力车压缩空气管系统由于传统燃油车油耗和排放高，采用混合动力车型既要保证纯电续驶里程，又要保证油耗限值和排放要求。混合动力车型采用燃油和纯电并联式 3,当发动机工作时需要发动机自带空压机给制动系统提供空气；切换纯电模式时，采用电控空压机给制动系统提供空气。两套管路通过双通单向阀最后进入到电控空气处理单元，电控空气处理单元通过四回路保护阀分配给各回路，以实现车辆正常供气。相比传统燃油车的压缩空气系统，混合动力车压缩空气管系统具有以下优势 4：1）发动机和电控空压机是相互独立的，可以利用动力藕合系统对发动机和电控空压机的输出动力进行驱动，有利于在市郊和城间运行。2）两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化。3）根据汽车的不同行驶工况，控制燃油或纯电模式。4）制动能量以电能的形式重新存储在储能装置中，实现了能源的再生，极大提高了车辆的能量利用率。2压缩空气管系统组成混合动力车压缩空气管系统由发动机、电控空压机、双通单向阀、冷凝器、电控空气处理单元及制动管路组成 5。2.1发动机、电控空压机发动机、电控空压机是车辆提供气源的主要动力，是气动系统的核心设备及气源装置中的主体，它是将原动（通常是指电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。2.2双通单向阀双通单向阀相当于两个单向阀组合的阀，有两个进气口，一个出气口，其中两个进气口都与出气口相通，但两个进气口不相通。进气口中的任一个有信号输入，出气口都有输出。若两个信张静，等：混合动力车压缩空气管系统的应用2.4电控空气处理单元电控干燥器是一种利用电子与机械相结合的高端空气处理系统。内置气压传感器、电磁阀、电子控制单元（Electronic ControlUnit,ECU）控制器，能实时监控车辆气压，并根据ECU控制器程序设定，能在车辆不同气压情况下，反馈电信号输出，此信号可用于电动空压机的启停。3压缩空气管系统原理混合动力商用车压缩空气管系统 由发动机空气压缩机、电控空气压缩机、排气口、冷凝器、双通单向阀、电控空气处理单元、四回路保护阀及制动管路组成，气路原理如图1 所示。3/1一发动机空气压缩机；2 一电控空气压缩机；3 一排气口；4一冷凝器；5 一双通单向阀；6 一电控空气处理单元；7一四回路保护阀。图1 压缩空气管系统原理图发动机空气压缩机出气口通过压缩空气钢管连接冷凝器进气口，冷凝器出气口通过尼龙管连接到双通单向阀第二进气口；电控空气压缩机出气口通过压缩空气钢管连接双通单向阀第一进气口，双通单向阀出气口通过尼龙管连接电控空气处理单元进气口；发动机空气压缩机卸荷口通过尼龙管连接电控空气处理单元第二出气口，电控空气处理单元第一出气口通过尼龙管连接四回路保护阀进气口，四回路保护阀四个出气口相互独立，通过尼龙管分配给各个回路。25号都有输入，则先加入侧或信号压力高侧的气信号通过出气口输出，另一侧被堵死。仅当进气口都无信号输入时，出气口才无信号输出。2.3冷凝器冷凝器在大部分水、油到达空气干燥器之前对其进行冷凝、分离和排放。杂质沉积在集液腔，通过自动排放阀在每次制动操作时，油水被自动排放。6供气管路控制管路26为在车辆上实现燃油和纯电并联式，将原有供气管路进行改进，具体方案如下：保留图1 中的气路连接方式，增加图示点虚线区域管路，供气管路在电控空气处理单元与冷凝器之间增加电控空气压缩机、双通单向阀，增加在纯电模式下采用电控空压机给制动系统提供空气。燃油模式连接方式：发动机空气压缩机工作，双通单向阀第一进气口打开，第二进气口关闭，气源由发动机空气压缩机提供，通过进入双通单向阀出气口进入电控空气处理单元进气口，空气由电控空气处理单元出气口分配给四回路的各回路，以实现车辆的正常供气。纯电模式连接方式：电控空气压缩机工作，双通单向阀第一进气口关闭，第二进气口打开，气源由双通单向阀出气口进入电控空气处理单元第一进气口，空气由电控空气处理单元出气口分配给各回路，以实现车辆的正常供气。4压缩空气管系统电器原理电器控制策略如图2 所示。当车辆行驶或者未行驶时（电控空气压缩机或者发动机空气压缩机运转），连接在电控空气处理单元上的压力传感器检测到电控空气处理单元出气口的气压，并将气压转换为电压信号反馈给ECU控制器，当ECU控制器得到压力传感器反馈信息后，通过逻辑程序控制电子控制装置的电磁阀来实现电控空气处理单元的切断和回关。切断：气体压力达到电控空气处理单元设定的切断压力，ECU控制器控制排气电磁阀工作，排气口排气。回关：当出气口的气压低于设定值时，ECU控制回流电磁阀工作，排气口关闭。电控空气处王扰因素外部环境顾客使用温度输入启动电源汽车实用技术理单元输出信号将从低电平信号转换为高电平信号。此时，可以控制电控空气压缩机或者发动机空气压缩机重新启动并恢复提供气源。13171691020833一排气口；8 一压力传感器；9 一ECU控制器；1 0-排气电磁阀；11一报警灯：1 2 一输出信号：1 3 电源负极信号；14一电源正极信号；1 5 一备用端子（空）；16一数据接收（厂家备用）；1 7 一数据发送（厂家备用）；18一电磁阀；1 9 一回流电磁阀；2 0 一分子筛。图2 电控空气处理单元原理图5子预防压缩空气管路结冰问题2021年1 1 月开始北奔服务站接到某纯电动牵引车市场反馈，用户车辆在北方多地出现空压机打不上气的情况，客户反响强烈。5.1空压机打不上气影响因素分析空压机打不上气影响因素如图3 所示，造成空压机打不上气的主要因素有干扰因素、变差因数及设计因数三方面。干扰因素是外部原因引起，难以控制或避免。由于在制动系统道路试验过程中，未出现空压机打不上气的情况，基本可以排除是设计原因造成的问题。经过问题解决小组决策，主要从变差因数的几个方面进行逐一验证、理想输出车辆正常启动空压机打气2023年1415+信号1912.1118错误状态因素控制变差因素设计因素空压机故障空压机排量制动管理漏气空气处理单元故障冷凝器故障图3 空气机打不上气影响因素空压机打不上气第1 7 期排查，直至找到造成空压机打不上气的根源。经查冷凝器进出气口管路结冰，排气口不排气导致空压机打不上气。5.1.1制动管路漏气经过检查车辆的制动管路，发现制动系统各个元件间连接完好，未发现漏气点。车辆装配完成后，用肥皂水检测气路各连接位置是否漏气，各接口处不应出现明显气泡。车辆气压升至系统额定气压时，将制动踏板踩到底，待气压稳定后观察3 min，汽车气压降低值不应大于0.1 bar。当车辆气压升至系统额定气压时，在不使用制动的情况下，停止空气压缩机6 h后，整车气压的降低值不应大于0.2 5 bar。综上所做的测试，能够排除掉因为制动系统漏气引起的空压机打不上气的可能性。5.1.2空压机、空气处理单元故障检查空压机、空气处理单元如图4所示，均符合图纸及技术规范的要求，未发现空压机、空气处理单元部件装配及尺寸等存在质量问题。图4空压机、空气处理单元检查5.1.3冷凝器故障检查空气处理单元是否正常工作，并按照空气处理单元诊断标准流程进行检查。如空气处理单元正常，请拆解冷凝器检查内部是否有污物或图5 冷凝器拆解张静，等：混合动力车压缩空气管系统的应用冷凝管路问题的主要原因。5.2.2压缩空气管长度电动空压机出气温度大约为1 5 0，燃油车的发动机空压机出气口温度为2 2 0 左右，新能源车辆空压机打出高压气的温度比传统燃油车的低7 0 左右。电动车与传统车采用的通用化底盘设计，电动空压机到冷凝器的管路长度与燃油车的管路长度一致，电动车使用同样管路长度散热到冷凝器的进气口温度更低，车辆短停时，温度低更利于结冰。5.2.3车桥电动车车桥电机完成了常规减速，导致轮端制动频次大幅度降低，高压气消耗量大幅度减少，空压机打气频次降低，大幅度降低了冷凝器上腔的化冰能力，增加了空气管路包括油水分离器上腔结冰风险。5.3冷凝器管路结冰故障解决5.3.1总体原则燃油模式时，沿用传统车通用化底盘设计。纯电模式时，电控空压机通过压缩空气管路按照从高到低布置直接连接到双通单向阀，管路取消冷凝器和框型管，管路长度满足制动管路温度要求。两套管路通过双通单向阀最后进入到电控空气处理单元，双通单向阀布置在框型管之后、冷凝器之前，防止纯电模式时钢管过长导致钢管内部及冷凝器结冰。5.3.2 设计方面针对某纯电动车存在冷凝器结冰的问题，混合动力车的压缩空气管路重新进行了设计：1）空压机出气口-冷凝器进气口段管路按照从高到低持续向下倾斜布置，不得有任何弯折、90弯头的地方。如果空压机排气管无法按规定向下倾斜安装，压缩空气管路从空气机出来的前05 0 m m 允许向上，而后立刻保持倾斜向下连接将冷凝器尽量置为管路最低点，使冷凝水高效稳27杂质过多。现场拆解冷凝器发现内部水汽已经结冰，如图5 所示。冷凝器结冰是造成空压机打不上气的主要原因。5.2冷凝器管路结冰影响因素分析5.2.1 环境温度北方1 1 月份时，环境温度比较低（基本在零度以下），湿度大。冷凝器的主要作用是分离压缩空气中的水及油污，压缩空气和冷凝物储存在冷凝器的收集腔，车辆在停车时，特别在夜间（通常低于-1 0 时）冷凝器中的水直接结冰，是造成28定流入冷凝器。2）压缩空气冷却管的长度和直径决定了进入管路空气的冷却程度及进入冷凝器的温度。为了使冷凝器获得最佳的性能和耐久性，进入冷凝器的空气温度不应超过冷凝器制造商要求的最差工作条件下的温度6 5。3）为降低管路及冷凝器进气口结冰效率，管径从直径1 5 mm改为直径1 8 mm，降低管路的长度，应对冬天车辆短停导致的冷凝器前段管路结冰。5.3.3维修保养方面建议用户在进入冬季之前，对油水分离器进行彻底清洗。5.4压缩空气管路的长度和直径的分析5.4.1同长度电动车和燃油车压缩空气管路温度通过使用红外测温计测量高温压缩空气自空压机出气口后经过不同长度金属管后的温度，得到金属管的散热性能数据。试验中分别测量了电动车和燃油车的压缩空气管路温度，试验得到的原始数据如图6 所示。电动空压机到冷凝器的管路长度与燃油车的管路长度一致，使用同种长度、材料、管径的压缩空气管路电动车同一位置的测量点温度低，因为电动空压机比发动机上空压机的排气温度低，空压机打出高压气的温度比传统燃油车的低7 0 左右。2502012001501005000.5测量点距空压机出气口距离/m图6 压缩空气管路温度曲线5.4.2电动车不同管径压缩空气管路温度在同一材料和长度的情况下，分别对电动车匹配 1 5 mm1.5mm钢管和 1 8 mm1.5mm的钢管温度进行了测量，试验所得压缩空气管温度数据见图7。由图7 可知，测量点为3 m时，1 8 mmx1.5mm的管径温度为5 6，15mm1.5mm的管径温度为6 9，增大管径可以增加气体通过管汽车实用技术子与外界的热交换，气体散热量增加，有利于降低从空压机出来的气体温度。理论测量点为3 m时，1 8 mm1.5mm的管径温度为5 6，但是冷凝器对温度的要求是6 5，在考虑经济成本以及布置的情况下，通常使压缩空气管路的管长不小于3 m。14012010011595806040200图7 压缩空气管路温度曲线6结论针对采用电力驱动和燃油驱动两种方式的特殊需求，通过对混合动力车压缩空气管路的设计，实现了燃油和纯电并联式方式相互转换供气。在设计混合动力车的压缩空气管路的过程中，为避免管路结冰的问题，优化压缩空气管路的长度及布置，消除了客户在使用过程中可能引发的重大安全隐患，降低了售后质量成本。同时，也为类似问题的研究提供了一套可靠的工作思路。185一燃油车162141电动车1149589117104957862494311.52 3452023年115一151.510118X1.58678766700.5测量点距空压机出气口距离/m参考文献1 李言辰.基于传统底盘的纯电动商用车整车开发研究 D.北京：北京建筑大学,2 0 2 0.2 吴梅林，吴天元，刘志宏，等.混合动力汽车产业发展现状及趋势 J.汽车实用技术,2 0 2 2,47(3):1 9 1-1 9 5.3樊运新，龙源，江大发，等.新能源混合动力机车发展现状及关键技术综述 J.电力机车与城轨车辆,2 0 2 3,46(1):1-11.4彭栋.混合动力汽车制动能量回收与ABS集成控制研究 D.上海：上海交通大学,2 0 0 7.5申晋宪,王铁.载货汽车总体设计分析 M.北京：中国标准出版社,2 0 1 2.6杨菲菲.轻型载货汽车气压制动系统设计与制动跑偏问题分析 D.长春：吉林大学,2 0 2 0.746011.5269563