探析新能源车用电动空气压缩机的发展趋势 |
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![]() 本文首发《汽车测试报告》4月上刊期,由作者授权发布 摘要:近几年来新能源车辆发展势头迅猛,需求量不断攀升,电动空气压缩机是新能源商用车辆气制动系统核心关键部件之一,处于不断更新换代中,同时,因市场优胜劣汰原则,各电动空气压缩机的生产厂家,正积极寻求发展方向。基于此,结合车用电动空气压缩机的市场应用情况,对车用电动空气压缩机的发展趋势展开分析。 关键词:新能源;新能源汽车;电动空气压缩机 作者简介: 杨柳,瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司高级工程师,研究方向为汽车零部件设计; 朱彬,瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司工程师,研究方向为汽车零部件设计; 周胜博,瑞立集团瑞安汽车零部件有限公司工程师,研究方向为汽车零部件设计。当前石油资源日益短缺,城市污染日趋严重,世界各国都在积极推动新能源汽车的发展。我国是能源消耗大国,石油严重依赖进口,故发展新能源汽车已成为我国国家战略,是我国从汽车大国走向汽车强国的必经之路,作为绿色能源代表的新能源商用车应运而生。电驱动空气压缩机作为新能源商用车辆制动系统的核心零部件,其各方面性能直接关系到车辆制动系统的运行性能和可靠性,同时影响到整车的经济、环保、舒适性能。我国是发展中国家,道路设施建设相对落后,道路上行人车辆混行、机动车非机动车混行,交通状况复杂;地理状况复杂,包含山地、高海拔等路段。这些对汽车的制动系统性能提出了更高的要求,也要求气源装置必须提供有更高压力的气源、更加可靠的运行性能、更长的使用寿命等[1]。 1 发展背景 自2012年国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》以来,我国坚持纯电驱动战略取向,新能源汽车产业取得了巨大成就,成为世界汽车产业发展转型的重要力量之一。2020年国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》提出,到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右,力争经过15年的持续努力,我国新能源汽车核心技术达到国际先进水平。纯电动汽车成为新销售车辆的主流,公共领域用车全面电动化,燃料电池汽车实现商业化应用[2]。 电动空气压缩机为车辆气压制动系统、空气悬挂系统或其他辅助用气装置提供压缩空气,是新能源电动汽车必不可少的关键零部件之一,是新能源商用汽车制动系统的核心部件。随着国家推广新能源汽车,应用财政支持政策的推出以及各地新能源汽车地方性政策的推出,都为电动空气压缩机的发展提供了一个巨大的市场,下图为常见传统空压机与电动空气压缩机的对比[3-5]。 ![]()
2 电动空气压缩机的发展现状 随着新能源商用汽车的发展,电驱动空压机应运而生,市场上出现了多种不同结构类型的电动空气压缩机,根据各汽车厂商近十年来的市场验证,螺杆式空压机、滑片式空压机、涡旋式空压机等机型,由于油气乳化、排气压力低、可靠性差等原因,已经难以满足各车用工况需求,逐步被市场所淘汰,目前国内市场的电动空气压缩机以活塞式空压机为主[6]。 ![]()
对 比 项 有油活塞式 螺杆式 滑片式 涡旋式 润滑油种类 传统柴油机机油 专用螺杆机油 专用滑片机油 / 润滑油对行车安全性 安全 如果保养不及时、污染用气系统,使其中的橡胶件发胀、老化,容易造成制动系统失效 / 润滑油消耗量 较少 较大 较大 / 润滑油乳化变质 无 极易 极易 / 润滑油环境适应性 与外界接触少 易受外界空气污染 易受外界空气污染 / 油气分离器 不需要 必需 必需 / 油分离器滤芯寿命 / 短 短 / 润滑油温控制 不需要 必需 必需 / 环境湿度影响 较小 较大 较大 / 排气压力 可以短时过载 一般 一般 较低 特殊维护经验要求 无 较高 较高 很高 环境适应性 很好 差 差 差 使用寿命 很好 差 差 差 3 活塞式电动空气压缩机的发展趋势 目前市场上所用的电动空气压缩机基本上还是有油活塞式空压机,其不但需要定期加油、换油维护,而且一旦出现“串油”漏油等故障,还会额外增加不少费用,甚至造成二次污染。因此,开发全无油电动空气压缩机,不但可以为用户节省大笔润滑油的费用,而且全无油电动空气压缩机对用气管路完全无损害,也不会出现油污染、泄露的风险,有助于推动新能源的发展,促进绿色环保。通过这几年的无油空压机市场应用及用户反馈,活塞式电动空气压缩机目前已向着无油空压机的趋势发展[7]。 ![]()
4 无油空压机的发展现状 4.1 国外相关产品与技术发展概况 国外的无油空压机主要应用在轨道机车上,以大型空压机居多,代表品牌有克诺尔、法维莱、阿特拉斯、英格索兰等,目前新能源车的发展主要在国内,这几家品牌对中国的应用环境缺乏足够理解,再加上生产成本过高,所推出的无油一级压缩产品在该领域还无法形成竞争力。 4.2 国内相关产品与技术发展现状 目前国内用于新能源车的无油电驱动空压机主要是涡旋式空压机,其主要通过两个动静盘上的型线相互贴合来挤压压缩气体,零部件少,效率较高。但是由于动静盘间的密封间隙非常小,因此要求所压缩的气体必须非常洁净,否则气体杂质会造成空压机迅速磨损,导致密封失效,无法压缩气体,而且动静盘一旦损坏,必须整体更换,所占成本达50%左右。新能源车用空压机大多布置在扬尘多、环境潮湿的底盘处,这些对无油涡旋空压机都是非常不利的,并且排气温度高,不符合新国标GB7258的标准,难以满足1MPa以上高压气体的需求,故目前无油活塞式成为发展主流。 4.3各类型无油空压机性能的对比 类型 无油活塞式空压机 无油涡旋式空压机 排气压力 活塞式建高压能力强,轻松满足2017年新国标对1Mpa以上压力的要求 受限于涡旋密封结构,高压密封性能差,导致其排气压力低,高压性能衰减严重长时间难于达到1Mpa 结构密封 采用电机直连式驱动,传动结构简单可靠性高;高压排气衰减小 其运动件之间需保持一定的运动间隙来达到密封效果,导致其对密封件要求高,密封结构复杂,易热变形泄露 环境适应性 环境适应性强,IP67以上防护等级,可在恶劣环境(高温、低温、高原)中工作 动、静盘多为曲面结构,曲面加工精度要求高,动、静盘上下端面密封要求高,导致其对环境要求较高 整机散热 泵头采用风冷/水冷+冷却器方式,散热果好 由于其内部工作腔无法实施外部冷却,使其内部热量难于导出,局部高温严重,排气温度高 维护保养 无需特殊保养维护,只需清理空滤 对密封要求较高,密封件磨损快,导致其对密封件定期保养,而对密封件的保养,需拆整机,保养难度大,动静盘一旦损坏需整体跟换,费用高昂 使用寿命 可靠性高,使用寿命长 由于其特殊密封结构,导致其使用寿命受其工况环境影响很大,且工作时各运动部件长期在高温、高湿、高压环境下,工作寿命很短,导致其整机寿命不长 5 无油活塞式空压机的发展趋势 ![]()
随着国标GB 7258的实施,商用车对整车制动系统气源压力提出1MPa以上高压气源的要求,各大汽车厂商对节能减排提出了更高的要求,个别汽车厂商更是提出整车气源压力达1.25MPa以上的需求,无油空压机逐步向着两级压缩高效率、高排气压力、低排气温度、长寿命的方向发展。 两级无油活塞式空压机的优势如下: 对比项目 两级无油电动空气压缩机 一级无油电动空气压缩机 排气压力 两级增压,级间冷却最大排气压力可达1.2MPa以上,几乎无衰减 一级压缩效率低,随压力上升排量衰减明显,难以满足1MPa 轴承负荷 两级压缩,低气体作用力,轴承负荷小,辅以原装进口轴承保障使用寿命 一级压缩轴承负荷高,寿命短 自润滑活塞环及导向环 分级压缩,压缩比低,低气体脉动,辅以成熟应用于轨道技术原装进口活塞环,保障使用寿命在8000小时以上,且活塞环、导向环均可更换。 单级压比高,气流脉动,寿命短,胶水粘接导向环易脱落,可靠性差,无法更换 缸孔技术 新型表面处理方式辅以镜面级加工Ra0.8以上,磨损大 传动结构 双曲柄内支撑传动结构可靠性强 单悬臂结构可靠性差
6 国内外发展趋势展望 目前,新能源商用车电动空气压缩机的市场主要在国内,国际汽车巨头与整车厂逐步加快开发步伐,国内外的发展路线有所差异。国外的汽车厂商趋向于向集成控制器总成模块化发展,辅以水冷路线;国内的主机厂控制器多合一,应用多年,路线成熟,发展趋势为独立压缩机模块。 二者均有朝着高性能小型化发展的趋势,行业龙头厂家提出流量密度指标(排量与质量之比值)与比功率一起构成衡量空压机性能核心指标,如下图。 ![]()
7 结语 车用电动空气压缩机产业正处于快速迭代的发展阶段,其发展方向决定了后续行业的成长方向。同时,随着各大整车厂对空压机的性能的要求越来越高,各制造商将积极寻求性能更高、寿命更长、更加小型、经济性、舒适性、节能环保的产品,也对车用电动空气压缩机行业提出了更加严峻的考验,急需寻求一个可靠、正确的发展思路。 参考文献: [1]喻志强,林子良,于洋.国内螺杆压缩机的发展现状[J].通用机械,2006(8):18-20. [2]陈运来,闫帅林,王浩宇.电动空气压缩机在电动客车上的应用及发展[J].客车技术与研究,2018(6):19-22. [3]张庶凯,郑金陶.商用车空气压缩机的发展[J].汽车与配件,2008(51):68-69. [4]相德宝.车用空气压缩机现状及技术发展前景[J].汽车与配件,2017(5):58-59. [5]赵志强,邹会彦,张蒙生.无油螺杆空压机润滑油含水的成因分析及改进[J].润滑与密封,2011(3):122-124. [6]李天一,王雯,安震.车辆制动系统螺杆空压机组润滑油防乳化控制方法[J].城市轨道交通研究,2020(4):51-53. [7]张君.滑片式空气压缩机关键部件的性能分析和研究[D].沈阳工业大学,2012.
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