автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Микропроцессорная система коммутации и защиты бортовой сети автомобиля с использованием интеллектуальных ключей

На правах рукописи

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА КОММУТАЦИИ И ЗАЩИТЫ БОРТОВОЙ СЕТИ АВТОМОБИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ КЛЮЧЕЙ

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

2 4 ДПР 2014

005547435

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Электротехника и электрооборудование».

Научный руководитель Ютт Владимир Евсеевич,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО МАДИ, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование», г. Москва

Официальные оппоненты Гайтова Тамара Борисовна,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (МАМИ), заведующая кафедрой «Электротехника», г. Москва Клюкни Павел Николаевич,

кандидат технических наук, доцент, «Инжиниринговый научно-образовательный центр "СМАРТ", директор по развитию, г. Москва

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Федеральное государственное унитарное предприятие центральный ордена трудового красного знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», г.Москва

Защита состоится «3» июня 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»: http://www.madi.ru/135-uchenw-sovet-dissertacionnve-sovetv.html

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан « 4 » апреля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Ученый секретарь ,

диссертационного совета Д212.126.05, „ [)

кандидат технических наук, доцент „ ^ Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Повышение безопасности, а также комфорта водителя и пассажиров, наряду с улучшением топливной экономичности и экологических показателей, являются первостепенными задачами, на решение которых нацелены производители современных автотранспортных средств (АТС). Реализация перспективных технических решений в отношении указанных проблем, как правило, связана с усложнением конструкции, использованием новых устройств и агрегатов в бортовой сети автомобиля. Непрекращающийся рост числа потребителей электроэнергии приводит к нехватке мощности, ухудшению массогабаритных показателей электрической проводки автомобиля и перегрузкам по току. Для решения этих проблем возможны два варианта - это повышение напряжения бортовой сети и оптимизация потребляемой мощности существующих агрегатов и узлов.

Снизить потребляемую агрегатами АТС мощность возможно за счет правильной организации управления потребителями, данные работы активно ведутся ведущими производителями. Существует несколько способов сокращения энергопотребления. Первый способ -ограничить одновременное включение мощных потребителей электроэнергии, тем самым снизить пиковые значения тока. Второй способ состоит в замене механических агрегатов на электрические с микропроцессорным управлением. Последнее решение позволяет повысить энергоэффекгивность различных систем за счет оптимизации работы отдельных устройств.

Результаты многочисленных исследований, в том числе зарубежных, свидетельствуют о том, что доля ДТП по причине отказа в работе электрических и электронных систем на автомобилях со сроком эксплуатации 3-5 лет составляет 59,5 % из числа всех происшествий, связанных с отказом оборудования. Автомобиль является средством повышенной опасности, однако водитель, как правило, редко задумывается о надежности и безопасности всех узлов и систем по отдельности, доверяя этот вопрос производителю. В связи с этим повышение надежности электрических и электронных систем является одной из важных проблем для разработчиков современных

автомобилей. Одним из перспективных решений указанной проблемы можно считать оснащение коммутирующих элементов функциями самодиагностики, что, в свою очередь, обеспечивает возможность контроля состояния всех узлов и агрегатов на аппаратном уровне.

Система защиты и коммутации является одной из ключевых в АТС, поэтому решение указанных выше проблем актуально и востребовано. Работа направлена на решение проблем, связанных с увеличением надежности коммутационной и защитной аппаратуры бортовой сети АТС, в том числе рассчитанной на повышенное напряжение, а также интеллектуальным распределением энергии между потребителями и применением управляемых электроприводов.

Целью является разработка систем защиты и коммутации с различной степени интеграции для узлов и агрегатов в бортовой сети АТС.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

• создание методики выбора коммутационного элемента;

• разработка методики расчета потерь мощности в интеллектуальном силовом ключе с учетом особенностей широтно-импульсного (ШИМ) регулирования;

• разработка универсальной математической модели интеллектуального силового ключа (ИСК);

• расчет технико-экономического обоснования применения ИСК в бортовой сети современного АТС;

• разработка монтажного блока с ИСК на базе серийно выпускаемого, с реле и предохранителями для автомобиля МАЗ 4310;

• опытная оценка влияния интеллектуального управления на характеристики электродвигателя жидкостного насоса системы охлаждения ДВС.

Методы и методология исследований

При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода и электроники, теории автоматического управления и автомобиля. Расчетные исследования математической модели реализованы на базе

4

программного пакета предназначенного для автоматизации проектирования ОгСАР РЭрюе, которые были подтверждены экспериментальными данными в результате испытаний. Экспериментальные исследования проводились в современных лабораториях ОАО «АВАР», ОАО «ЗМЗ», ФГУП НИИАЭ, оснащенных современным измерительным оборудованием.

Научная новизна

1. Разработана методика расчета и выбора интеллектуальных силовых ключей, в качестве элементов бортовой сети автомобиля, позволяющая учитывать тип коммутируемой нагрузки, потери мощности и технико-экономические параметры. Методика отличается универсальностью, и охватывает весь цикл проектирования.

2. Разработан и экспериментально проверен макетный образец ИСК, интегрированный в корпус электромагнитного реле, позволяющий повысить надежность серийного монтажного блока.

3. Проведена опытная оценка работы электродвигателя жидкостного насоса с коммутатором при использовании ИСК совместно с микропроцессорным управлением, обеспечивающим снижение отбора мощности от ДВС и уменьшение расхода топлива.

4. Предложена математическая модель, предназначенная для оптимизации расчета потерь мощности в ИСК, для возможности моделирования различных режимов его работы и оценки эффективности в электрической схеме конечного устройства.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с расчетом и созданием бортовой сети перспективных автомобилей.

Предложенные алгоритмы и математические модели позволяют на аппаратно-программном уровне осуществлять расчет коммутационных элементов, и интеллектуальных систем управления.

5

Результаты работы использованы в ФГУП НИИАЭ, ОАО «АВАР», что подтверждено актами внедрения, а также в МАДИ в бортовой сети спортивного автомобиля "Adrenaline" класса Формула Студент, представленного на международных соревнованиях в Германии в 2007 году среди инженерных команд.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная методика выбора интеллектуальных ключей для коммутации светотехнической аппаратуры и электродвигателей, учитывающая расчет потерь мощности в ИСК, а также технико-экономическое обоснование.

2. Адаптированная математическая модель ИСК для системы защиты и коммутации автомобиля.

3. Конструкция электронного реле на базе интеллектуального ключа, интегрированная в корпус серийного электромагнитного реле.

4. Результаты комплексных исследований электронного коммутатора на базе ИСК для вентильно-индукгорного электродвигателя жидкостного насоса

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

1. Международных конструкторских соревнованиях Formula Student Germany. Германия, Хоккенхайм, 2007 г.;

2. 66-70 научно-методических и научно исследовательских конференциях МАДИ, МАДИ, Москва 2008-2012гг.;

3. 8-м Международном автомобильном научном форуме «Развитие национальной базы НИОКР», приз «Лучшая конструкторская разработка», полигон НАМИ, Дмитров, 2010 г.;

4. Международной 10-ой конференции «Дни науки», университет Лаузитц, г. Лаузитц, Германия, 2010 г.;

5. Международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Перспективы развития

автомобилей, развитие транспортных средств с альтернативными

энергоустановками». АВТОВАЗ, Тольятти, 2011 г.;

6. форуме «Актуальные проблемы машиноведения».

Государственное научное учреждение «Объединенный институт

машиностроения национальной академии наук Беларуси»,

Республика Беларусь, Минск, 2012 г.

Публикации

Основные положения и результаты исследований опубликованы в пяти печатных работах, в том числе три в изданиях, включенных в перечень рекомендованный ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 119 наименований и трёх актов внедрения. Общий объем работы 141 страница текста, в том числе рисунки, графики и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются:

• основные проблемы и недостатки коммутационной аппаратуры с применением электромагнитных реле и плавких предохранителей в традиционной бортовой сети с напряжением 12 или 24 В современных АТС;

• преимущества применения современных интеллектуальных силовых ключей и вариантов включения последних в электрическую сеть автомобиля;

• проблемы, возникающие при переводе части потребителей на повышенное напряжение в 42 В;

• преимущества применения децентрализованной бортовой

сети;

• варианты размещения и интеграции коммутирующих элементов в бортовой сети электрооборудования АТС.

7

Результаты проведенного анализа позволили сделать вывод о стремлении производителей современных АТС к повышению безопасности, комфортабельности, топливной экономичности и снижению загрязнения окружающей среды. Указанные цели, главным образом, достигаются за счет применения новых систем электрооборудования и электроники на транспортном средстве. Как следствие - повышение суммарной потребляемой мощности, ухудшение массогабаритных показателей систем электрооборудования, увеличение общего числа проводов и токовых нагрузок в бортовой сети автомобиля, что, в конечном итоге, негативно отражается на надежности систем защиты и коммутации автомобиля.

На первоначальном этапе снизить общую мощность электрооборудования возможно за счет использования электроприводов с электронным регулированием, а также интеллектуальной организации работы потребителей, в том числе посредством ограничения на программном уровне режимов с одновременным включением мощных устройств.

Следующий этап - перевод части мощных потребителей на повышенное напряжение 42 или 48В, которое позволит снизить токовые нагрузки, применять дополнительные электрические и электронные системы, уменьшить сечение проводов и потери.

При увеличении напряжения появляются следующие проблемы, которые требуют решения:

• повышенные риски возникновения коротких замыканий в контактах коммутирующих элементов из-за большего, чем в сети 12 В, электрического поля;

• дугообразование в электромеханических реле, которое может привести к пожару на АТС.

Решением обозначенных выше проблем является применение бесконтактных интеллектуальных силовых ключей. В главе проведен детальный анализ технико-экономических показателей ИСК, рассмотрены варианты применения последних в бортовой сети современного автомобиля. Представлена сравнительная оценка показателей плавких предохранителей и электромагнитных реле относительно ИСК (см. рисунок 1).

Интеллектуальный силовой ключ представляет собой, объединенные на одной микросхеме, МОП-транзистор с различными логиками защит, в том числе от короткого замыкания, перегрева, перенапряжения, переполюсовки, импульсных бросков тока и т.п. (набор логик может отличаться в зависимости от типа, модели и производителя ИСК).

25 г.

2,3Вт

0,8Вт

100 ррт

<10 ррт

Масса

Потери

Число отказов на 1 млн.

□ реле и плавкий предохранитель

И интеллектуальный ключ

Рисунок 1. Показатели интеллектуального силового ключа и электромагнитного реле с плавким предохранителем

Во второй главе рассмотрена методика выбора интеллектуальных силовых ключей под конкретные прикладные задачи с учетом конструктивно-технологических особенностей конечных изделий. Были сформулированы технические требования к ИСК с учетом условий эксплуатации АТС.

Разработана универсальная методика расчета и выбора ИСК для АТС с номинальными значениями напряжения бортовой сети 12, 24, 36 и 48В, учитывающая особенности коммутации световых приборов и электроприводов.

Методика включает в себя несколько этапов;

1. Определение топологии цепи проектируемого изделия.

На этом этапе определяется топология цепи, и выбираются выходные ключи для схемы по пиковым значениям рабочего тока,

напряжения и коммутируемой мощности. При этом рабочий ток 1р. определяется согласно выражению:

где иЬь - напряжение питания для ключа;к =±6% - коэффициент допуска; 1„ом - номинальный ток; ир -номинальное напряжение.

Максимальный номинальный ток - 1ном_мах, определяются по формуле:

^ном.мах = Аюм * + (2)

Для ламп накаливания и индуктивных нагрузок необходимо учитывать, что при включении происходит кратковременный бросок тока, поэтому следует подбирать коммутационные элементы с запасом по току, чтобы избежать срабатывания защитных функций.

ИСК позволяет реализовать включение потребителей, используя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) регулирования напряжения питания. Включение нагрузки происходит плавно, тем самым улучшаются условия её работы. При этом у электронного ключа, снижается температура разогрева кремниевого кристалла. Следует отметить, что недостатком ШИМ-режима является возникновение потерь на переключения, которые следует учитывать при проектировании.

2. Выбор ИСК и расчёт потерь мощности.

На данном этапе производится сравнительный анализ номенклатуры выпускаемых ИСК по совокупности технических показателей и выбирается несколько близких аналогов. Далее для выбранных элементов рассчитываются уровень статических, динамических и полных потерь мощности каждого. Определение общих потерь Рсп на основе временных диаграммам мгновенных значений рабочего тока 1 и напряжения и, при этом учитываются период 1пер и частота переключения ^ер= 1Лг,ер.

Потери мощности описываются уравнением:

^сп ^эп ^пер ^у ~ ^эп ^пер»

где Рэп - потери на электропроводность диэлектрика; Рпер - потери на переключение; Ру - потери на утечки тока (обычно незначительны и ими можно пренебречь).

Для МОП - транзистора потери мощности на электропроводность диэлектрика РЭПт:

^эпт ^си_вкл * ^срт1

Для встроенного диода потери мощности на электропроводность диэлектрика Рэпд:

^эпд = ид0 * 1д + Яд * ¡срд, (5)

где 1срт - среднеквадратичный ток в открытом состоянии МОП -транзистора; 1срд - среднеквадратичный ток в открытом состоянии диода; Яси_вкл- сопротивление сток-исток транзистора в открытом состоянии; Яд - сопротивление диода в открытом состоянии;ид0- мгновенное напряжение на диоде; 1Д- ток в диоде.

Потери мощности в МОП - транзисторе на переключение - Рпер, определяются по формуле:

Рпер-(Еекл+Евыкл) ^пер, (6)

где Евкл - энергия, затраченная на включение; ЕВЫ|Ш - энергия, затрачиваемая на выключение.

При расчете мощности потерь при переключении ИСК особенно в ШИМ-режиме, ключевую роль играет сопротивление канала в открытом состоянии Яном при номинальном напряжении питания 1)ьь:

Рно м*(1+3^) Чином

где Рном - номинальная мощность.

Расчёт потерь с учётом времени перехода ключа в открытое и закрытое состояния:

Рц]ИМ_мах_время = Упер * ^оптах

+ Рпер * 1оГ/тах) * /шИМ. (8)

где ^им - частота ШИМ, ^„тах- максимальное время включения, ^тах -максимальное время выключения.

Расчёт постоянной составляющей потерь - Рос тах:

РОС_тах = 1ном * * (9)

где кмн - коэффициент максимальной нагрузки, обычно около 80%. Расчёт общих потерь на один канал:

?ШИМ - Ршим_тах + РоС_тах- (Ю)

Вычисления по данной методике достаточно трудоёмки, поэтому для регистрации временных диаграмм в критичных точках схемы и последующего расчета полных мощностных потерь ИСК целесообразно применять компьютерное моделирование. В работе для данной задачи была разработана математическая модель, которая описана в 3-й главе.

3. Определение необходимых дополнительных функций и защит

ИСК.

Производитель ИСК оснащают устройства различным набором защитных функций, исходя из топологии цепи, необходимо определить необходимый набор.

4. Заключительным этапом является сравнительный анализ аналогов по критерию «цена-качество».

Конкурентоспособность конечного устройства, в котором применены ИСК, определяется показателем

«эффективность/стоимость». В случае ИСК для каждого конкретного применения набор оценочных параметров меняется, в общем виде следует оценивать функциональные показатели и стоимость.

В рамках диссертационной работы произведен адаптированный расчет интегрального коэффициента качества, методом профилей, для технико-экономического обоснования использования ИСК вместо электромагнитных реле и предохранителей. Суть метода заключается в том, что чем больше площадь профиля, тем качество объекта выше. Для этого оценочное поле делится на равные (п-1) части, где п -число оцениваемых параметров. Ширина поля выбирается произвольно. Каждый параметр объекта откладывается на делительной шкале, ц чем значение показателя лучше, тем правее оно располагается на делительной шкале.

Профиль позволяет наглядно представить разнохарактерные показатели качества изделия на одном оценочном поле и объединить их в интегральный показатель. Интегральный коэффициент качества К изделия определяется как отношение площадей профиля 5пр и оценочного прямоугольного поля 5:

К = 5лр/5 . (11)

В таблице на рисунке 2представлены оцениваемые параметры, составленные для сравнения качества ИСК и электромеханических реле и плавких предохранителей, в отношении которых были рассчитаны и построены профили, представленные на рисунке 2 справа.

Стоимость

Габарпш

Скорость шшави

Скорость срабашааиия

ЩШ КОрОГКОЛ! ЧЙЦ&ШЦЩИ

Ограничение тока

балл

Необхшщмосхь замены при сря&т>шнпщ з»щты

балл

Возможность применения ШИМ

Возможность ИСПРДЬЗОЙЙШаШ сеш 42 В

Диагностически^: фушщии

Истшаовагшя активных материален

Масса

Зашита о г перенапряжешш

балл

балл

Г«'1ЛА

балл

Иитеялеюуальиый силовой тюч

20 20 0,5 10 1

0,05 О 0 0 0 0 о

Электромагнитное реле и плавкий предохранитель

ШИР1^

]

_^ н

|р—^

............................................................-.1

0 о о о о

0

1 1 10 1 10

Рисунок. 2 Профиль интегрального коэффициента качества для электромагнитного реле с плавким предохранителем и ИСК

Из представленных на рисунке.2 данных видно, что при применении ИСК в АТС качественные показатели значительно повышаются, это говорит о целесообразности их применения, несмотря на более высокую стоимость конечного изделия, однако тенденции мировых производителей коммутационной аппаратуры к интегрированию в одном корпусе нескольких элементов позволяют снижать конечную стоимость изделий.

В третьей главе рассматривается математическая модель, предназначенная для расчета потерь, а также для возможности моделирования различных режимов ИСК и оценки его влияния при работе в электрической схеме конечного устройства.

Задачи, решаемые с помощью предложенной модели на этапе проектирования:

•проверка работоспособности электрической цепи и оптимизация режимов её работы;

•прогнозирование характеристик цепи при различных режимах работы и использовании компонентов-аналогов;

• расчет статистических и динамических характеристик цепи при известных характеристиках МОП-транзистора.

Составленная математическая модель универсальна и применима к описанию широкого диапазона характеристик ИСК, отвечающих функциональным требованиям к автомобильному

электрооборудованию.

Для проведения расчетных исследований и математического моделирования была составлена схема замещения МОП-транзистора ИСК, определяющая его статические и динамические характеристики (рисунок 3):

Рисунок 3. Схема замещения МОП-транзистора ИСК

В математическую модель заложены следующие основные физические зависимости, определяющие рабочие характеристики ИСК

14

на основе МОП-транзисторов, конечные формулы, для вычисления которых приведены ниже.

Ток МОП-транзистора - Imos описывается с помощью регулируемого источника тока Gch в схеме замещения и следующего аналитического выражения:

, w

lMos=P*Cox* — *fv, (12)

где (j - подвижность носителя заряда; С'ох - емкость на единицу поверхности; W- ширина затвора; LCh - длинна канала.

Сопротивление ключа в открытом состоянии - Rds(on) определяется с помощью постоянных сопротивлений и температуры:

RMOS = Rl +

где TRef- (300 К) базовая температура окружающей среды;

Tj - температура перехода полупроводника.

Сопротивление канала в открытом состоянии, для использования в математической модели, может быть представлено как регулируемый источник тока, и описывается уравнением:

Grmos-~W (14)

где U(d1,d) -напряжение между узлами d и d1 (рисунокЗ).

В общем виде уравнение для полной эквивалентной емкости Ceq имеет вид:

г _ а<?с _ г тих)1 мк.

Ce4=Wx~Co У1'

где Qc - заряд конденсатора;

Ux -напряжение сток-исток, затвор - исток или сток -затвор, в зависимости от искомого параметра.

Для адекватной математической модели интеллектуального ключа необходимо составить уравнения для описания встроенного диода, важны такие эквивалентные параметры как: ток диода lD, ток насыщения диода ls(Tj), сопротивление диода и пробивное напряжение диода Vbd-

Ток встроенного диода lD определяется по формуле:

■ I ехр

Ч*Цдз ' к.т, .

-4

(16)

где р- элементарный заряд; - напряжение сток-исток; к - константа Больцмана.

Схема замещения встроенного диода, учитывающая данное выражение представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема замещения встроенного диода

Ток насыщения при обратном смещении - 1з(Т;) выражается уравнением:

1<Т,)= 18о* ехр [1,12

. (Т|—Ткер) я * -* ■-

(17)

где 1э0 - ток насыщения при ^ = Тр^.

Сопротивление диода зависит от температуры и описывается следующим уравнением:

где РЧр - паразитное сопротивление стока.

Аналогично сопротивлению транзистора, сопротивление диода может быть представлено как регулируемый источник тока - С0 по следующей формуле:

(19)

Пробивное напряжение устройства - иВо, зависит от температуры и описывается уравнением:

иВП = иЬг + 6ва*(Т,-ТКЕР), (20)

где иЬг - независимый от температуры компонент падения напряжения;бвк - температурный коэффициент пробивного напряжения (всегда положительный).

Работоспособность математической модели была апробирована в пакете компьютерного моделирования электронных схем и компонентов ОгСАР РБрюе.

Используя представленные уравнения, возможно, составить математическую модель коммутирующего элемента любого ИСК, что способствует точности проектирования.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований.

Первым этапом проведения исследований была замена реле и плавких предохранителей непосредственно в серийном монтажном блоке на ИСК для повышения надёжности коммутационной аппаратуры и проверка его работоспособности.

Для проверки технических решений за основу был взят монтажный блок 23.3777М разработки ОАО «АВАР», предназначенный для коммутации изделий электрооборудования на грузовых автомобилях РУП МАЗ. Большинство штатных электромеханических реле были заменены на ИСК (кроме тех, замена которых нецелесообразна по экономическим соображениям). Для решения этой задачи был изготовлен макетный образец - интеллектуального силового ключа, интегрированного в корпус электромагнитного реле 905.3747.10. Замена реле и плавких предохранителей непосредственно в существующем монтажном блоке на ИСК позволяет при минимальных затратах повысить надежность системы коммутации. На рисунке 5 показана схема включения ИСК в монтажный блок.

Рисунок. 5 Схема включения ИСК в серийный монтажный блок

|

При проектировании опытных образцов соблюдены следующие условия:

• габаритные размеры образцов приняты не больше применяемых в блоке 23.3777М;

• присоединительные штыревые колодки должны быть сохранены как по размерам, так и по назначению.

Данные условия были успешно выполнены и монтажный блок проверен на работоспособность в лабораторных условиях ФГУП НИИАЭ в соответствии с требованиями ГОСТ и стандартов для бортовой сети 42 В. Также макетный образец был проверен на автомобиле МАЗ 4310 путём замены серийных штатных блоков реле и предохранителей на изготовленные макетные образцы с ИСК. После замены все системы электрооборудования автомобиля сохранили первоначальную работоспособность и функциональность.

Вторая часть экспериментальных исследований была посвящена применению ИСК в коммутаторе электродвигателя жидкостного насоса ДВС с микропроцессорным управлением с целью оптимизации энергетических параметров и снижению отбираемой мощности от ДВС на высоких частотах вращения.

Опытный образец электрического насоса с автоматическим регулированием производительности предназначен для обеспечения

18

циркуляции рабочей жидкости в системе охлаждения двигателя ЗМЗ-409.10.

Автоматическое регулирование производительности (частоты вращения) электронасоса осуществлялось контроллером по сигналу, поступающему из блока управления (БУ) двигателем. Который, после получения и обработки сигнала от датчиков, установленных на двигателе в соответствии с алгоритмом, реализованным в формате программного обеспечения (ПО) и записанному в память БУ, выдает сигнал управления контроллеру по САЫ - шине или в виде ШИМ-регулируемого сигнала.

Цель проведенных испытаний - сравнить характеристики жидкостных насосов с механическим приводом и электрическим с блоком управления с использованием ИСК. Испытания были проведены на безмоторной установке завода ОАО «ЗМЗ».

По полученным результатам построены характеристики электрического насоса и серийного 5143с механическим приводом, которые представлены на рисунках 6 и 7 (1,2- серийный насос 5143 при 1= 30 °С и 1= 95 °С соответственно, 3,4-электрический насос с электронным управлением при 4= 30 °С и £= 95 °С соответственно)

а

•ю-4

30 25 20 15 10

5

О

О 1000 2000 3000 4000 5000 п, мин'1

Рисунок. 6. Сравнительные характеристики производительности механического и электрического насосов в зависимости от частоты

вращения ДВС

Р, Вт 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

О 1000 2000 3000 4000 5000 п, мин"»

Рисунок. 7. Сравнительные характеристики выходной мощности механического и электрического (с учётом КПД генераторной установки и аккумуляторной батареи (АБ)) насосов в зависимости от частоты

вращения ДВС

Из представленных графиков видно, что при реализации электронного управления значительно уменьшается потребляемая мощность. Реализация обратной связи ИСК с микроконтроллером обеспечивает точное регулирование производительности в соответствии с потребностями в охлаждении ДВС (рисунок 7). При сравнении работы насосов при частоте 3000 мин"1 и температуре охлаждающей жидкости 95°С, потребляемая мощность для управляемого электрического насоса в 3 раза меньше, чем с механическим приводом (рисунок 6).

Из представленных характеристик следует, что разработка агрегатов автомобиля основанных на бесконтактных электродвигателях с интегрированным контроллером управления с применением ИСК позволяет оптимизировать их расходные и энергетические характеристики за счет индивидуального управления, что в конечном итоге, приводит к уменьшению расхода топлива ДВС.

Целесообразность применения ИСК в контроллерах управления обусловлена возможностью реализации диагностической обратной

связи с центральным микроконтроллером, что не возможно при применении транзисторного управления. Опираясь на состояние ИСК, возможно в каждый момент времени контролировать работу устройства, сдвигать время включения относительно других агрегатов и повысить безопасность за счет информации об отказе.

Основные результаты и выводы по работе:

1. Разработана методика расчета потерь мощности в интеллектуальном силовом ключе с учетом особенностей ШИМ регулирования, обеспечивающая наиболее точный выбор ИСК, и учитывающая особенности их эксплуатации на АТС.

2. Разработана математическая модель ИСК позволяющая, рассчитывать параметры при различных режимах работы, кроме того возможно спрогнозировать поведение конечного устройства. Представленная математическая модель отличается универсальностью и применима к широкому диапазону изделий ИСК.

3. Анализ методом интегрального коэффициента качества показал, что, несмотря на незначительное увеличение цены ИСК, в системах требующих повышенного функционала и надежности его применение более целесообразно, чем электромагнитных реле и плавких предохранителей.

4. В соответствии с разработанной методикой и математической моделью создан макетный образец ИСК, интегрированный в корпус серийного электромагнитного реле, без внесения конструктивных изменений в монтажный блок, который успешно прошел испытания в лабораторных условиях и на автомобиле.

5. Экспериментальные исследования электропривода жидкостного насоса с интеллектуальным управлением показали, что по сравнению с механическим приводом при частоте вращения ДВС 3000 мин"1 и температуре охлаждающей жидкости 95°С, потребляемая мощность сократилась в 3 раза.

6. Экспериментально подтверждено, что применение ИСК в системе управления электроприводом позволяет реализовать диагностические и защитные функции, что в свою очередь повышает надежность электрооборудования АТС.

7. Анализ показал, что применение ИСК в бортовой сети с повышенным напряжением 42 или 48 В решает проблему дугообразования в контактах при коммутации,

Публикации по теме диссертации:

Работы, опубликованные в научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Арутюнова Л. С. Интеллектуальные ключи нижнего уровня для автомобильного применения. / Арутюнова Л.С., Ютт В. Е., Феофанов С.А. // Электроника и электрооборудование транспорта - 2010. -№1,-С. 19-22.

2. Феофанова Л.С. Методика расчета статических потерь в МОП-транзисторе интеллектуального ключа / Феофанова Л.С., Мороз С.М., Лазарев Д.Б. // Современные проблемы науки и образования. - 2014 -№1. URL:http://www.science-education.ru/115-12002

3. Феофанова Л.С. Разработка алгоритмов работы электрического дифференциала с микропроцессорным управлением с использованием интеллектуальных ключей / Феофанова Л.С., Голубчик Т.В., Насибулов И. Р., Феофанов С. А, Лазарев Д. Б. // Современные проблемы науки и образования. -2014 - №2. URL: http://www.science-education.ru/116-12366

В прочих изданиях:

4. Феофанова Л.С. Применение вентильно-индукгорных электродвигателей с самоподмагничиванием для управляемых электроприводов автотранспортных средств / Феофанова Л.С., Панарин А.Н., Гришин A.C. //Сборник научных трудов «Актуальные вопросы машиноведения» - 2012. С. 241-244

5. Феофанова Л.С. Использование интеллектуальных ключей на автомобилях класса Формула Гибрид и Формула Студент/ Сборник докладов «70-й научно-методической и научно исследовательской конференции МАДИ, секция Международные студенческие проекты» -2012. -С. 5-6

Феофанова Лариса Сергеевна Микропроцессорная система коммутации и защиты бортовой сети автомобиля с использованием интеллектуальных ключей Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Подписано в печать: 03.04.14 Тираж: 100 экз. Заказ № 1093 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

УДК 621.3.06 На правах рукописи

04201457767

Феофанова Лариса Сергеевна

Микропроцессорная система коммутации и защиты бортовой сети автомобиля с использованием интеллектуальных ключей

(Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ютт В. Е.

МОСКВА 2014

Оглавление:

Список принятых сокращений...............................................................................4

Перечень условных обозначений..........................................................................5

1.Анализ проблем и тенденций развития системы защиты и коммутации в современной бортовой сети автомобиля............................................................11

1.1 Технические проблемы в системе защиты и коммутации с номинальным напряжением бортовой сети 12 В и 24 В...................................11

1.2.Проблемы коммутационной аппаратуры при повышении номинального напряжения в бортовой сети автомобиля...........................................................13

1.3. Коммутирующие элементы в децентрализованной бортовой сети......16

1.4 Анализ преимуществ применения современных интеллектуальных силовых ключей.....................................................................................................32

1.5 Анализ вариантов включения ИСК в электрическую сеть автомобиля 41

2. Обобщённая методика выбора интеллектуальных ключей для коммутации систем электрооборудования автомобилей........................................................53

2.1. Определение топологии цепи проектируемого изделия.......................53

2.2.Сравнение ИСК по статическим и динамическим техническим параметрам.............................................................................................................54

2.3. Определение необходимых дополнительных функций и защит ИСК. 68

2.4. Методика технико-экономического сравнения......................................68

3. Математическая модель ИСК..........................................................................75

4. Экспериментальные исследования систем коммутации и защиты с использованием интеллектуальных ключей......................................................95

4.1 Разработка и исследование конструкции электронного реле на базе интеллектуальных ключей...................................................................................95

4.2 Экспериментальных исследования управляемого электропривода жидкостного насоса с интегрированным коммутатором с

микропроцессорным управлением....................................................................103

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...............................................115

Используемые источники информации............................................................116

Приложение 1. Сравнительный расчёт потерь для ИСК и электромагнитных

реле с предохранителями...................................................................................124

Приложение 2. Технико-экономическая оценка применения ИСК вместо

электромагнитных реле и предохранителей.....................................................134

Приложение 3 Акт внедрения завода ОАО «АВАР»......................................139

Приложение 4. Акт внедрения ФГУП НИИАЭ...............................................140

Приложение 5. Акт внедрения МАДИ..............................................................141

Список принятых сокращений

АТС - автотранспортное средство

ВИД - вентильно-индукторный электродвигатель

ИСК - интеллектуальный силовой ключ

КВУ - ключ верхнего уровня

МК - микроконтроллер

МОП —металл-оксид-проводник

ОБР - область безопасной работы

ПК - персональный компьютер

РТС - резистивная температурная саморегуляция

СГУ - стартер-генераторная установка

ТЭП - технико-экономический показатель

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЦПУ - цифро-аналоговый преобразователь

ЭДПТ - электродвигатель постоянного тока

ЭМС - электромагнитная совместимость

УЭП - управляемый электропривод

SPI - Serial peripheral interface - последовательный интерфейс для устройств переферии

SPOC - serial peripheral Power Controller

Перечень условных обозначений

Сох - ёмкость оксида затвора;

|1 - подвижность носителей заряда;

XV- ширина затвора;

Ьсь - длинна канала;

^ - частота в рабочей области;

Т| - температура перехода;

С>с - заряд конденсатора;

и* - напряжение сток-исток;

к -постоянная Больцмана;

ц — элементарный заряд;

Яр- паразитное сопротивление стока;

иВо - падение напряжения;

11ьг -падения напряжения зависящее от температуры диода; 5вя -температурный коэффициент падения напряжения.

Введение

Повышение безопасности, а также комфорта водителя и пассажиров, наряду с улучшением топливной экономичности и экологических показателей, являются первостепенными задачами, на решение которых нацелены производители современных автотранспортных средств (АТС). Реализация перспективных технических решений в отношении указанных проблем, как правило, связана с усложнением конструкции, использованием новых устройств и агрегатов в бортовой сети автомобиля. Непрекращающийся рост числа потребителей электроэнергии приводит к нехватке мощности, ухудшению массогабаритных показателей электрической проводки автомобиля и перегрузкам по току. Для решения этих проблем возможны два варианта - это повышение напряжения бортовой сети и оптимизация потребляемой мощности существующих агрегатов и узлов [15].

Снизить потребляемую агрегатами АТС мощность возможно за счёт правильной организации управления потребителями, данные работы активно ведутся ведущими производителями. Существует несколько способов сокращения энергопотребления. Первый способ - ограничить одновременное включение мощных потребителей электроэнергии, тем самым снизить пиковые значения тока. Второй способ состоит в замене механических агрегатов на электрические с микропроцессорным управлением. Последнее решение позволяет повысить энергоэффективность различных систем за счёт оптимизации работы отдельных устройств [29, 30].

Результаты многочисленных исследований, в том числе зарубежных, свидетельствуют о том, что доля ДТП по причине отказа в работе электрических и электронных систем на автомобилях со сроком эксплуатации 3-5 лет составляет 59,5 % из числа всех происшествий, связанных с отказом оборудования [32]. Автомобиль является средством повышенной опасности, однако водитель, как правило, редко задумывается о надёжности и безопасности всех узлов и систем по отдельности, доверяя этот

вопрос производителю. В связи с этим повышение надёжности электрических и электронных систем является одной из важных проблем для разработчиков современных автомобилей. Одним из перспективных решений указанной проблемы можно считать оснащение коммутирующих элементов функциями самодиагностики, что, в свою очередь, обеспечивает возможность контроля состояния всех узлов и агрегатов на аппаратном уровне.

Система защиты и коммутации является одной из ключевых в АТС, поэтому решение указанных выше проблем актуально и востребовано. Работа направлена на решение проблем, связанных с увеличением надёжности коммутационной и защитной аппаратуры бортовой сети АТС, в том числе рассчитанной на повышенное напряжение, а также интеллектуальным распределением энергии между потребителями и применением управляемых электроприводов.

Целью работы является разработка систем защиты и коммутации с различной степенью интеграции для узлов и агрегатов в бортовой сети АТС.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

• создание методики выбора коммутационного элемента;

• разработка методики расчёта потерь мощности в интеллектуальном силовом ключе с учётом особенностей широтно-импульсного (ШИМ) регулирования;

• разработка универсальной математической модели интеллектуального силового ключа (ИСК);

• расчёт технико-экономического обоснования применения ИСК в бортовой сети современного АТС;

• разработка монтажного блока с ИСК на базе серийно выпускаемого, с реле и предохранителями для автомобиля МАЗ-437141;

• опытная оценка влияния интеллектуального управления на характеристики электродвигателя жидкостного насоса системы охлаждения ДВС.

Методы и методология исследований

При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода и электроники, теории автоматического управления и автомобиля. Расчётные исследования математической модели реализованы на базе программного пакета предназначенного для автоматизации проектирования ОгСАГ) РБрюе, которые были подтверждены экспериментальными данными в результате испытаний. Экспериментальные исследования проводились в современных лабораториях ОАО «АВАР» (г. Псков), ОАО «ЗМЗ» (г. Заволжье), ФГУП НИИАЭ (г. Москва), оснащённых современным измерительным оборудованием.

Научная новизна

Разработана методика расчёта и выбора интеллектуальных силовых ключей, в качестве элементов бортовой сети автомобиля, позволяющая учитывать тип коммутируемой нагрузки, потери мощности и технико-экономические параметры. Методика отличается универсальностью, и охватывает весь цикл проектирования.

1. Разработана универсальная методика расчета и выбора интеллектуальных силовых ключей, в качестве элементов бортовой сети автомобиля, позволяющая учитывать тип коммутируемой нагрузки, потери мощности и технико-экономические параметры.

2. Разработан подход к интеграции ИСК в корпус электромагнитного реле для применения в серийном монтажном блоке с целью повышения его надежности.

3. Разработан новый метод микропроцессорного управления приводом жидкостного насоса с коммутатором при использовании ИСК,

обеспечивающим снижение отбора мощности от ДВС и уменьшение расхода топлива.

4. Предложена математическая модель, предназначенная для оптимизации расчета потерь мощности в ИСК, для возможности моделирования различных режимов его работы и оценки эффективности в электрической схеме конечного устройства.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с расчётом и созданием бортовой сети перспективных автомобилей.

Предложенные алгоритмы и математические модели позволяют на аппаратно-программном уровне осуществлять расчёт коммутационных элементов, и интеллектуальных систем управления.

Результаты работы использованы в ФГУП НИИАЭ, ОАО «АВАР», что подтверждено актами внедрения, а также в МАДИ в бортовой сети спортивного автомобиля "Adrenaline" класса Формула Студент, представленного на международных соревнованиях в Германии в 2007 году среди инженерных команд.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщённая методика выбора интеллектуальных ключей для коммутации светотехнической аппаратуры и электродвигателей, учитывающая расчёт потерь мощности в ИСК, а также технико-экономическое обоснование.

2. Адаптированная математическая модель ИСК для системы защиты и коммутации автомобиля.

3. Конструкция электронного реле на базе интеллектуального ключа, интегрированная в корпус серийного электромагнитного реле.

4. Результаты комплексных исследований электронного коммутатора на базе ИСК для вентильно-индукторного электродвигателя жидкостного насоса.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

1. Международных конструкторских соревнованиях Formula Student Germany. Германия, Хоккенхайм, 2007 г.;

2. 66-70 Научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва 2008-2012гг.;

3. 8-м Международном автомобильном научном форуме «Развитие национальной базы НИОКР», приз «Лучшая конструкторская разработка», полигон НАМИ, г. Дмитров, 2010 г.;

4. Международной 10-ой конференции «Дни науки», университет Лаузитц, г. Лаузитц, Германия, 2010 г.;

5. Международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Перспективы развития автомобилей, развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками». ОАО «АВТОВАЗ», г. Тольятти, 2011 г.;

6. Форуме «Актуальные проблемы машиноведения». Государственное научное учреждение «Объединённый институт машиностроения национальной академии наук Беларуси», Республика Беларусь, г. Минск, 2012 г.

Публикации

Основные положения и результаты исследований опубликованы в пяти печатных работах, в том числе три в изданиях, включённых в перечень, рекомендованный ВАК.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 119 наименований. Содержит 141 страницу текста, в том числе рисунки, графики и таблицы.

1. Анализ проблем и тенденций развития системы защиты и коммутации в современной бортовой сети автомобиля

Производители современных автомобильных транспортных средств (АТС), стремятся к повышению безопасности, комфортабельности, топливной экономичности и снижению загрязнения окружающей среды. Это связано не только с конкуренцией на рынке АТС, но с ужесточающимися требованиями по нормам токсичности, выдвигаемыми Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН) с целью уменьшения наносимого вреда окружающей среде. На данный момент в Российской Федерации для легковых автомобилей действуют экологические нормы ЕВРО 5, а в Европе с сентября 2014 года планируют уже вводить требования ЕВРО 6 [37, 79].

Ужесточающиеся требования к токсичности АТС, стимулируют активное развитие технологий во всех областях его конструкции. Основными факторами, обеспечивающими выполнение указанных требований, является переход с механических, гидравлических, пневматических устройств и агрегатов автомобилей на электронные и электромеханические системы с микропроцессорным управлением. Подобные агрегаты позволяют исключить избыточный расход мощности, за счёт интеллектуального управления [46].

1.1 Технические проблемы в системе защиты и коммутации с номинальным напряжением бортовой сети 12 В и 24 В

На современных отечественных АТС дистанционная коммутация осуществляется при помощи электромагнитных реле [17]. Защиты от перегрузки по току осуществляется плавкими предохранителями, так как Ампер-секундные характеристики, максимально приближены к свойствам проводов. Основные достоинства данной схемы - простота конструкции и низкая стоимость. [24].

Ко всей коммутационной аппаратуре в современном автомобиле, предъявляются повышенные требования. Плавкая вставка предохранителя не

должна расплавляться в течение 30 мин. при силе тока в 1,5 раза превышающей номинальную, и должна разрывать электрическую цепь не более чем за 10 секунд при силе тока, в 3 раза превышающей номинальную. [2,12].

Малогабаритный плавкий предохранитель должен срабатывать при двукратном превышении силы тока не более чем за 5 сек. Термобиметаллические предохранители при нормальных температурных условиях и силе тока в 2,5 раза превышающей номинальный, срабатывают не более чем за 25 сек. [2,10].

Для удобства обслуживания плавкие предохранители и реле размещаются в монтажном блоке. С точки зрения эксплуатации это имеет свои преимущества, но для производителя это дополнительные затраты (проектирование и изготовление корпуса, подвод к ней жгутов проводов от всех систем, а следовательно избыточное увеличение их длины), что в конечном счёте приводит к повышению конечной стоимости для покупателя. Основные компоненты системы защиты и коммутации также обладают рядом недостатков. Так, зависимость сопротивления плавкой вставки предохранителей от температуры окружающей среды ведёт к тому, что их сечение делается несколько больше, чем необходимо для защиты нагрузки. Поэтому при низких температурах короткое замыкание, может вызвать большие скачки тока, которые могут привести к выходу системы из строя. В дополнение, применяемые сейчас на автомобилях электромеханические реле обладают следующими недостатками [14]:

• большие погрешности по току (1±10%);

• необходимость завышения коэффициента надёжности (Кн=1,3 ... 1,4);

• низкий коэффициент возврата (Кв=0,3 ...0,7);

• большие погрешности в выдержках времени (±0,3 ... 0,5 сек).

Таким образом, использование дистанционной схемы коммутации и защиты имеет ряд существенных недостатков [59]:

• контакты реле подвержены механическому износу и коррозии с течением времени, что требует-дополнительных аппаратных средств ■ для диагностики состояния контактов и их защиты;

• с помощью реле невозможно реализовать алгоритмы управления на базе широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

• отсутствуют возможности реализации обратной связи с микроконтроллером (МК) и диагностики отказа коммутируемой нагрузки;

• потери мощности в реле, относительно всей системы, достаточно велики;

• конструкция реле имеет квази-скачкообразные характеристики управления, и поэтому срабатывают не мгновенно, а с определённой временной задержкой по отношению к управляющему сигналу;

• низкая электромагнитная совместимость при замыкании и размыкании контактов;

• относительно большие массогабаритные показатели.

В связи с указанны