基于仿真的电控柴油机通用型ECU研究

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。