电动汽车电动真空泵高原标定研究

张栋江 于阳 焦鹏 辛庆锋 吕波涛

浙江吉智新能源汽车科技有限公司 浙江省杭州市 310000

1 引言

制动助力系统，按照助力形式划分，可分为电子助力形式和真空助力形式。两种助力形式各有优劣，相对于电子助力形式，真空助力结构简单，成本较低，是目前A 级及以下级别乘用车的主流选择。

真空助力器的助力效果受助力器内腔负压和外界大气压所产生的压力差影响。在平原地区，压力差较大，助力效果好，制动踏板力轻便；在高原地区，压力差变小，助力效果变差，制动踏板力变大，踏板发硬。所以在高原地区，需要针对海拔对踏板力的影响，对制动助力的压差值进行标定。

电动汽车使用电动真空泵代替发动机，从真空助力器中抽取空气，使真空助力器内形成负压，从而提供制动助力。按照整车制动系统开发流程，电动汽车在高原标定前，就已完成了真空助力器的选型，即真空助力器中的内腔体积已固定，所以电动汽车在高原地区的制动标定，实际上是对电动真空泵启动阀值的标定。合适的启动阀值，既可以保证有充足的助力压差来满足高原地区制动安全要求，同时又不会使电动真空泵的电机因长时间工作而过热。

2 叶片式电动真空泵结构及工作原理

2.1 叶片式电动真空泵结构

电动真空泵按结构通常分为叶片式、膜片式、活塞式三种，本文以叶片式结构为例，说明电动真空泵工作原理。叶片式电动真空泵结构，见图1，主要由壳体、电机、泵腔、旋转器、叶片等组成。

图1 叶片式电动真空泵结构图

2.2 叶片式电动真空泵工作原理

电机连通电源，使电能转换成旋转的机械能。电机带动旋转器转动，旋转器中的叶片沿椭圆形泵腔内壁转动，转动过程中两叶片组成的容积空间变化会压缩真空系统中的空气，并将其排出真空系统外，从而形成真空， 见图2。电动真空泵控制系统集成在VCU 中，控制系统根据真空传感器监控到的真空助力器的压强差，并通过设定好的启动和停止压强差阀值，来控制电动真空泵的工作。

图2 叶片式电动真空泵泵腔结构图

3 海拔对制动助力的影响分析

3.1 海拔对制动助力影响的原理分析

高原地区，随着海拔的升高，大气压力会逐渐降低，根据公式：

相对真空度=测量地大气压强-绝对压强

其中相对真空度，即为整车真空助力器提供助力的压强差；测量地大气压强即为环境大气压强；绝对压强即为真空助力器内腔压强。

已知电动真空泵是在额定转速下运行，随着内腔压强逐渐增大，其抽气压强最终会和内腔内压强达到平衡，如图3 所示，即达到电动真空泵的抽气极限，所以可设定绝对压强为一恒定值。同时环境大气压强会随着海拔的升高而降低。所以可得出相对真空度也会随着海拔的升高而降低。从而得出整车的制动助力能力会随着海拔的升高而降低，即整车制动性能表现会随着海拔的升高而降低。

图3 真空度恢复曲线图

3.2 海拔对制动真空度的实车测试分析

图4为某一车型在不同海拔条件下的真空度恢复曲线。从图中可以看出，海拔2760m 对应的稳定真空度为-50kPa，海拔4086m 对应的稳定真空度为-54kPa，海拔4760m 对应的稳定真空度为-62kPa，有此可得出随着海拔的升高，实车稳定后的制动真空度值呈现下降趋势，此情况与上述理论分析趋势相同。

图4 某车型不同海拔下的真空度恢复曲线图

同时通过对该车型在不同海拔下的制动踏板力测试结果（车速100km/h 时，以20mm/s 的速度踩下制动踏板，直至车辆停止），见表1，可以看出，随着海拔的升高，实车在同一减速度下的真空度呈下降趋势，制动踏板力值呈现上升趋势，以0.8g减速度为例，海拔2760m 对应的真空度为-55kPa，踏板力为150.9N。海拔4086m 对应的真空度为-46kPa，踏板力为180.4N。

4 高原电动真空泵标定方法

4.1 高原电动真空泵的标定必要性分析

从理论分析及实车测试结果可以看出，在高海拔情况下，整车制动真空度会降低。随者整车制动真空度的降低，整车制动助力能力同步下降。根据表1 中的相关数据，并通过在高原中的实际主观评价对比，可以发现，高原地区的踏板力在0.7g 及以上减速度时会容易出现发硬感，从而影响行车安全。此时需要对整车制动真空度的下限值进行标定，使整车制动真空度在小于某阀值点时电动真空泵开始工作，从而提高制动真空度，以提供足够的制动助力来保证紧急制动下的安全性。

表1 某车型不同海拔下的踏板力及真空度值

同时考虑到在高原稳态真空度下降的情况下，驾驶者又在进行特殊极端工况时，如快速移库、堵车跟车或长下坡的驾驶工况，因频繁踩踏制动踏板，导致真空度连续消耗，从而也会出现制动踏板发硬，踩不住刹车的情况。此时也需要对整车制动真空度的下限值进行标定，使整车制动真空度在小于某阀值点时电动真空泵开始工作，从而提高制动真空度，以提供足够的制动助力来保证紧急制动下的安全性。

4.2 高原电动真空泵标定测试工况

中国海拔最高的城市是日喀则，平均海拔在4000m 以上，考虑到电动汽车需要覆盖国内地区，所有目前国内整车高原标定地点基本都选定在青海省格尔木市周边及从格尔木市到昆仑山口的上山沿线，海拔可覆盖2700m-4800m 区间。

如3.1 所述，需要对0.7g 及以上减速度对应的踏板力及真空度进行目标设定，相关测试方法简述如下：在不同海拔高度下，车辆加速至110km/h，不开启任何电器负载，变速器置于空挡，待车速降低至100km/h左右时，以20mm/s 的速率踩下制动踏板，直至车辆停止。在此过程中实时记录车辆减速度、踏板力、真空度变化情况，并从处理后的数据中找出0.7g、0.8g、0.9g（如有）分别对应的踏板力和真空度值。对应目标主要以对标车型实测结果和工程师主观评价感受进行设定。通过对电动真空泵标定，以标定后的实车测试结果，来进行对标。

如3.1 所述，需要对特殊极端工况下的踏板力及真空度进行目标设定，相关测试方法如下：在不同海拔高度下，车辆加速至110km/h，不开启任何电器负载、变速器置于空挡，待车速降低至100km/h 左右时，以30mm/s 的速率踩下制动踏板，连续三次制动，每次踩制动踏板间隔时间为2s 左右。在此过程中实时记录车辆减速度、踏板力、真空度变化情况，并从处理后的数据中找出0.1g-0.5g 减速度对应的踏板力和真空度值。对应目标主要以对标车型实测结果和工程师主观评价感受进行设定。通过对电动真空泵标定，以标定后的实车测试结果，来进行对标。

4.3 带大气压力传感器的标定方法

如电动汽车中有大气压力传感器，则可以在不同的海拔高度下对电动真空泵的启/停阀值进行一对一标定，以达到最优化的制动踏板感体验，如表2 所示为标定后的某车型在不同大气压下的电动真空泵启/停阀值。

表2 某车型不同大气压下的启/停阀值

标定过程中的关闭阀值主要受电动真空泵抽气能力和外界大气压力两个客观值影响，可标定范围较小。高大气压下的开启阀值，一般会按照“关闭阀值-XkPa”进行标定，X 为可调整值。低大气压下的开启阀值主要受3.2 中提到的整车高原踏板力目标要求影响，通过不同大气压下的反复标定和实车测试，可最终选定不同大气压下的合适的开启阀值。

4.4 不带大气压力传感器的标定方法

根据带大气压力传感器的标定方法，还可以再简化出不带大气压力传感器的标定方法，从2.1 中可以发现关闭阀值可认为是一个受大气压力影响的客观定值，即真空助力器的真空度，所以在高大气压下的标定过程中，可以设定当一定时间真空度不再增加时，电动真空泵停止工作，并以此时的稳定真空度为关闭阀值，同时对应的开启阀值按照“关闭阀值-Xkpa”的条件进行设定。在低大气压下的标定过程中，关闭阀值仍可按照高大气压下的标定逻辑继续设定，但开启阀值需要设定一个绝对数值的安全阀值，以满足3.2中提到的整车高原踏板力目标要求，此安全阀值在最高设定海拔条件下进行标定，即可兼顾所有预设的海拔范围。

考虑到电动真空泵工作逻辑需要同时满足高大气压和低大气压下的启/停条件，所以开启阀值需要进行一个逻辑设定：当“关闭阀值-Xkpa”≥安全阀值时，开启阀值=关闭阀值-Xkpa；当“关闭阀值-Xkpa”小于安全阀值时，开启阀值=安全阀值。

5 结语

电动真空泵作为以真空为制动助力的电动汽车的唯一真空源，文中以叶片式电动真空泵为例，详细说明了其结构及工作原理，从而引出海拔对制动真空助力的理论及实测影响结果。同时结合实际工作经验，详述了高原电动真空泵标定的必要性。同时引出主要的两种测试工况。并基于不同的标定条件，提出了两种高原电动真空泵的标定方法和控制逻辑。