电动客车空气压缩机测试系统设计

王 波， 冯汝广， 许 璇， 崔庆虎， 孙景新， 郭 杨

(中通客车控股股份有限公司， 山东 聊城 252000)

电动客车空气压缩机(简称电动空压机)的主要作用是为整车制动系统、空气悬架系统、气动门泵系统等提供气源，其性能的优劣直接关系到车辆的安全性、舒适性、成本和能耗，是电动客车的核心部件之一[1-4]。近几年，随着电动客车的蓬勃发展，电动空压机的型式越来越多[5]，如何选择一款性能可靠、质量过关、价格合理的空气压缩机对整车厂来说尤为重要。目前，市场上没有专业的电动空压机测试设备，多数都是采用传统的手动或者半自动的检测方式，工作效率低，工作条件差，测试结果的可靠性、准确性低[6-7]。本文设计一款电动空压机测试系统，可以对电动空压机的多项性能进行准确测试，并通过自动计算实现测试的自动化，提高了试验效率，降低了试验成本。

1 测试系统总体设计

电动空压机的主要性能参数有：输入功率、输出压力、容积流量、随气排油量、容积比功率等[8-9]，设计的测试系统应包含但不限于这几个重要参数。根据空压机的主要参数搭建了测试系统的总体框架图，如图1所示。

图1 测试系统框架原理图

在测试系统中，高压程控直流电源的主要作用是为电动空压机驱动器提供1 000 V 以内任意电压，最大输出功率大于 20 kW，具有限流、短路、过温等保护功能。低压程控直流电源可以模拟 24 V 电压急降、急升、缓降缓升、瞬间中断、过压、欠压等测试要求，为DC/AC提供低压电源和激活电源。空压机控制器是实际装车用DC/AC变频器，将直流电转化为交流电并控制空压机电机。气动系统总成控制气动系统中的各个执行元件，并采集相关的压力、流量、随气排油量等参数报给上位机控制器。功率分析仪和温度巡检仪将采集的空压机输入功率和空压机壳体温度信息报给控制器。

其工作原理为：控制器控制高压程控直流电源和低压程控直流电源工作，分别给空压机驱动器提供高低压电源，控制器通过CAN总线控制DC/AC的启停，实现对空压机工作状态的控制，各个控制模块将采集的信息实时报给控制器，控制器对收到的信息进行整理、计算、分析，得到空压机的相关参数。一个完整的工作流程如图2所示。

图2 测试系统工作流程

电动空压机正常工作后，恒温恒湿箱负责为空气压缩机总成提供恒温恒湿的气源，可以模拟不同空气环境下的系统运行状态，空压机的排出流量经过温度、压力、流量传感器、冷凝干燥器、气罐、排气阀排到大气中。

2 气动控制系统设计

2.1 气动系统原理设计

气动系统对电动空压机的各项性能指标直接进行测试，是整个测试系统的核心，其原理如图3所示。

图3 气动系统原理图

电动空压机工作后，气体通过温度传感器、压力传感器、流量传感器进入到冷凝干燥器，冷凝干燥后的气体通过进气阀进入到相应的储气罐中，当储气罐的压力达到设置的压力后，排气阀就会打开，开始放气。为保险起见，在冷凝干燥器后端也装有一个压力传感器和流量传感器，当前端传感器发生故障时能够及时发现并进行校核或更换。

在正式进行试验前，需要设置测试系统的相关参数，主要有压力的上下限，气罐的容积。当压力达到设定的上限时，排气阀就会打开，直到降到设定的压力下限就会闭合。储气系统是由6个容积大小不一致的气罐组成，设置到规定的容积，相应的气罐就会打开。

2.2 压力传感器的选型

电动空压机输出气体温度变化范围大，冲击性大，要求压力传感器抗干扰、过载和抗冲击能力强、温度漂移小、稳定性高，该测试系统选择北京星仪传感器公司的CYYZ11系列压力传感器。

CYYZ11系列压力传感器的工作原理如图4所示，压力传感器在单晶硅片上扩散一个惠斯通电桥，被测介质施压使桥壁电阻值发生变化(压阻效应)，产生一个差动电压信号，此信号经专用放大器，将量程相对应的信号转化成标准模拟信号或数字信号。

图4 压力传感器工作原理图

2.3 流量传感器的选型

电动空压机的流量分为两种，一种是标况流量，一种是工况流量。

标况流量是经压缩机压缩并排出的气体在标准排气位置的实际容积流量，该流量应换算到标准吸气位置的全温度、全压力及组分的状态。工况流量是实际工作状态下的流量。两种状态下的单位一样，只是对应的流量不同。

根据流量计测试的类型也可分为标况流量计和工况流量计。标况流量计就是热式气体质量流量计，不需要温度和压力补偿，就可以直接测量出标况流量。工况流量计测得的是实际工作状态下的流量。

该测试系统选择德国希尔斯公司的S421型热式质量流量传感器和威海兰科公司的LUGB/E型涡街流量计。两者流量之间可以相互转化，具体转换关系见式(1)[10]。

P1×V1/T1=P2×V2/T2

(1)

式中：P1为标况压力，标准大气压为101.325 kPa；V1为标况流量；T1为标况温度，取值273.15 K(即0 ℃)；P2为工况压力=(表压+Pr)kPa,Pr为现场实际大气压，近似按标准大气压(101.325 kPa)取值；V2为工况流量；T2为工况温度=(实际温度 ℃+273.15)K。

2.4 残油量传感器的选型

残油量传感器的作用是对空压机的随气排油量进行检测，目前国内没有专业制作气体含油量检测装置的仪器，该系统选择德国希尔斯公司的S120型残油量传感器，检测精度高，温度适应范围广。具体参数指标见表1。

表1 残油量传感器主要参数

2.5 软件设计

测试系统的软件系统包括上位机和下位机控制系统，上位机为PC 机，是整个系统的控制器，下位机为西门子系列的 PLC，是气动系统的控制系统。上位机和下位机采用RS232通讯方式，自定义上位机与下位机的通信协议，用 Step7 编写下位机的控制指令，实现对气动系统中进气阀、排气阀、排水阀等的控制，同时接收压力、流量、温度、残油量传感器的相关信息并报给上位机。上位机用 Visual Basic 实现测试系统的整体控制和测试界面的实时显示。

上位机软件开发的主要目的是读取下位机采集的被测空压机精确的参数信号，包括压力、温度、流量、随气排油量信号，自动计算出反映压缩机性能的参数，并能打印输出试验报告。图5为测试系统的部分显示界面，可以将电动空压机的主要性能参数实时显示在界面上，人机界面友好美观。

图5 上位机显示界面

3 结束语

设计的电动空压机测试系统解决了单一测试设备只能测试单一项目的弊端，能够对电动空压机的排气压力、温度、流量、容积比功率、随气排油量等多项性能指标进行综合测试，提高了试验效率，能够对电动空压机的多项参数进行自动采集、分析、计算，自动化程度高，对于整车厂如何甄别优良的电动空压机具有较高的实用价值。