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汽车电子真空泵结构、发热原理、持续工作控制方法

点滴车见 2021-09-23 17:37:51

摘要:电子真空泵工作时有两部分产生热量,一部分是电机消耗功率产生热量,一个是泵体转子摩擦定子产生热量,产生的热量会扩散传递到其他周边部件,温度在设计许用范围内是可行。但当电子真空泵运行时间控制不当或者驾驶员频繁踩踏板导致真空泵持续工作,热负荷与机械负荷同时作用电子真空泵,就会导致电流持续上升,直至烧坏保险丝,使电子真空泵无法工作。同时温度过高,使内部的PCB板、线束和周边的真空软管受高温融化变形,使电子真空泵性能、寿命降低,电子真空泵是纯电动汽车的唯一真空源,如果电子真空泵不工作,则无法实现刹车制动,影响乘客和行人安全。本文以电子真空泵持续工作控制为例,对电子真空泵的持续工作控制进行测试,在满足制动需求的前提下,对电子真空泵的温度-电流-运行时间关系进行了测试、分析,提出了电子真空泵的持续工作控制方法,为平台车型的開发提供了技术支持!


1、前言


随着国家对新能源汽车的支持,电动车市场呈现了爆发式的增长,但快速增长的背后存在诸多问题,如制动系统领域,某车型出现了电子真空泵寿命不足、真空泵与控制器不匹配等质量问题导致的召回事故。与传统燃油车不同,电子真空泵作为纯电动汽车制动系统唯一真空源,电子真空泵无法正常运行,真空助力器的助力效果失效,制动功能实现能力降低,严重影响行人安全,所以电动真空泵的控制至关重要。


纯电动车运行于城市道路,路况相对复杂,连续红绿灯、堵车路况交替,真空系统漏气等工况,会出现电子真空泵也持续工作的工况。叶片式电子真空泵工作时石墨定子与转子摩擦生热,长时间运行温升较大,到达一定值时就需进行过持续工作控制,以免导致电子真空泵等部件过热故障。本文对电子真空泵工作时的电流-热量-运行时间三者的关系进行了测试,研究在持续工作环境下电子真空泵的保护控制,对保护行人安全,降低安全风险提供了帮助。


2、电子真空泵的结构和发热原理


2.1电子真空泵结构与热量的关系

汽车电子真空泵结构、发热原理、持续工作控制方法

电子真空泵分叶片式和膜片式两种结构,本文主要探讨叶片式电子真空泵,部件中产生热量的零件包括泵体叶片3、旋转器4、泵环5和电机8,工作时泵体中的泵体叶片3以旋转器4的中心轴线旋转,叶片转子因离心力的作用,叶片外端紧贴定子内壁,与泵环5内壁摩擦,产生热量;直流电流通过碳刷将电源的正负极接通到换相器上,换相器则连通了转子的三个线圈,线圈极性源源不断的与外壳固定点磁线交替形成了方向一致的作用力而转动起来,因电机转动时与碳刷与定子固连在一起,工作时碳刷与换相器一直摩擦,产生热量。同时对温度较敏感的零件有消音盖1、橡胶垫6、电缆7和电机中的PCB板,温度超出其材料许用值,会造成其性能降低影响电子真空泵抽气效率、寿命等问题。电子真空泵主要部件结构示意见图1,泵体叶片工作状态示意见图2。

汽车电子真空泵结构、发热原理、持续工作控制方法

2.2电子真空泵工作状态与热量的关系


电子真空泵工作时将真空助力器中真空腔的空气排出真空系统,使其获得真空,随着负压的升高,空气变得稀薄,电机负载功率也随之增加,根据焦耳定律Q=UIt(Q指热量,U指电压,I指电流,t指时间)热量与电流和工作时间成正比,负载增加,电流值上升,热量也增加,当电流上升至限定值时,会熔断保险丝,此时电子真空泵已无法工作,故电子真空泵的持续工作控制着重在电流、温度与运行时间关系上做测试研究。


3、电子真空泵温度-电流-运行时间关系测试


3.1电子真空泵温度-电流-运行时间关系测试位置


温度的测试采用温度传感器,在特定位置进行测量,电子真空泵的泵体和电机是两个发热源,而对对温度敏感度较高的部件有消音盖①、泵环②、电机上盖③、电机下盖(PCB板部位)④,本文着重对该四个位置进行测试,位置示意见图3:

汽车电子真空泵结构、发热原理、持续工作控制方法

3.2电子真空泵温度-电流-运行时间关系测试条件


电子真空泵在正常的启停真空度条件下的工作时间为3-6s,时间很短,真空泵的温升不大,一般为40℃左右,汽车在连续制动和真空泄露的工况下,电子真空泵会持续运转,且时间较长,但实际路况比较复杂,比较难定性各工况下电子真空泵实际运行情况,上文提到的电子真空泵抽真空时,随着空气的抽出,真空泵负载上升,电流与温度会持续升高,故本实验的方法是:


1)模拟真空系统封闭环境,电子真空泵在极限负载下持续运行至极限寿命状态;


2)共取两种不同结构叶片式真空泵进行测试,对比产品在上述三者关系上的异同;


3)共测试电子真空泵4个不同位置的温度值和一组电流值,均随时间变化动态监测,记录;


4)实时监测各位置温度、电机电流的变化;


5)数据分析系统搜集电流-温度-运行时间三者关系的数据,图表分析温度-电流-时间三者的关系,判断电子真空泵最佳控制方法。


6)测试环境:初始温度:室温23℃,真空罐容积:5L,测试电压:12V,额定电流:50A。


3.3测试设备及部件


1.测试部件:电子真空泵


2.电源:KIKUSUI 1KW;


3.数据处理系统:Graphtec GL820;


4.真空度传感器:分辨率:0.001;


5.电流传感器:ISO Block Current Type;


6.温度传感器:精度±1.5℃。


3.4电子真空泵工作温度-电流-运行时间关系测试


将电子真空泵、温度传感器、电流传感器装配于试验台,设置电子真空泵的启动、停止值(停止值高于其抽真空能力值,使电子真空泵可持续工作),接入电源,按上述提供的方法进行试验,采用数据采集系统搜集电流、温度随时间的变化情况,试验进行至电子真空泵失效无法工作时结束。过程数据整理成关系曲线。


4、试验结果分析


试验结果分析及控制方法


1.从温度控制角度分析:在电子真空泵整个测试过程中,温度一直在上升,不同部位的温度差异大,最高可达262.5℃。一般零部件在-40~120℃环境下能保持良好工作状态,从图5中可以看出,电子真空泵连续工作约10min时,4个位置的温度达到了120℃,可初步判定电子真空泵极限工作10min后需做控制;


2.从电流控制角度分析:两真空泵电流随时间缓慢上升,但达到真空泵失效临界点时,电流值急剧上升,此时时间约为35min,温度约为220℃。从以上两者的分析来看,控制温度比控制电流更能对真空泵有效保护控制。


3.从真空系统匹配角度分析:根据测试,连续3次制动,电子真空泵持续运行时间约为9.7s,再考虑真空泄露情况,真空泵连续工作时间约为120s;


根据以上信息真空泵设定连续工作10min后进行持续工作控制,但实际真空泵在连续制动和真空泄露的极限情況下,真空泵连续工作约为120s,最高温度约为80℃,可确定在真空泵连续工作120s的时候进行持续工作控制,控制方法确定后再进行实际路试各工况下真空泵的运行情况,进行修正。


结束语


基于对电子真空泵工作温度-电流-运行时间三者关系的测试分析,证明了时间变量相同的情况下,温度变化的影响高于电流变化对真空泵的影响,故电子真空泵的持续工作首先控制温度与时间的关系,设定在电子真空泵连续工作120s时进行了持续工作控制,防止电子真空泵因持续工作影响其寿命和性能。同时两种结构的真空泵工作的平均电流约为18A,一般其控制的继电器熔断电流值为25A也从侧面证明了该电流熔断值的合理性。


来源:李航 时代汽车辛庆锋 吴海军 高晓辰 张敬玉 金元丽

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