汽车电动燃油泵控制模块的开发

1、设计研究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岀了新的硬件方案，兼顾了成本、? 18?上海汽车 2009110F94-20 ES China 人3血:皿匸 J-uurriEi ESliiclriMiic Publiyiiing ll-o-use. AllreiDCil. hUpw ww-tnki .til设计研究无冋油油恤器聲-V 沥制 牝压用控,收稿日期：2009 - 08 - 14散热和小尺寸的要求，并可应用于其他汽

2、车电机控制 。【主题词】电动燃油泵电子模块汽车0前言 聲一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

3、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

4、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 X28 mm,考虑到油耗和电机驱动要求系统的总

5、功耗要小于5 W,能实现多种对电机的诊断功能 。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FWM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PD调节决

6、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。油箱4电剤燃油泵图2燃油压力传感器信号反馈控制框图PID调节占空比因察控制疏冲模块*制始泪压值的计算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PD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（ASIC）。为了尽可能降低成本，采用

7、几个 CFU的数字口和 EMS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PWM信号给专用芯片，专用芯片在增大 驱动能力后输出 PWM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 。市瓶信弓9滤波器PWM 飽入信号!SVLlr I < 吟I理调节i1电源rww地O-故障处理JO SDISIJOr 一一 rMOS | |耸驱功I阖d接口= |I初机'II I(SPlfel I2SPWM信号 输山正様图3功能

8、模块图输入的控制信号还可让专用芯片从睡眠模式? 18?上海汽车 2009110F94-20 ES China 人3血:皿匸 J-uurriEi ESliiclriMiic Publiyiiing ll-o-use. AllreiDCil. hUpw ww-tnki .til设计研究? 18?上海汽车 2009110F94-20 ES China 人3血:皿匸 J-uurriEi ESliiclriMiic Publiyiiing ll-o-use. AllreiDCil. hUpw ww-tnki .til设计研究出级咫向通讯信号上海汽车 2009110? 19?© 19-94-20

9、 9 ChiaJiMirru 口丸LcljoH PJhii-JiirttiAll t辿ha reserved.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 SPI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5 V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 100卩A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SPI 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

10、入接口。根据电路设计，专用芯片向单片机提供5 V电源。在睡眠模式下专用芯片会切断5 V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. 1 mA。电阻屯片机数字口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3 V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5 V电压，单片机的5 V电源引脚上的电压从3 V变为5 V，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

11、误的3 V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o把一个单独单片机的输入输出口经过一个电阻直 接连到12 V电源。测量单片机的5 V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 12 V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12 V降低到5 V，结果发现仍然会在单片机的5 V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 5 V电源控制。在这里三极管起到了一

12、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 5 V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 LN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 5 V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 PWM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 C ,

13、MOS2FET的最高工作温度为175 C。Tj - Ta = R/ XRthj _ aRthj - a = （175 C - 80 C） /2W =47. 5 C /W式中：Tj为节点温度；Ta为 环境温度；Pv为 芯片的功率；Rthj-a为节点到环境的热阻。160IQO3QQ 4d0 就松 60Q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600 mm2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300 mm2可用于散热。因此仅靠印刷线路板

14、 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。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、ESD测试、CE&RE测试、ISO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兀器件

15、市场空间极大。国外每台汽车米用汽车电子产品的平均费用1990年为672美元，2000年已达到2 000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1 000乙美元。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、

16、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.AbstractA so ne of the m porta nt comp onents in the en2 gine managenent system, the lifetime of