Рекомендуемый выбор дросселей для автомобильных систем привода двигателей

С углублением процессов электрификации и интеллектуализации автомобилей электродвигатели стали ключевыми компонентами силовой установки и систем управления транспортными средствами. Они широко применяются в приводных системах (тяговые электродвигатели для новых энергетических транспортных средств), системах управления кузовом (электродвигатели для автоматического открытия багажника, электродвигатели стеклоподъёмников, электродвигатели регулировки сидений) и вспомогательных системах (электродвигатели охлаждающих вентиляторов, электродвигатели рулевого управления с усилителем). В качестве основного блока, управляющего пуском/остановом электродвигателя, его скоростью и направлением вращения, автомобильная система привода электродвигателя должна обеспечивать эффективную, стабильную и надёжную подачу мощности в сложных условиях эксплуатации на борту транспортного средства — таких как высокая температура, вибрация, сильные электромагнитные помехи (EMI) и широкие колебания напряжения. Являясь ключевым пассивным компонентом в системах привода электродвигателей, дроссель выполняет важнейшие функции: накопление энергии, фильтрация, ограничение тока и подавление импульсных бросков тока. Выбор дросселя напрямую определяет КПД преобразования, стабильность работы, электромагнитную совместимость (EMC) и срок службы.

• Принцип работы систем привода автомобильных двигателей и ключевая роль дросселей

Основная функция системы привода автомобильного двигателя заключается в приёме команд от блока управления транспортным средством (VCU) или локального блока управления, преобразовании электрической энергии от бортового источника питания в механическую энергию и приведении двигателя в действие для обеспечения точного пуска/остановки, регулирования скорости и управления движением вперёд/назад. Одновременно система использует сигналы обратной связи по току и скорости для реализации замкнутого контура управления и обеспечения плавной и безопасной работы двигателя. Схема обычно включает модуль управления питанием, модуль управления на базе микроконтроллера (MCU), модуль силового привода, модуль измерения тока/скорости и модуль фильтрации электромагнитных помех (EMI).

Рисунок 1. Блок-схема системы привода двигателя нового типа энергетического транспортного средства

Другие устройства, устанавливаемые на транспортное средство; Тяговая батарея; Высоковольтный блок управления; Высоковольтный постоянный ток (П/Н); Блок управления автомобилем (VCU); Низковольтная аккумуляторная батарея; Управляющее реле; Предохранитель; Тяговый двигатель (DM); Трёхфазные силовые линии U/V/W; Сигнальные линии (резолвер, температура); Контроллер двигателя (MCU); Водяной насос; Охлаждающая жидкость; Радиатор.

• • Роль дросселей в контуре силового привода

В автомобильных электродвигателях обычно применяется ШИМ-управление (широтно-импульсная модуляция). Включая и выключая силовые элементы (MOSFET или IGBT), регулируют выходное напряжение и ток для управления скоростью и крутящим моментом двигателя. Дроссели играют ключевую роль в контуре силового привода, главным образом следующим образом:

Подавление импульсных токов: При запуске или остановке двигателя, изменении скорости или переключении силовых устройств возникают мгновенные импульсы тока. Эти импульсы могут вызывать перегрузку силовых элементов (MOSFET/IGBT) и драйверных микросхем и даже приводить к повреждению компонентов. Дроссель ограничивает скорость изменения тока (di/dt) за счёт своей индуктивного сопротивления, эффективно подавляя импульсы тока, защищая ключевые компоненты в цепи управления двигателем и продлевая срок службы элементов.

Сглаживание тока двигателя: Управление по методу ШИМ вызывает пульсации выходного тока. Если такой ток подаётся непосредственно на двигатель, это может привести к увеличению вибрации, повышению уровня шума и росту потерь в обмотках. Накапливая и отдавая энергию непрерывно, дроссель сглаживает пульсации тока и делает входной ток двигателя более стабильным, улучшая устойчивость работы.

• • Роль дросселей в управлении питанием и фильтрации

Источник питания в системах привода автомобильных двигателей делится на две категории: бортовые низковольтные источники питания (12 В/24 В) для модулей управления и драйверных микросхем, а также высоковольтные источники питания в транспортных средствах с новой энергетикой для модулей силового привода. Дроссели выполняют следующие основные функции в управлении питанием и фильтрации:

Преобразование постоянного тока (DC-DC): В цепях низковольтного питания требуется понижающий преобразователь постоянного тока (DC-DC), который преобразует бортовое напряжение 12 В/24 В в уровни 5 В и 3,3 В, необходимые для микроконтроллеров (MCU) и датчиков. Как основной элемент накопления энергии в цепи DC-DC, дроссель накапливает и отдаёт энергию, обеспечивает стабильность выходного напряжения и предотвращает влияние его колебаний на нормальную работу модуля управления.

Подавление ЭМП: Когда система привода двигателя находится в рабочем состоянии, переключение силовых элементов создаёт высокочастотные помехи. Эти помехи могут передаваться по силовым линиям на другие бортовые электронные системы, например, навигационную систему или радиоприёмник, нарушая их нормальную работу. Дроссели синфазных помех совместно с конденсаторами типа X и Y образуют цепь фильтра ЭМП, которая удаляет высокочастотные помехи из силовых линий, подавляет электромагнитное излучение и снижает влияние внешних помех на систему привода двигателя.

2. Требования к дросселям для автомобильных систем привода двигателя

Автомобильные системы привода двигателей часто устанавливаются в суровых условиях, таких как моторные отсеки и области шасси, где они подвергаются длительному воздействию высоких температуры и влажности, высокочастотных вибраций и сильных электромагнитных помех. Они должны соответствовать требованиям надёжности автомобильного класса и адаптироваться к широким колебаниям напряжения и высоким импульсам тока, что предъявляет строгие требования к характеристикам, конструкции и надёжности дросселей.

• Стабильность при температуре: Поскольку автомобильные системы привода двигателей часто устанавливаются в суровых условиях, таких как моторные отсеки и области шасси, дроссель должен функционировать в диапазоне температур от −40 °C до 150 °C, чтобы избежать снижения эксплуатационных характеристик и потери точности управления, вызванных изменением температуры.

• Низкие потери и высокая эффективность: Системы привода двигателей работают непрерывно, поэтому потери в меди (потери на постоянном токе, DCR) и потери в сердечнике индуктора должны быть как можно ниже. Особенно в сценариях высокого тока низкие потери снижают общий рост температуры системы, повышают эффективность привода, уменьшают потребление энергии бортовой системой и предотвращают деградацию производительности из-за перегрева.

• Высокий ток насыщения: Циклы пуска/остановки двигателя и резкие изменения нагрузки вызывают мгновенные броски тока. Индуктор должен обладать достаточным током насыщения (Isat), чтобы избежать магнитного насыщения при пиковых токовых нагрузках. Магнитное насыщение приводит к резкому падению индуктивности, отказу индуктора и возможному повреждению силовых компонентов. Рекомендуется обеспечивать запас по току насыщения не менее чем в 1,3 раза и учитывать снижение допустимого значения (derating) при высоких температурах.

• Совместимость с ЭМП: Дроссель должен обеспечивать хорошую экранирующую способность для снижения утечки магнитного поля, предотвращения помех чувствительным цепям внутри системы привода и подавления электромагнитного излучения в контуре при соблюдении требований к проводимым и излучаемым помехам на борту (EMC).

• Высокая надежность: Автомобильные дроссели должны пройти испытания по стандарту AEC-Q200, чтобы гарантировать долгосрочную надёжную и стабильную работу. Испытания на надёжность включают более десяти видов проверок, таких как циклическое изменение температуры, хранение при высокой температуре, испытания при высокой влажности, вибрационные и ударные механические испытания, а также проверка паяемости. Лаборатория CODACA, аккредитованная CNAS, может самостоятельно выполнять испытания по стандарту AEC-Q200 в соответствии с требованиями заказчика и предоставлять отчёты об испытаниях.

3. Решения CODACA в области дросселей для систем привода двигателей

1. Автомобильный высокотоковый силовой дроссель

В системах привода двигателей высокотоковые силовые дроссели в основном используются в преобразователях постоянного тока (DC-DC) и фильтрующих цепях. Автомобильные высокотоковые силовые дроссели CODACA обеспечивают низкие потери и высокий ток насыщения — до 422 А, а также диапазон рабочих температур от −55 °C до +155 °C, что делает их пригодными для сложных автомобильных электронных сред.

2. Автомобильный формованный силовой дроссель

Автомобильный формованный силовой дроссель CODACA использует магнитопорошковые сердечники с низкими потерями и инновационную технологию электродов для решения технических задач, таких как смещение катушки и растрескивание изделия при формовании. Он снижает суммарные потери дросселя более чем на 30 %, поддерживает рабочие температуры до 170 °C, обеспечивает КПД преобразования до 98 % и эффективно повышает надёжность систем привода двигателей и коэффициент полезного действия цепей DC-DC.

3. Автомобильный стержневой дроссель

У CODACA есть опытная команда НИОКР, способная оперативно предоставлять индивидуальные решения в виде автомобильных стержневых дросселей с различными характеристиками и конструкциями на основе требований заказчика.

4. Компоненты подавления ЭМП

Дроссели синфазных помех, ферритовые бусины и другие магнитные компоненты широко применяются в системах привода автомобильных двигателей и цепях фильтрации питания для подавления шумовых помех на сигнальных и силовых линиях.