汽车电子真空泵控制逻辑及验证方法

刘瑞庭

（上海海拉电子有限公司，上海 201201）

电子真空泵是一款用于给汽车传统液压刹车系统提供真空助力的产品[1-2]。由直流电机驱动真空泵腔室内转子叶片转动提供及时高效的抽真空性能外，具有长寿命、免维护及高适配性的特点，同时对比由发动机凸轮轴提供动力的传统机械泵，因其无需给发动机提供动力以达到降低二氧化碳排放的目的，使其广泛应用于传统汽/柴油车、混动及纯电动车。考虑到电子真空泵为纯电动车以及将其作为唯一真空来源的传统内燃机车提供刹车助力的唯一执行器。为确保其能在寿命内提供所需的真空度应尽可能避免电子真空泵失效， 除产品本身可靠性之外，整车刹车系统根据电子真空泵产品特点的应用匹配尤为重要。部分研究也阐述了相关设置[3-4]。

本文将从电子真空泵角度分析避免其在整车控制逻辑方法和运行占空比选择上造成连续工作，以及电子真空泵过热失效方面介绍相关注意点和建议。

1 常用压力控制逻辑方法

电子真空泵在整车上是通过控制继电器的开合实现通断，而电子真空泵的开启和关闭取决于所需刹车助力器的真空度大小，助力器真空度由电子真空泵运行时建立（增大），在完成刹车动作后消耗（减小）。刹车助力器的真空度大小是由助力器端的压力传感器探测并控制，也就是说控制器在接收到压力传感器给的真空度或压力信号后输出指令控制继电器开合从而控制电子真空泵的运行和停止。

常用控制真空度或压力的方法，如图1所示。其中，包括绝对压力值、压力百分比、压力梯度斜率和压力差，其相关的参数为绝对压力、压力差、真空泵开启压力值代表助力器内压力上线、真空泵关闭压力值代表助力器内压力下线。

图1 压力控制示意图

刹车踏板动作和助力器内压力变化以及对应真空泵启停的关系如图2所示。

图2 刹车踏板压力与真空变化和真空泵工作图

1.1 压力百分比控制标

压力百分比控制是助力器内的真空度或压力按周围环境大气压的百分比来控制真空泵的开启和关闭，周围环境大气压由整车上的绝对环境压力传感器测得。例如周围环境大气压是一个标准 大气压1000 mbar，那它100%的压力为1000 mbar，如果把真空泵开启和关闭的阀值设定为一个标准环境大气压的50%和70%，就意味着真空泵可以提供的一个标准环境大气压50%和70%真空度，那对应的助力器内的压力为500 mbar和300 mbar。在不同环境大气压和相同真空泵开启/关闭百分比下的助力器内的压力值变化，如图3、图4所示。

图3 环境1000 mbar真空百分比50%示意图

图4 环境600 mbar真空百分比50%示意图

压力百分比控制显示电子真空泵工作时间为

其并不受外部外镜气压变化（不同海拔）影响，但是助力器内的压力阀值差ΔP（开启阀值−关闭阀值）变小，相应的真空助力FB也会减小，如图5所示。故为了在高海拔情况下使刹车脚感不受太大影响，可以在电子真空泵能力范围内适当调整关闭压力百分比例，如由70% 调整至 75%。

图5 压力与海拔高度关系1

压力百分比控制的优点是让助力器内的真空度随着外镜气压的变化而变化，能更好地控制在不同海拔高度下真空助力的变化。

1.2 压力梯度斜率控制

压力梯度斜率控制相较于压力百分比控制方法，如图6所示，有以下优势：

图6 压力梯度斜率示意图

1）更精确识别压力随时间的变化；2）更早识别到系统异常；3）更好识别和利用真空泵的抽气效率，可以早于关闭阀值停止真空泵；4）能完全避免真空泵连续工作造成损坏；5）能更好地控制真空泵工作的占空比。

压力梯度斜率控制可以结合压力阀值一起控制，监控压力阀值间的压力变化，斜率能更好识别系统异常，例如小的系统漏气等。

1.3 绝对压力值控制

绝对压力值控制是通过助力器内的绝对压力固定值（常量）来实现对真空泵启停的控制，助力器内需要有一个绝对压力传感器来控制真空泵的开启和关闭。其不足点为助力器内压力与外镜压力的差值ΔP，会随着海拔高的增加明显减小，从而相应的真空助力FB也会减小，如图7所示。故刹车需要用更大的脚力影响刹车脚感。

图7 压力与海拔高度关系2

1.4 压力差控制

压力差控制是通过压力开关控制真空泵的开启和关闭。真空泵的关闭压力值是通过压力开关控制的相对于环境绝对压力的一个固定值ΔP，真空泵的开启压力值是由压力开关设定决定的一个固有常量。

压力差控制的优势是因助力器内的压力相对环境绝对压力的压力差ΔP是一个常数而保持不变，故可以保持真空助力FB不变，从而不影响刹车脚感以及脚力。它的缺点是在高海拔的情况下有使真空泵长转导致失效的风险，如图8所示，故压力差ΔP的定义需要考虑高海拔条件。

图8 高海拔与压力关系3

另外，压力开关的精度也会影响实际的真空泵关闭压力值，从而造成真空泵长转的风险，如图9所示，故在定义压力差ΔP时，需要考虑压力开关自身的压力控制精度。

图9 高海拔与压力开关精度下的压差ΔP

各控制方法的优劣点如表1所示。

表1 各控制方法的优劣点

2 电子真空泵运行占空比选择

真空泵运行占空比是真空泵的工作运行时间与一个真空泵启停周期总时间的比值。占空比越高代表真空泵运行时间长且频繁，因此，容易造成真空泵过热影响使用寿命甚至烧坏，即由电机开路或者卡死导致无功能。故占空比的选择主要取决于真空泵自身的温度高低，而真空泵的温度主要是受以下几个因素影响。

2.1 真空泵工作电压

真空泵工作电压影响真空泵旋转的快慢，工作电压越高，转速就越快，真空泵发热就越快。

通常真空泵额定工作电压在开发阶段就基本对标整车电压，一般电压范围为（13 ±1）V。

2.2 控制真空泵启停的压力差ΔP和关闭压力值（真空度）

真空泵启停的压力差ΔP和关闭压力值（真空度）影响真空泵运行时间和气流散热，压力差越大真空泵工作时间越长；关闭压力值越低，即真空度越高，真空泵工作时间越长且从助力器端进气的气流越少，真空泵发热越快，对真空泵散热越差。

一般情况下电子真空泵在开发实验阶段，需和整车厂讨论确定常用的开启和关闭压力值，一般常用的控制真空泵启停压力值以环境绝对气压的50%作为开启压力值；环境绝对气压的70%或者75%作为关闭压力值，即真空泵工作时的压力范围是环境绝对气压的50%～70%或50%～75%，这两种典型的压力阀值。

2.3 真空泵周围环境温度和散热条件（空气对流）

环境温度越高、空气对流越差，真空泵发热越快，影响真空泵散热。

考虑到电子真空泵可靠性的重要， 通常电子真空泵在开发实验阶段被要求在-40～120 °C和无空气对流条件下进行耐久验证，故此条件严于整车实际应用环境条件。

基于以上条件，测得电子真空泵按一定占空比范围一般为5%～40%（不同温度下有不同占空比），其最高温度点的温度范围为130～140 °C，最高温度位置如图10所示。

图10 真空泵实验时温度探测点位置

因整车实际需要，会对控制真空泵的启停压力值和运行占空比进行调整，尤其在出现刹车系统泄露的情况下提高真空泵的运行占空比，即提高真空泵的运行时间和频率。这时就需要在整车系统参数验证时，监控真空泵顶端中心在工作时的最高温度，应考虑其不高于电子真空泵在其台架耐久实验时测得的温度，从而避免因占空比过高导致真空泵过热失效。

3 电子真空泵整车系统验证和分析方法

在对电子真空泵进行刹车系统标定时，为了对比真空泵在台架实验和整车系统条件验证下，各性能参数表现，识别真空泵潜在失效风险，对真空泵在整车系统验证条件下进行抽气效率、工作电流及温度监控十分必要。

图11为电子真空泵-助力器-进气歧管连接简图，刹车系统中与电子真空泵相关的主要零件为1）进气歧管：针对传统内燃机汽车由发动机通过进气歧管提供真空，电子真空泵作为辅助提供真空，纯电动汽车不适用；2）电子真空泵：提供真空执行器；3）助力器：通过内外压力差实现刹车助力；4）P：压力传感器；5）QC：用于管路连接的快插接头或其它连接方式；6）CV：单向阀；7）EC3：控制单元。

图11 电子真空泵-助力器-进气歧管连接简图

另外，真空泵的工作电流可以先在真空泵的正极线束上串联一个0.1 Ω的电阻，并通过这个电阻两端的电压算出电流值。而真空泵的工作温度则由加在真空泵顶端中心的温度传感器提供。

通过以上试验方法可以获得如下相关系统参数信息：

1）助力器内能达到的最大真空度：通过P2获得（P4仅用于故障分析时对P2的确认），也能对比P2和P6得出真空泵最大抽真空能力和系统最 大抽真空能力的差值，即P6-P2；

2）系统对真空泵抽气效率的影响即抽气时间：通过P2和P6测得达到相同真空度时所需的时间差；

3）单向阀对抽气性能的影响：可以通过P和P1、P2、P6的对比测得各个单向阀对抽气时间的影响，尤其在低温、高真空度、冷启动情况下膜片式单向阀打开延迟的风险；

4）真空泵工作电流：可以及时发现真空泵是否存在异常；

5）真空泵工作温度：可以及时发现真空泵是否有过热的风险以及占空比设置的是否合适。

通过系统在各种使用工况、不同环境条件以及真空泵性能衰减下测得的数据来最终定义出合适的控制真空泵的逻辑，从而最大程度避免真空泵的失效。举例说明在已知真空泵相关性能参数的基础上，对比刹车系统实验条件下相对应的性能参数“Y”值可知系统对真空泵抽气效率的影响，从而可以优化整车刹车系统，如表2所示。

表2 真空泵参数对比刹车系统参数

另外，以上方法也适用对系统故障的排查，如：真空泵、压力传感器及单向阀故障；管路及接口和助力器泄露的情况。

4 总结

1）建议并优先考虑压力百分比的方法作为控制真空泵启停的压力阀值。在真空泵工作占空比的选择尤其在系统需要高占空比工作的情况下，需注意真空泵因过热导致的失效，建议整车进行模拟测试并监控系统性能参数和真空泵工作温度。

2）系统性能参数的设定如：控制压力阀值、抽真空效率及最大抽真空能力在参考真空泵自身性能参数外，还需考虑系统结构如管路设计包括 连接方式、单向阀结构和数量对系统性能参数的影响，建议整车进行模拟测试并监控系统性能参数和真空泵工作性能参数。