汽車電控單元的熱和電磁兼容優(yōu)化設(shè)計研究.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)鍵問題。
　　根據(jù)汽車動力混合化和新能源化趨勢，本文以混合動力電控單元為對象開展研究。通常，混合動力汽車在動力模式切換時，往往會存在動力中斷、轉(zhuǎn)矩波動、沖擊等問題。本文通過綜合分析現(xiàn)有混合動力汽車控制系統(tǒng)的主流架構(gòu)，提出并研究開發(fā)混合動力傳動總成通用型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，還具有對機電耦合傳動裝置控制、動力傳動總成熱管理控制等功能，在瞬態(tài)協(xié)調(diào)控制時易于滿足實時性、同步性要求，從而可以較好地解決在混合動力模式切換時造成的動力中斷、轉(zhuǎn)矩波動、換擋沖擊等問題。同時結(jié)合新能源汽車上的強電磁干擾環(huán)境，設(shè)計了高可靠性、抗強電磁干擾的電控單元功能電路。針對轉(zhuǎn)速信號采樣一般采用電磁式或霍爾式傳感器，以及電磁式轉(zhuǎn)速傳感器信號處

3、理中的難點和現(xiàn)有方法的不足，本文設(shè)計了不需要軟件參與、通用型的頻率信號幅值自調(diào)節(jié)采樣電路方案。為了進一步提高電控單元的可靠性，在電控單元的系統(tǒng)容錯性方面，研究并設(shè)計了電源閉環(huán)監(jiān)控方案、傳感器輸入信號的容錯處理方案、執(zhí)行器輸出信號的診斷方案、主處理器的容錯方案和CAN通信的容錯方案。
　　在電控單元的熱設(shè)計方面，針對要求電控單元熱模型建立需要大量實驗以及熱優(yōu)化設(shè)計易于遭遇維數(shù)災(zāi)難的問題，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)難以獲取的問題；通過熱模型研究影響電控單元熱特性的因素和規(guī)律。對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)計試驗驗證所提出的功率MOSFET管熱功耗模型的準確性；電控單元PCB印制板承擔著控制器大約80％的散熱任務(wù)，且影響因素較多，為了減小試驗工作量，本文通過設(shè)計正交試驗（DOE）研究多種不同的PCB板構(gòu)造對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、合試驗結(jié)果推薦了最優(yōu)的汽車電控單元印制板設(shè)計結(jié)構(gòu)；通過優(yōu)化元器件布局來降低電控單元的工作溫度是一種非常經(jīng)濟的方法，但經(jīng)典的優(yōu)化算法對這種需要劃分細密計算網(wǎng)格的優(yōu)化問題會造成龐大的計算量和存儲空間，非常容易造成優(yōu)化的維數(shù)災(zāi)難問題，本文提出基于動態(tài)Q優(yōu)化算法來優(yōu)化印制PCB板上的元器件布局的熱優(yōu)化設(shè)計方法，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年延長到優(yōu)化后的9.56年，壽命延長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49%。相對于原PCB板結(jié)構(gòu)和元器件布局，在室溫26℃時，失效率降低了86.4%、壽命延長了2.9倍；在85℃極限高溫環(huán)境下，失效率降降低了77.4%、壽命延長了1.68倍。
　　在電控單元的電磁兼容性研究方面，針對電控單元的輻射發(fā)射難以解決的問題，建立了和測試標準相吻合的電控單元輻射騷擾測試仿真模型和抗輻射騷擾仿真模型，并通過和試驗結(jié)果的對比驗證了電磁輻射仿真模型和方法可以用于對電控單元按標準測試的符合度，可