汽车电动燃油泵控制模块的开发

汽车电动燃油泵控制模块的开发
朱振华　(联合汽车电子有限公司)
【摘要】　汽车电动燃油泵作为发动机控制系统中的重要组成部分,对其寿命的要求越来越高。

在详细分析燃油泵控制模块需求的基础上,结合对当前已有燃油泵控制方案的研究提出了新的硬件方案,兼顾了成本、散热和小尺寸的要求,并可应用于其他汽车电机控制。

【主题词】　电动燃油泵　电子模块　汽车
0　前言
汽车电子在发动机上的应用主要为电子控制喷油和点火。

在现代汽车上,机械式或机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰,电控燃油喷射装置因其性能优越而得到了日益普及。

电子喷油装置可以自动保证发动机始终工作在最佳状态,使其在输出一定功率的条件下最大限度节油和减少排放。

经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供油控制规律、事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储器中,当发动机工作时,根据各传感器测得的空气流量、排气管中含氧量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数,按预先编好的运算程序进行运算、然后和内存中的最佳工况参数进行比较和判断再调整供油量。

这将使发动机一直在最优工作条件下运行,从而使发动机的综合性能得到提高。

电动燃油泵控制作为电子控制喷油系统的重要组成部分,通过发动机管理系统的控制器经过继电器来控制已经无法满足日益增长的对油泵寿命、功耗、复杂诊断功能的要求,因此单独的智能油泵控制模块更显必要,以实现按照需要控制燃油压力,能应用于恒压控制的传统燃油控制系统及汽油机直喷和歧管喷射等新技术中;并具备了更多的诊断和故障处理功能,实现了更好的安全性。

系统结构见图1。

图1　电动燃油泵系统结构图
系统的基本概念是发动机管理系统ECU计算出相应的对油泵控制信号后将控制信号传输给独立的电子模块控制油泵的运行,和当前的单纯控制油泵继电器的方式相比有如下优点:减小化油泵的耗电;减少电子系统的负担;增加油泵的寿命;减少油泵的噪声;减少百公里油耗;降低油温和燃油涡流;对当前的发动机管理系统ECU的改动最小(只需要更改软件)。

1　模块设计
1.1　需求分析
要求油泵电子模块接受发动机管理系统ECU
收稿日期:2009-08-14
传递的控制信号后将之转换为相应的控制信号直接控制油泵的运行,同时监控油泵的运行情况,将故障信息传回给ECU 进行处理。

油泵电子模块可以工作在正常模式和睡眠模式(极低功耗)。

两种模式切换的控制信号也由ECU 发出。

系统的成本要求电子元器件的材料成本不超过80元。

考虑需要能安装在油泵的法兰中,整个系统印刷线路板大小约为40×28mm ,考虑到油耗和电机驱动要求系统的总功耗要小于5W ,能实现多种对电机的诊断功能。

图3　功能模块图
1.2　控制策略考虑
该控制系统需要控制的是油泵的泵油量(即控制P WM 输出信号的占空比从而调节油泵电机的运行情况),因此控制系统的输入必须是和燃油量相关的信号。

按前节所述,发动机在启动、怠速和加减速等过渡工况下对燃油的需求是不同的,有时候需要加浓有时候需要偏稀,在倒拖工况下为省油还可以切断供油。

为了按照供油的需要从而控制油泵的运行,按照发动机的工况计算系统需要的燃油压力作为系统的主要输入控制条件。

燃油压力传感器的信号作为系统的反馈,大致的控制框图见图2。

燃油压力传感器的信号经过滤波处理后和预设的燃油压力进行比较,比较的结果经过P I D 调节决定了最终产生的占空比。

该占空比信息将被传递给油泵控制模块从而控制油泵的运行。

图2　燃油压力传感器信号反馈控制框图
由于噪声在压力回路中是很典型的,压力测量
值会突然升高或降低。

为了抑制该高频干扰,对于燃油压力传感器的信号需要先做低通滤波处理。

之后P I D 环节的参数整定成为控制的重要环节。

1.3　总体设计
根据系统的功能和成本需求,选用最为常见的单片机控制加印刷线路板的方式。

考虑到成本以及汽车电子的可靠性要求,尽量选择知名汽车电子芯片供应商的产品。

由于成本压力,尽量选择集成了多个功能的专用芯片(ASI C )。

为了尽可能降低成本,采用几个CP U 的数字口和E MS 的ECU 进行通讯以替代专用的K 线/CAN 芯片。

功能模块图见图3。

发动机管理系统的控制信号输入到油泵电子模块后经过滤波进入单片机,单片机经过运算产生相应的P WM 信号给专用芯片,专用芯片在增大驱动能力后输出P WM 信号驱动MOSFET 管。

输出侧的二极管用于在关断MOSFET 管的时候给电机续流,从而减小电机电流的波动。

输入的控制信号还可让专用芯片从睡眠模式
切换到正常工作模式。

单片机接收到发动机管理系统的切换需求后可通过SP I 设置专用芯片的寄存器把专用芯片切换到睡眠模式下,此时专用芯片会关断5V 电源的输出,使单片机也停止工作。

在这种情况下只有专用芯片工作在睡眠模式下,保证了系统需要在低功耗下电流小于100μA 的要求。

在电机的通路中串进一个毫欧级别大功率电阻用于电流检测。

检测到的故障信息通过SP I 口传递给单片机。

单片机在得到故障信息后通过同一根通讯线将故障信息传递给发动机管理系统的ECU 。

图4显示了最初的油泵电子模块的输入接口。

根据电路设计,专用芯片向单片机提供5V 电源。

在睡眠模式下专用芯片会切断5V 电源,单片机将停止工作,在这种情况下只有专用芯片工作在睡眠模式下,需要的电流小于0.1mA。

图4　油泵电子模块输入接口
但在调试睡眠模式和正常工作模式的切换时
发现了一个奇怪的现象。

即使专用芯片关断了5V 的输出,在单片机的5V 电源引脚上仍然测量到了3V 左右的电压。

这个3V 电压使得油泵电子模块工作在一种错误的状态下(因为晶振的频率不对)。

之后如果专用芯片恢复提供5V 电压,单片机的5V 电源引脚上的电压从3V 变为5V,但是单片机仍工作在错误的状态下,并没有被真正唤醒。

经过分析发现错误的3V 来自于电瓶电压的电压倒灌。

为了验证该想法,又做了另一个测试。

把一个单独单片机的输入输出口经过一个电阻直接连到12V 电源。

测量单片机的5V 电源引脚电压为4V 左右。

由此可确认在单片机的电源被切
断后由于电瓶电压处仍有12V 的电压,并通过单片机的数字口灌进,导致单片机工作不正常,而且无法再次进入正常工作模式。

解决该问题的第一个设想是把电瓶的电压从12V 降低到5V,结果发现仍然会在单片机的5V
电源处产生一个2V 左右的电压,同样会使单片机工作不正常。

于是考虑在电瓶电压和串联电阻间加了一个三极管。

三极管的门级电压由专用芯片提供的5V 电源控制。

在这里三极管起到了一个开关的
作用。

当油泵电子模块进入睡眠模式的时候,由于专用芯片关断了5V 输出,同时也就关断了三极管。

由此电瓶电压就无法影响单片机的工作了,单片机就彻底停止了运行。

由于唤醒信号线L I N 在三极管左侧,因此仍能接受唤醒信号。

当专
用芯片被唤醒后恢复提供5V 的时候,三极管打开,单片机上电复位后进入正常工作模式。

通过实验验证了该设想,油泵电子模块实现了睡眠模式和正常工作模式的自由切换。

1.4　散热处理
对于驱动油泵电机的MOSFET 来说,当输出P WM 信号的占空比是100%时MOSFET 上产生的热
量最大。

根据系统需求,最大功率不应该超过2W 。

油泵电子模块的最高工作温度为80℃,MOS 2
FET 的最高工作温度为175℃。

T j -T a =P V ×R thj -a
R thj -a =(175℃-80℃)/2W =47.5℃/W
式中:Tj 为节点温度;Ta 为环境温度;Pv 为芯片的功率;R th j -a 为节点到环境的热阻。

图5　芯片热阻(节点到环境温度)和印刷线路板散热区域关系图(无风)
根据图5的经验热阻值,为了确保MOSFET 能在最恶劣的情况下正常工作,需要在印刷线路板上提供给MOSFET 至少600mm 2
的散热区域。

实际上整个印刷线路板除去放置元器件的面积后
只有300mm 2
可用于散热。

因此仅靠印刷线路板对MOSFET 散热是不可能的,再考虑二极管的热量,只能靠外加散热片的方式对MOSFET 和二极管进行散热处理。

为了确保有效散热,创新性地提出了将功率器件的散热块向上紧靠外壳的方式,具体见图6。

图6　功率器件安置示意图
1.5　系统测试
经过供电电压测试、丢负载测试、故障模拟测
试、启动时间测量、ES D 测试、CE&RE 测试、I S O 脉冲测试,系统完全满足功能要求并能在汽车环境中正常工作。

2　总结与展望
2.1　总结
经过对电动燃油泵电子模块的使用环境分析、成本分析,形成了比较全面地系统需求。

最终
的设计方案较好地满足了功能需求、成本需求以及可靠性需求。

2.2　展望
目前在汽车成本所占比例越来越大的汽车电
子产品及元器件市场空间极大。

国外每台汽车采用汽车电子产品的平均费用1990年为672美元,2000年已达到2000美元。

专家预测,汽车电子产
品占汽车成本的比例将达到50%,全球市场销售额在近一二年将超过1000亿美元。

目前,国际汽车巨头纷纷将更多的电子信息技术设备装备到其整车中。

在国外,中高档轿车采用的电子信息设备已经达到30%～50%,在一些高档车上,这个比例更。

电子信息技术设备供应商也纷纷将下一个经济增长点定位在汽车电子产业上。

摩托罗拉、英特尔、微软、德州仪器、飞利浦、西门子等这些过去为其他行业和产品提供技术支持的厂商,早已经做好了准备,有些产品已经为汽车提供了新的“动力”。

本设计对油耗、排放均有不同程度的提高,还提高了油泵的使用寿命,同时具备低成本易安装的特性,具有非常良好的市场前景。

此外,本方案也具备良好的适应性,在做一些简单的设计更改后可以应用到其他汽车单相直流电机如电动摇窗机、雨刮器等的控制上。

参考文献
1　黄河.汽车电喷系统基本原理[M ].上海:上海交通大学
出版社,2003.
2　李春明.汽车发动机燃油喷射技术[M ].北京:北京理工
大学出版社,2004.
3　洪志全.现代计算机接口技术[M ].北京:电子工业出版
社,2002.
4　林国荣.电磁干扰及控制[M ].北京:电子工业出版社,2003.
Abstract
A s one of the i m portant components in the en 2gine manage ment syste m ,the lifeti m e of the fuel pu mp is very critical .After analyzing the require 2ments and f or mer s oluti on,a ne w H W s oluti on which combines the cost,heat dis persi on and s mall size is raised,and the s oluti on can be als o app lied t o the other mot or contr ol in the vehicle .。