汽車電控單元的熱和電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、熱和電磁兼容是影響汽車電控單元可靠性的關(guān)鍵因素，如何建立電控單元的設(shè)計(jì)模型、熱優(yōu)化方法以及電磁兼容分析模型和分析方法，是汽車電控單元研究中的共性關(guān)鍵問(wèn)題。
　　根據(jù)汽車動(dòng)力混合化和新能源化趨勢(shì)，本文以混合動(dòng)力電控單元為對(duì)象開(kāi)展研究。通常，混合動(dòng)力汽車在動(dòng)力模式切換時(shí)，往往會(huì)存在動(dòng)力中斷、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、沖擊等問(wèn)題。本文通過(guò)綜合分析現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)的主流架構(gòu)，提出并研究開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力傳動(dòng)總成通用型HTCU（Hybrid Transm

2、ission Control Unit）三合一控制器方案。HTCU控制器除了具有HCU的控制功能，還具有對(duì)機(jī)電耦合傳動(dòng)裝置控制、動(dòng)力傳動(dòng)總成熱管理控制等功能，在瞬態(tài)協(xié)調(diào)控制時(shí)易于滿足實(shí)時(shí)性、同步性要求，從而可以較好地解決在混合動(dòng)力模式切換時(shí)造成的動(dòng)力中斷、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、換擋沖擊等問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合新能源汽車上的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，設(shè)計(jì)了高可靠性、抗強(qiáng)電磁干擾的電控單元功能電路。針對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)采樣一般采用電磁式或霍爾式傳感器，以及電磁式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)處

3、理中的難點(diǎn)和現(xiàn)有方法的不足，本文設(shè)計(jì)了不需要軟件參與、通用型的頻率信號(hào)幅值自調(diào)節(jié)采樣電路方案。為了進(jìn)一步提高電控單元的可靠性，在電控單元的系統(tǒng)容錯(cuò)性方面，研究并設(shè)計(jì)了電源閉環(huán)監(jiān)控方案、傳感器輸入信號(hào)的容錯(cuò)處理方案、執(zhí)行器輸出信號(hào)的診斷方案、主處理器的容錯(cuò)方案和CAN通信的容錯(cuò)方案。
　　在電控單元的熱設(shè)計(jì)方面，針對(duì)要求電控單元熱模型建立需要大量實(shí)驗(yàn)以及熱優(yōu)化設(shè)計(jì)易于遭遇維數(shù)災(zāi)難的問(wèn)題，建立了電控單元熱模型和基于DATASHEET參

4、數(shù)的元器件熱功耗模型，解決了熱模型中熱功耗參數(shù)難以獲取的問(wèn)題；通過(guò)熱模型研究影響電控單元熱特性的因素和規(guī)律。對(duì)電控單元的溫度影響較大的功率 MOSFET管，提出了分段線性熱功耗模型，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證所提出的功率MOSFET管熱功耗模型的準(zhǔn)確性；電控單元PCB印制板承擔(dān)著控制器大約80％的散熱任務(wù)，且影響因素較多，為了減小試驗(yàn)工作量，本文通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)（DOE）研究多種不同的PCB板構(gòu)造對(duì)降低電控單元工作溫度的主次要影響因素及影響程度，結(jié)

5、合試驗(yàn)結(jié)果推薦了最優(yōu)的汽車電控單元印制板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；通過(guò)優(yōu)化元器件布局來(lái)降低電控單元的工作溫度是一種非常經(jīng)濟(jì)的方法，但經(jīng)典的優(yōu)化算法對(duì)這種需要?jiǎng)澐旨?xì)密計(jì)算網(wǎng)格的優(yōu)化問(wèn)題會(huì)造成龐大的計(jì)算量和存儲(chǔ)空間，非常容易造成優(yōu)化的維數(shù)災(zāi)難問(wèn)題，本文提出基于動(dòng)態(tài)Q優(yōu)化算法來(lái)優(yōu)化印制PCB板上的元器件布局的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究表明：在環(huán)境溫度為26℃的情況下，基于該方法的元器件優(yōu)化布局可以進(jìn)一步降低印制板的最高工作溫度從優(yōu)化前的50.6℃降低到優(yōu)化后的41

6、.3℃，工作溫度的降低可以將電控單元上元器件的失效率從7.7%降低到3.7%，降低幅度52%，工作壽命也從優(yōu)化前的5.77年延長(zhǎng)到優(yōu)化后的9.56年，壽命延長(zhǎng)65.7%；并均衡了整板的溫差分布，整板溫度分布更加均勻，PCB板最大溫度差從優(yōu)化前的12.5℃減小到5.1℃，更進(jìn)一步減小了電控單元因熱應(yīng)力疲勞而出現(xiàn)故障的概率。在85℃極限高溫環(huán)境下，最高溫度從元器件布局優(yōu)化前的109.6℃降低到了優(yōu)化后的100.3℃，因溫度引起的元器件失效率

7、降低44%、壽命延長(zhǎng)49%。相對(duì)于原PCB板結(jié)構(gòu)和元器件布局，在室溫26℃時(shí)，失效率降低了86.4%、壽命延長(zhǎng)了2.9倍；在85℃極限高溫環(huán)境下，失效率降降低了77.4%、壽命延長(zhǎng)了1.68倍。
　　在電控單元的電磁兼容性研究方面，針對(duì)電控單元的輻射發(fā)射難以解決的問(wèn)題，建立了和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)相吻合的電控單元輻射騷擾測(cè)試仿真模型和抗輻射騷擾仿真模型，并通過(guò)和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了電磁輻射仿真模型和方法可以用于對(duì)電控單元按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的符合度，可