关于乘用车真空助力系统解决方案

徐秦 窦瑞

摘 要：文章主要针对目前搭载涡轮增压技术动力总成传统燃油车以及混合动力、纯电动汽车，在车型系统开发过程中遇到的问题进行思考，基于应用工程开发总结制动真空助力系统的技术解决方案。

关键词：文氏管；电子真空泵；机械真空泵；传统燃油车；混合动力；纯电动；ibooster

中图分类号：U463.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0130-03

Abstract： In view of the problems encountered in the development of the vehicle model system， the traditional fuel vehicle equipped with turbocharging technology powertrain， hybrid electric vehicle and pure electric vehicle， the problems encountered in the process of developing the vehicle model system are mainly considered in this paper. Based on the application engineering development summary brake vacuum booster system technical solution.

Keywords： Venturi tube； electronic vacuum pump； mechanical vacuum pump； traditional fuel truck； hybrid power； pure electric； ibooster

引言

目前，基本所有M1类传统燃油车、部分混合动力车型、纯电动车型，制动系统的助力形式均采用真空助力；而随着涡轮增压技术的应用和普及，新能源汽车技术的迅猛发展，传统真空助力解决方案所固有的缺陷就随之而凸显出来：发动机提供真空度不足或者无真空，导致制动系统间歇性助力不足或者无助力，制动硬，制动力不足，严重的甚至引发追尾等交通事故。

作为行车安全系统，真空助力的问题便在一段时期内成为系统开发工程师需要解决的课题；本文基于提及乘用车类型，总结出对应的系统解决方案，以作工程开发参考和探讨。

1 针对传统燃油车型解决方案分析

1.1 真空助力问题总结

针对传统燃油车型的真空助力问题，由于无论是自然吸气发动机还是涡轮增压发动机，发动机进气系统本身都会或者持续或者间歇性给制动系统提供助力所需真空，因此典型的工程开发问题表现如下：

（1）正常环境，特定工况条件下提供真空度不足

该情况主要是指，在正常海拔，大气压力大于95kPa的环境条件下，在如怠速/怠速外加空调压缩机负载持续停走、涡轮增压器介入干预连续下长坡点制动等出现的真空度不足，表现出制动发硬现象。

（2）非正常环境下真空度不足

该情况主要是指，在高海拔区域，大气压力大于75kPa的环境条件下，任何工况真空度均偏低，在如怠速/怠速外加空调压缩机负载持续停走、涡轮增压器介入干预连续下长坡点制动等更加恶化，表现出制动发硬甚至无助力现象。

1.2 推荐系统解决方案分析

针对上文（1）（2）提及问题点，经过实际项目开发经验总结出三种工程开发应对方案以供后续优化或者开发方案提供基础。

1.2.1 方案一：文氏管的应用

文氏管的应用可以一定程度上优化真空度，由于本文是应用工程开发的探讨，在此不对文氏管的原理做过多的介绍，某产品实例如图1：

（1）气路原理设计

气路原理设计，应用文氏管与传统的设计存在差异，差异对比如图2。

（2）选型注意事项

文氏管的应用也是非常普遍的，以某产品的台架测试结果，对比示意如图3。

由图2可知，不同的文氏管设计参数，具有不同的真空提升能力，其源于文丘里孔直径以及内部气道设计的不同，产生了性能上的差别，通常应用文氏管可以提供10kPa-25kPa的负压相对增强能力；因此，主机厂集成工程师在进行文氏管的选型上，需要给供方设计工程师提供适应车型的技术需求，以便给设计工程师提供明确的选型依据。

1.2.2 方案二：机械真空泵的应用

机械真空泵通常在涡轮增压动力总成上应用较为普遍，自然吸气发动机很少搭载，动总的设计是否有进行搭载预留设计，关系到是否能够加装机械式真空泵，机械式真空泵可以达到非常好的抽真空效果，真空可達到90%以上。

（1）机械真空泵气路设计

搭载机械真空泵的车型，从制动性能集成工程师角度考虑，可以考虑两种设计方案，一种是单源的设计，一种是双源冗余设计，个人推荐采用双源冗余设计，安全系数相对较高，原理设计详见图4。

（2）机械真空泵选型要点

主机厂性能集成工程师（含动力系统工程师和制动系统工程师）在进行真空泵选型时，应该关注以下要点：

a.机械真空泵的排量

通常机械式真空泵的排量集中在180-230mL，而根据以往项目开发经验，用得较多的排量为190mL、200mL即可完全满足制动系统需求。

b.真空助力器容积

真空助力器的容积会直接影响真空泵的抽气效率，因此真空泵选型以及进行台架试验验测试时，真空助力器的有效容积参数明确很重要，通常在3-5L之间，跟助力器的尺寸和型号直接相关。

c.怠速最大抽真空能力

怠速抽真空能力一般推荐要求大于90%。

d.抽真空速率

抽真空速率通常以50%、70%、90%真空度作为特性曲线的控制点，图例如图5，真空泵其余性能由动力总成集成工程师总体考虑。

1.2.3 方案三：电子真空泵的应用

电子真空泵的使用条件，从设计上相对于机械真空泵复杂很多，气路设计更加复杂，还需要增加真空泵在机舱的布置、支架的设计、降噪处理以及真空泵控制模块的软件策略、硬件电路设计、控制模块的诊断和HMI人际互动界面设计。

（1）气路原理设计

搭载电子真空泵的车型，从制动性能集成工程师角度考虑，可以考虑两种设计方案，一种是单控制信号的设计，一种是双控制信号安全冗余设计，个人推荐采用双控制信号冗余设计，安全系数相对较高，气路原理设计详见图6。

（2）电子真空泵的选型要素

电子真空泵的选型相对于机械真空泵的选型，有更多的参考要素需要主机厂性能集成工程师考虑：

a.电子真空泵的电气参数。

b.电子真空泵的工作噪音。

c.电子真空泵的布置和支架结构设计。

d.电子真空泵的抽气速率。

e.系统有效容积。

f.电子真空泵在该车型上的抽真空特性。

g.电子真空泵的使用寿命。

相关的详细选型的具体思路本文不做详细探讨，相关内容将在本人另外一篇论文《关于电子真空泵的选型设计思路》中专题进行讨论。

（3）电子真空泵的控制及诊断策略

如上文所述，电子真空泵的搭载，需要一整套完整的、可靠的以及合理的控制策略和诊断策略以及HMI人机互动界面设计，在本文将不做进一步的展开，相关探讨可参考本人另外一篇论文《关于新能源汽车真空伺服控制系统策略》。

1.2.4 特别方案说明

以上1.2.1、1.2.2、1.2.3均属于从真空源上提高负压，最大限度为制动系统提供助力源，但是，尽管如此，主机厂的性能集成工程师，还需要从系统匹配上针对高原环境进行单独的从基础制动着手的考虑，在本文不做详细阐述，具体可参见本人另外一篇论文《关于乘用车制动踏板感觉及制动性能匹配及评价》。

1.3 各方案优缺点总结

本文列举了三大类解决方案，各方案各自有优缺点：方案一：比较适用于搭载自吸发动机总成的车型，作为由于硬件设计不合理，真空提供不理想的辅助优化方案，成本最低。方案二：常应用于增加涡轮增压技术动力总成搭载的车型，作为发动机有机械真空泵预留设计接口或者标准配置带有机械真空泵，且没有油耗压力的一般成本的解决方案。方案三：常应用于增加涡轮增压技术动力总成搭载的车型，作为发动机没有机械真空泵预留设计接口，且有油耗压力的，相对较高成本的解决方案。最终选择权由性能集成工程师根据实际情况进行方案选择和执行。

2 针对混合动力车型及纯电动汽车解决方案分析

2.1 问题背景

混合动力车型具有纯电动工作模式，因此将其归类到纯电动车型，进行相同的真空伺服系统方案设计；两种类型的车型，可统一视为无真空源，因此必须设计完善的、安全的设计方案保证行车制动安全。

2.2 推荐系统解决方案分析

2.2.1 ibooster解决方案

本方案视为目前较为新颖的系统解决方案，目前在欧洲已经产业化，国内市场已经在推广，系统成本高昂，适用于没有成本压力的中高端车型，该方案可以同时解决制动能量回收的问题，能量回收率较高，如图7。

由于该方案目前核心开发都由供应商完成，具备一定的特殊性，本文不做详细的探讨。

2.2.2 电子真空泵解决方案

作为中低端的车型，电子真空泵解决方案仍然是目前比较主流的系统技术解决方案。由于新能源完全无真空源的特点，真空泵解决方案在原理設计上与本文“1.2.3电子真空泵的应用”所述内容存在一定差异，主要体现在气路原理，其余均可以参考“1.2.3电子真空泵的应用”相关内容。

新能源汽车气路原理设计对于安全性和环境适应性更高，因此除了双控制源设计，也曾一度出现双真空源设计，其可靠性和安全性策略比之于传统车要求更高，气路原理设计参见图8。

注意：在真空泵选型时，有效容积需要额外考虑真空泵，真空管的容积选型与真空泵的选型需要同步考虑，不同的真空管容积选择会对真空泵的寿命存在一定影响，二者有相应的联系，相关探讨将在本人另外一篇论文《关于电子真空泵的选型设计思路》中探讨。

2.2.3 针对真空泵系统的控制、诊断、报警方案

电子真空泵控制系统，需要一整套完整的、可靠的以及合理的控制策略和诊断策略以及HMI人机互动界面设计，在本文将不做进一步的展开，相关探讨可参考本人另外一篇论文《关于新能源汽车真空伺服控制系统策略》。

3 结束语

本文根据本人大量的实际车型工程开发经验，总结出传统燃油车型、混动车型以及纯电动车型，在真空伺服系统中真空源的优化或者解决无真空源问题，提出相应的工程解决方案，并对方案进行阐述，可适用于产品性能集成工程师在进行系统性能集成时，根据车型实际情况进行系统方案的参考或者以此为基础进行系统解决方案的进一步优化，完善。

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