基于仿真的电控柴油机通用型ECU研究

论文摘要

随着能源紧缺和环境保护的升级,现代社会对柴油机的经济性以及排放的要求越来越高。电控技术是同时满足上述要求的有效手段和必然方向。电控系统中最常用的有电控单体泵和电控高压共轨系统。针对行业的迫切需求,本文设计了电控柴油机通用型控制器(ECU),只需要通过不同的软硬件配置,就可以适用于两种系统。该ECU适应性强、可靠性高,具有广阔的产业化前景。本文采用仿真与试验相结合的方法,重点进行了电控柴油机通用型ECU的硬件系统研究、设计和试验。主要开展了以下研究工作:1.通过对国内外柴油机电控系统的广泛调研,结合我国电控柴油机的结构和工作特点,国内首次设计出电控柴油机通用型ECU。该ECU采用先进的32位微处理器,适用于四缸和六缸柴油机,并能满足电控单体泵和高压共轨系统的控制要求;同时兼容不同类型的传感器和开关等信号输入;可以驱动不同类型、不同电压的继电器、灯、信号等;还具备比较全面的整车控制功能。该ECU功能强大,通用性好,可靠性高,满足电控柴油机市场的大部分需要。2.针对电控柴油机ECU特殊的使用环境以及小型化、低成本、高可靠性的挑战,提出了一套基于仿真的ECU硬件开发流程并完成了ECU的各个功能模块设计。建立了电磁阀驱动模块的模型,得出了电磁阀驱动响应时间与驱动回路电气特性的关系,并通过仿真优化,将电磁阀的关闭时间从230μs降低到35μs。采用该方法节约了开发时间与成本。3、针对通用型ECU体积小、工作环境温度高、瞬态功率大、散热困难等特点,文中采用基于仿真的方法对通用型ECU进行了散热设计。建立了功率元器件的能量损耗模型,根据发动机转速以及负荷对ECU功率元器件功耗的影响,得出了元器件的功耗与发动机运行参数之间的关系。根据各个元器件的最大可能功耗参数,设计了ECU的散热系统。通过仿真优化将ECU的最大功耗从96W降低到了38.2W,高电压电源模块的效率从72.3%提到87.6%。试验表明,采用该方法的散热设计满足ECU恶劣的工作环境,为ECU的可靠运行提供了保障。4.对ECU进行了可靠性设计以及验证。设计了电磁阀驱动的故障诊断以及自保护功能,在执行器失效、故障或者软件错误时,保护ECU硬件并提供信号用于软件故障诊断。建立了电磁阀驱动电路模块的等效EMI模型,通过对模型的仿真优化,降低了电磁阀驱动电路中的电压电流振荡,从而降低了ECU的对外干扰。试验表明,采用该设计的驱动回路在电磁阀短路故障时关闭时间小于10 us、短路时峰值电流为24A,远小于采用软件控制方法的50A。5.进行了ECU的极限环境适应性试验以及整车匹配试验。对匹配该ECU的整车进行了三高试验。试验证明,该ECU系统功能全面、可靠性高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景以及意义
• 1.2 国内外电控柴油机技术的发展状况
• 1.2.1 国外电控柴油机喷油系统介绍
• 1.2.2 国内电控柴油机喷油系统介绍
• 1.3 国内外柴油机控制器的研究概况
• 1.3.1 控制器所用的微控制器越来越强大
• 1.3.2 外围控制模块发展趋势
• 1.3.3 开发方法的变革
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 本课题选题背景
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第二章 电控柴油机通用ECU 硬件系统设计
• 2.1 电控柴油机通用型ECU 设计目标
• 2.2 电控柴油机通用型ECU 硬件系统设计
• 2.2.1 电控单体泵柴油机燃油系统结构
• 2.2.2 高压共轨柴油机燃油系统结构
• 2.2.3 通用型ECU 硬件设计要求
• 2.2.4 通用型ECU 硬件结构设计
• 2.3 基于仿真的ECU 硬件开发流程
• 2.3.1 传统的ECU 开发模式
• 2.3.2 基于混合仿真的ECU 开发模式
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于仿真的通用ECU 系统功能设计
• 3.1 元器件仿真模型的建立与简化
• 3.1.1 无源器件的仿真模型
• 3.1.2 有源器件的仿真模型
• 3.1.3 其它元器件仿真模型
• 3.1.4 其它电气器件仿真模型
• 3.2 MCU 以及外围系统设计
• 3.2.1 MCU 介绍
• 3.2.2 输入输出接口分配
• 3.3 输入信号处理模块仿真设计
• 3.3.1 开关信号输入处理仿真设计
• 3.3.2 模拟信号输入仿真设计
• 3.3.3 频率信号输入处理设计
• 3.4 通讯模块设计
• 3.5 电磁阀电流驱动模块仿真优化设计
• 3.5.1 电磁阀驱动模块驱动对象概述
• 3.5.2 电磁阀驱动模块要求
• 3.5.3 电磁阀驱动电路模型
• 3.5.4 电磁阀驱动响应性分析
• 3.5.5 电磁阀驱动参数优化设计
• 3.5.6 基于仿真的驱动电路设计
• 3.5.7 驱动电路实验
• 3.6 高压油泵电磁阀驱动设计
• 3.7 电源模块设计
• 3.7.1 ECU 电源概述
• 3.7.2 低电压电源设计
• 3.7.3 高电压电源仿真设计
• 3.8 ECU 配电系统仿真设计
• 3.9 输出驱动模块仿真设计
• 3.10 本章小结
• 第四章 基于仿真的ECU 散热设计研究
• 4.1 ECU 散热设计概述
• 4.1.1 温度对ECU 的影响
• 4.1.2 ECU 工作环境温度
• 4.1.3 基于仿真的散热设计开发流程
• 4.1.4 基于能量流的ECU 结构
• 4.2 电磁阀驱动模块功耗仿真优化研究
• 4.2.1 主要元器件功耗影响因素分析
• 4.2.2 驱动电压对功耗的影响因素仿真分析
• 4.2.3 电磁阀驱动模块能耗优化改进设计
• 4.3 高电压电源功耗仿真优化
• 4.4 ECU 元器件峰值功耗仿真计算
• 4.4.1 高电压电源模块功率元器件最大平均功率仿真计算
• 4.4.2 电磁阀驱动模块元器件最大功率仿真计算
• 4.5 功率元器件散热系统设计
• 4.6 ECU 散热试验研究
• 4.6.1 散热测试方法
• 4.6.2 散热系统对比测试
• 4.7 本章小结
• 第五章 ECU 可靠性设计研究
• 5.1 可靠性设计概述
• 5.1.1 ECU 失效模式分析
• 5.1.2 ECU 可靠性设计方法
• 5.2 硬件故障自保护与诊断设计
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 数字系统自保护与自诊断
• 5.2.3 信号输入自保护与诊断设计
• 5.2.4 基于仿真的电磁阀驱动故障诊断仿真设计
• 5.2.5 离散输出控制诊断设计
• 5.3 ECU 硬件零部件可靠性设计
• 5.3.1 元器件级可靠性设计
• 5.3.2 电路板可靠性设计
• 5.3.3 机电结构可靠性设计
• 5.4 ECU 电磁兼容性设计改进
• 5.4.1 电磁兼容性设计概述
• 5.4.2 电磁阀驱动模块EMI 模型的建立
• 5.4.3 无EMI 措施电磁阀驱动电路特性
• 5.4.4 降低电磁阀驱动电路EMI 措施
• 5.4.5 电磁阀驱动EMI 优化后仿真特性
• 5.4.6 电磁阀驱动EMI 优化后试验结果
• 5.4.7 其它模块电磁兼容性设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 ECU 试验验证以及测试
• 6.1 ECU 环境适应性试验
• 6.1.1 试验方法以及工具
• 6.1.2 环境温度测试
• 6.1.3 湿度循环试验
• 6.1.4 淋水测试
• 6.1.5 机械应力试验
• 6.2 整车匹配试验研究
• 6.2.1 高寒整车测试
• 6.2.2 高原整车测试
• 6.2.3 高温整车测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 作者在攻读学位期间发表论文目录
• 参考文献