增程式電機控制器的案例
增程式電機控制器高效熱分析與研究
0引言
國外關(guān)于增程式驅(qū)動系統(tǒng)的研究開始比較早。寶馬、日產(chǎn)和通用關(guān)于增程式混動方案研究
較早，尤其是通用汽車已有相關(guān)增程式車型在市面上批量銷售。國內(nèi)車廠如長安、吉利、廣汽等，雖然也都在針對增程式混動方案進行研究，但是到現(xiàn)在市面上還沒有批量的車型在銷售;互聯(lián)網(wǎng)汽車公司理想ONE車型將增程式混動方案推向市場，給國內(nèi)增程式方案的發(fā)展帶來新希望，并最終獲得大眾的喜愛。
但是，增程式電機直接與發(fā)動機曲軸集成連接，發(fā)動機本身產(chǎn)生的高溫也會傳遞給電機系統(tǒng)，使其工作環(huán)境非常惡劣，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致電機控制器溫升過高損壞或者故障，因此開發(fā)增程式電機系統(tǒng)的關(guān)鍵便是有效的熱管理設(shè)計。
本文正是針對一款增程式電機控制器的散熱需求，設(shè)計了增程式電機控制器及其高效的雙面水冷散熱器，并介紹了該增程控制器整體結(jié)構(gòu)和其散熱器冷卻結(jié)構(gòu)。
為了進一步研究其散熱器冷卻效果，分別對該增程式電機控制器的功率模塊和薄膜電容進行了熱仿真研究和臺架溫升測試，通過對比分析可知，本文的增程式電機控制器散熱器冷卻結(jié)構(gòu)具有良好的散熱效果，能夠滿足在發(fā)動機周圍長時間工作的需求，對于同類型增程式控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值和借鑒意義。
1總體設(shè)計
1.1控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1(a)為本文設(shè)計的增程式二合一發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電機控制器位于電機右上方，電機由定子和轉(zhuǎn)子組成，電機機殼法蘭面與發(fā)動機外殼法蘭安裝面連接固定，電機轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子輪轂與發(fā)動機曲軸法蘭盤連接，實現(xiàn)整個增程式電驅(qū)動系統(tǒng)與發(fā)動機的集成。
圖1(b)為本文設(shè)計的增程式電機控制器。
展開 基于阿特金森循環(huán)的增程式電動車能量控制策略
阿特金森循環(huán)發(fā)動機通過控制氣門開閉時間實現(xiàn)對膨脹比和壓縮比的控制，降低了最高燃燒壓力和溫度，減少了NOx的排放和泵氣損失。
圖1 傳統(tǒng)發(fā)動機配氣圖解
圖2 阿特金森發(fā)動機配氣圖解
2.E-REV動力系統(tǒng)及工作模式
增程式電動汽車的驅(qū)動模式可以分為純電動模式、增程模式純電動模式下驅(qū)動電機獨立驅(qū)動車輛行駛，發(fā)動機不起動，由動力電池提供電力給驅(qū)動電機進而驅(qū)動車輛；增程模式下增程器啟動并處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動機不直接參與驅(qū)動，驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電，產(chǎn)生電能用來驅(qū)動電動機，電池處于一同供電驅(qū)動或充電狀態(tài)，如圖3示。外接充電模式下車輛利用車載充電機進行充電。
圖3E-REV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.增程式電動汽車控制策略
01
原恒功率控制策略
增程器恒功率控制策略是針對電池的電量SOC進行控制，當(dāng)電池S0C值小于給定的最小值時，進人增程模式增程器開始工作，發(fā)動機工作在效率較高工作區(qū)域內(nèi)的固定工作點上，以恒功率輸出，產(chǎn)生的電能一部分提供給電池，另一部分滿足汽車功率需求；當(dāng)電池SOC大于給定的SOC最大值時，增程器關(guān)閉，此時電池組給車輛行駛提供能量。在實際工程應(yīng)用中，一般控制阿特金森循環(huán)發(fā)動機始終運行在最佳燃油消耗區(qū)域內(nèi)比油耗較低的工作點，如圖4中A點所示，紅色粗線表示發(fā)動機外特性曲線，黑色細線為燃油消耗率曲線。
圖4 阿特金森循環(huán)發(fā)動機燃油消耗MAP圖
02
原功率跟隨控制策略
在功率跟隨控制策略中，增程模式下，增程器作為車輛主要動力來源，增程器輸出功率跟隨整車的功率需求。當(dāng)增程器最大輸出功率小于整車需求功率時，動力電池作為次級動力源補充不足的功率。這種控制策略與恒功率控制策略相比減少了動力電池的充放電循環(huán)次數(shù)，有利于延長動力電池的壽命。
展開 集成式電機控制器選型設(shè)計與控制策略
圖1 集成式電機控制器電氣架構(gòu)圖
圖2 集成式電機控制器接線原理圖
3 元件選型
集成式電機控制器（MCU） 包括HCU （高壓控制單元）、IGBT逆變器、PDU （電源分配單元） 等3個部分，下面分別介紹。
3.1 HCU
HCU （高壓控制器單元） 主要由電源電路、控制芯片（DSP/FPGA） 及其外圍電路、控制電路、檢測電路、I/0電路、CAN通信電路、傳感器組成，負(fù)責(zé)檢控三合一電機控制器內(nèi)部元件，以及與外部設(shè)備通信。檢測電路負(fù)責(zé)收集控制器內(nèi)部霍爾傳感器（L1、L2）、電壓傳感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6） 發(fā)出三相電流和接觸器前后端電壓信號，用以判斷當(dāng)前控制器內(nèi)部元件狀態(tài)，以及收集電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器、溫度傳感器反饋過來的旋變和溫度信號，了解電機當(dāng)前狀態(tài)。控制芯片處理檢測電路收集的信號后，通過控制電路對接觸器、IGBT逆變器進行控制，以達到高壓配電和驅(qū)動電機的作用。
展開 集成式電機控制器選型設(shè)計與控制策略
圖1 集成式電機控制器電氣架構(gòu)圖
圖2 集成式電機控制器接線原理圖
3 元件選型
集成式電機控制器（MCU） 包括HCU （高壓控制單元）、IGBT逆變器、PDU （電源分配單元） 等3個部分，下面分別介紹。
3.1 HCU
HCU （高壓控制器單元） 主要由電源電路、控制芯片（DSP/FPGA） 及其外圍電路、控制電路、檢測電路、I/0電路、CAN通信電路、傳感器組成，負(fù)責(zé)檢控三合一電機控制器內(nèi)部元件，以及與外部設(shè)備通信。檢測電路負(fù)責(zé)收集控制器內(nèi)部霍爾傳感器（L1、L2）、電壓傳感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6） 發(fā)出三相電流和接觸器前后端電壓信號，用以判斷當(dāng)前控制器內(nèi)部元件狀態(tài)，以及收集電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器、溫度傳感器反饋過來的旋變和溫度信號，了解電機當(dāng)前狀態(tài)。控制芯片處理檢測電路收集的信號后，通過控制電路對接觸器、IGBT逆變器進行控制，以達到高壓配電和驅(qū)動電機的作用。
展開 
應(yīng)用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
項目背景
ACR在汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器方面具有熟練的技術(shù)能力，他們目前正在開發(fā)用于EREV(增程式電動車) 的微型柴油發(fā)動機。?？怂箍倒I(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件在微型柴油發(fā)動機的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。
ACR在開發(fā)卡車和其他柴油動力車輛的排放控制裝置方面具有很高的技術(shù)能力。用于柴油機的PM(顆粒物) 排放控制裝置可以分為兩種方式，其中DPF(柴油機顆粒物過濾器) 方式實際上是收集燃燒的PM。另一種方式是使用氧化催化劑，如將鉑金利用氧化反應(yīng)來去除PM。ACR PMR是一種用于車輛的PM控制裝置，它符合日本八個地區(qū)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。ACR還生產(chǎn)ACR-EXCAT，一種催化式 的PM控制裝置，用于排放PM水平較低的車輛(圖1) 。ACR NXPR是一種控制氮氧化物和PM裝置，是一款非常受歡迎的產(chǎn)品。
展開 應(yīng)用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
項目背景
ACR在汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器方面具有熟練的技術(shù)能力，他們目前正在開發(fā)用于EREV(增程式電動車) 的微型柴油發(fā)動機。海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件在微型柴油發(fā)動機的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。
ACR在開發(fā)卡車和其他柴油動力車輛的排放控制裝置方面具有很高的技術(shù)能力。用于柴油機的PM(顆粒物) 排放控制裝置可以分為兩種方式，其中DPF(柴油機顆粒物過濾器) 方式實際上是收集燃燒的PM。另一種方式是使用氧化催化劑，如將鉑金利用氧化反應(yīng)來去除PM。ACR PMR是一種用于車輛的PM控制裝置，它符合日本八個地區(qū)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。ACR還生產(chǎn)ACR-EXCAT，一種催化式 的PM控制裝置，用于排放PM水平較低的車輛(圖1) 。ACR NXPR是一種控制氮氧化物和PM裝置，是一款非常受歡迎的產(chǎn)品。
圖1：ACR EXCAT和ACR DPF
ACR不僅生產(chǎn)了各種催化設(shè)備、蜂窩煤和過濾器，他們也生產(chǎn)ACR-NHBL52，這是一種便攜式家用電源，旨在降低峰值電力使用，并在緊急情況下提供備用電源。ACR配備了廣泛的技能和工具，憑借這些不僅可以為他們自己的產(chǎn)品進行評估，同時也可以為其他公司提供評估服務(wù)。
ACR最近致力于開發(fā)小型發(fā)動機，以延長EV(電動汽車)的行駛里程。ACR的執(zhí)行工程師Keiji Kishishita先生，負(fù)責(zé)管理開發(fā)輔助發(fā)動機和渦輪增壓器系統(tǒng)的整個EREV項目。
展開 設(shè)計仿真 | 應(yīng)用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
項目背景
ACR在汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器方面具有熟練的技術(shù)能力，他們目前正在開發(fā)用于EREV(增程式電動車) 的微型柴油發(fā)動機。海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件在微型柴油發(fā)動機的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。
ACR在開發(fā)卡車和其他柴油動力車輛的排放控制裝置方面具有很高的技術(shù)能力。用于柴油機的PM(顆粒物) 排放控制裝置可以分為兩種方式，其中DPF(柴油機顆粒物過濾器) 方式實際上是收集燃燒的PM。另一種方式是使用氧化催化劑，如將鉑金利用氧化反應(yīng)來去除PM。ACR PMR是一種用于車輛的PM控制裝置，它符合日本八個地區(qū)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。ACR還生產(chǎn)ACR-EXCAT，一種催化式 的PM控制裝置，用于排放PM水平較低的車輛(圖1) 。ACR NXPR是一種控制氮氧化物和PM裝置，是一款非常受歡迎的產(chǎn)品。
展開 對輸入進行脈寬調(diào)制來控制電機轉(zhuǎn)速的刷式直流電機驅(qū)動器-SS6548D
刷式直流電機驅(qū)動器由定子、轉(zhuǎn)子和電刷三部分組成。定子產(chǎn)生固定磁場，轉(zhuǎn)子攜帶電流在磁場中受力旋轉(zhuǎn)，電刷則負(fù)責(zé)將直流電源引入轉(zhuǎn)子繞組，實現(xiàn)電流換向。當(dāng)電流通過轉(zhuǎn)子繞組時，會在磁場中受到安培力的作用，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
刷式直流電機驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)相對簡單，但具有較高的效率和可靠性。其中，電刷是實現(xiàn)電流換向的關(guān)鍵部件，通常由碳材料制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐磨性。此外，直流有刷電機還具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點，使其在各種應(yīng)用場合中具有廣泛的適用性。
在刷式直流電機驅(qū)動器運行過程中，電流需要不斷換向以保持轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這一過程是通過電刷與換向器的配合來實現(xiàn)的。換向器通常由多個銅片組成，與轉(zhuǎn)子繞組相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定位置時，電刷會接觸到下一個銅片，從而實現(xiàn)電流的換向。這種設(shè)計使得直流有刷電機能夠平穩(wěn)、高效地運行。
工采電子代理的SS6548D是一款刷式直流電機驅(qū)動器，專為工業(yè)及消費電子設(shè)計的40V/16?A大電流直流有刷電機驅(qū)動芯片，采用帶散熱盤的DFN5*5封裝，支持40V電壓應(yīng)用，內(nèi)置電流調(diào)節(jié)將電機電流限制到預(yù)定較大值，H橋由兩路邏輯輸入控制, 內(nèi)置低導(dǎo)通內(nèi)阻的P+N溝道MOSFET；適用于健身器材，智能化辦公，智能家具，按摩椅，工業(yè)設(shè)備及其它機電一體化電機。
能夠在寬電壓范圍（6.5?V?~?40?V）內(nèi)提供持續(xù)8?A、峰值16?A的電流輸出，并通過低導(dǎo)通電阻（典型 45?mΩ）實現(xiàn)高效能驅(qū)動,支持PWM調(diào)速（0-50kHz）和低功耗休眠模式（待機電流僅1μA）適用于對功率密度和系統(tǒng)可靠性要求較高的場合。
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