Rekommenderad induktorval för automobilens motordriftsystem

Med den djupare utvecklingen av fordonselktrifiering och intelligens har motorer blivit kärnkraft- och styrkomponenter i fordon. De används omfattande i driftsystem (drivmotorer för fordon med ny energi), karosseristyrningsapplikationer (motorer för elstyrda bagageluckor, fönstermotorer, motorer för justering av säten) samt hjälpsystem (motorer för kylfläktar, motorer för elstyrning). Som den kärnkomponent som styr motorernas start/stopp, hastighet och riktning måste ett automotordrivsystem leverera effektiv, stabil och pålitlig effektföring under hårda fordonsmiljöer, såsom hög temperatur, vibrationer, stark elektromagnetisk störning (EMI) och stora spänningsfluktuationer. Som en kärnpassiv komponent i motordrivsystem utför induktorn viktiga funktioner såsom energilagring, filtrering, strömbegränsning och dämpning av strömspetsar. Valet av induktor avgör direkt omvandlingseffektiviteten, driftstabiliteten, elektromagnetiska kompatibiliteten (EMC) och livslängden.

• Funktionsprincipen för automobilers motorstyrningssystem och induktorns centrala roll

Den centrala funktionen för ett automobilmotorstyrningssystem är att ta emot kommandon från fordonets styrenhet (VCU) eller en lokal styrenhet, omvandla elektrisk energi från fordonets inbyggda strömförsörjning till mekanisk energi och driva motorn för att uppnå exakt start/stopp, hastighetsreglering samt framåt-/bakåtkontroll. Samtidigt används ström- och hastighetsåterkopplingssignaler för att implementera sluten styrning och säkerställa smidig och säker motorfunktion. Kretsen inkluderar vanligtvis en effekthanteringsmodul, en MCU-styrmotul, en effektdrivrmodul, en ström-/hastighetsdetekteringsmodul samt en EMI-filtermodul.

Figur 1. Blockschema för ett nyenergifordonss motorstyrningssystem

Andra fordonsmountade enheter; Driftbatteri; Högspänningsstyrkassett; Högspänningslikström P/N; VCU; Lågspänningsbatteri; Styrelämplare; Säkring; Drivmotor (DM); Trefasströmlinjer U/V/W; Signallinjer (resolver, temperatur); Motorstyrning (MCU); Vattenpump; Kylvätska; Kylare.

• • Induktorernas roll i kraftdrivningsloopen

Bilmotorer använder vanligtvis PWM-styrning (pulsbreddsmodulering). Genom att slå på och av kraftelektronikkomponenter (MOSFET:ar/IGBT:ar) regleras utspännningen och utströmmen för att styra motorns varvtal och vridmoment. Induktorer spelar en central roll i kraftdrivningsloopen, främst på följande sätt:

Dämpning av strömspetsar: När motorn startar eller stannar, ändrar hastighet eller när kraftelektronikkomponenter slås på eller av genereras momentana strömspetsar. Dessa spetsar kan belasta kraftelektronikkomponenter (MOSFET:ar/IGBT:ar) och drivchips och kan till och med skada komponenterna. Spolen begränsar strömförändringens hastighet (di/dt) genom sin induktiva reaktans, vilket effektivt undertrycker strömspetsar, skyddar kärnkomponenter i drivsladan och förlänger komponenternas livslängd.

Jämnar ut motorströmmen: PWM-styrning orsakar att utgående ström pulserar. Om denna ström matas direkt in i motorn kan det leda till ökad vibration, högre brus och större lindningsförluster. Genom att kontinuerligt lagra och avge energi jämnar spolen ut strömpulseringen och gör motorströmmen mer stabil, vilket förbättrar driftstabiliteten.

• • Spolens roll inom kraftstyrning och filtrering

Strömförsörjningen i automotiva motorstyrningssystem delas in i två kategorier: bordsspecifika lågspänningsströmförsörjningar (12 V/24 V) för kontrollmoduler och drivchips samt högspänningsströmförsörjningar i fordon med ny energi för kraftdrivmoduler. Spolar spelar följande huvudsakliga roller vid effekthantering och filtrering:

DC-DC-omvandling: I lågspänningsströmkretsar krävs en DC-DC-nedåtomvandlare för att omvandla den bordsspecifika spänningen på 12 V/24 V till de 5 V och 3,3 V som krävs av mikrokontrollerenheter (MCU) och sensorer. Som det centrala energilagringselementet i DC-DC-kretsen lagrar och frigör induktorn energi, säkerställer utspänningsstabilitet och förhindrar att spänningsfluktuationer påverkar den normala driften av kontrollmodulen.

EMI-suppression: När motordrivsystemet är i drift genererar styrning av kraftelektroniken högfrekvent störning. Denna störning kan leda till störningar i andra inbyggda elektroniska system, t.ex. navigering eller radio, via strömföringsledningarna, vilket påverkar deras normala funktion. Gemensamma-mode-spolar tillsammans med X- och Y-kondensatorer bildar en EMI-filterkrets som tar bort högfrekvent störning från strömföringsledningarna, dämpar elektromagnetisk strålning och minskar påverkan av extern störning på motordrivsystemet.

2. Krav på induktorer för automotiva motordrivsystem

Automatiska motordriftsystem installeras ofta i hårda miljöer, såsom motorrum och chassin, där de under lång tid utsätts för hög temperatur och fuktighet, högfrekvent vibration samt stark elektromagnetisk störning. De måste uppfylla kraven på automobilklassens tillförlitlighet och anpassa sig till stora spänningsfluktuationer och höga strömstötar, vilket ställer strikta krav på induktorns prestanda, konstruktion och tillförlitlighet.

• Temperaturstabilitet: Eftersom automatiska motordriftsystem ofta installeras i hårda miljöer, såsom motorrum och chassin, måste induktorn kunna arbeta inom temperaturintervallet -40 °C till 150 °C för att undvika prestandaförsämring och minskad regleringsnoggrannhet orsakad av temperaturändringar.

• Låga förluster och hög effektivitet: Motordriftsystem fungerar kontinuerligt, så kopparförlusten (DCR-förlust) och kärnförlusten i induktorn måste hållas så låga som möjligt. Särskilt i högströms-scenarier minskar låg förlust den totala systemtemperaturhöjningen, förbättrar driftseffektiviteten, sänker elkonsumtionen ombord och förhindrar prestandaförsvagning orsakad av överhettning.

• Hög mättningsström: Motorstart/stopp-händelser och plötsliga lastförändringar ger upphov till momentana högströmmar. Induktorn måste ha tillräcklig mättningsström (Isat) för att undvika magnetisk mättnings under toppströmbelastning. Magnetisk mättnings leder till en skarp minskning av induktansvärdet, induktorfel och möjlig skada på kraftelektronikkomponenter. Det rekommenderas att bibehålla minst en marginal på 1,3× för mättningsströmmen samt ta hänsyn till neddrift vid hög temperatur.

• EMI-kompatibilitet: Induktorn måste ge god skärmytelseprestanda för att minska läckan av magnetfält, förhindra störningar i känsliga kretsar inom drivsystemet och undertrycka elektromagnetisk strålning i slingan, samtidigt som den uppfyller fordonets EMC-krav på ledningsbundna och utstrålade emissioner.

• Hög tillförlitlighet: Induktorer av bilkvalitet måste genomgå AEC-Q200-testning för att säkerställa långsiktig tillförlitlig och stabil drift. Tillförlitlighetstest inkluderar mer än tio olika prov, bland annat temperaturcykling, lagring vid hög temperatur, fuktprovning vid hög fuktighet, vibration och mekanisk chock samt lödbarhet. CODACAs CNAS-certifierade laboratorium kan självständigt utföra AEC-Q200-testning enligt kundens krav och leverera testrapporter.

3. CODACAs induktorlösningar för motordrivsystem

1. Induktor av bilkvalitet för hög ström

I motorstyrningssystem används högströmskraftinduktorer främst i DC-DC-omvandlare och filterkretsar. CODACAs bilklassens högströmskraftinduktorer erbjuder låga förluster och hög mättningsström, med en mättningsström upp till 422 A och ett drifttemperaturområde från -55 °C till +155 °C, vilket gör dem lämpliga för komplexa elektroniska miljöer i fordon.

2. Bilklassens formad kraftchoke

CODACAs bilklassens formade kraftchoke använder magnetpulverkärnor med låga förluster samt innovativ elektrodteknik för att lösa tekniska utmaningar såsom spolfeljustering och produktsprickning under formningen. Den minskar de totala induktorernas förluster med mer än 30 %, stödjer drifttemperaturer upp till 170 °C, uppnår en effekttäthet på upp till 98 % och förbättrar effektivt pålitligheten i motorstyrningssystem samt omvandlingseffektiviteten i DC-DC-kretsar.

3. Bilklassens stavinduktor

CODACA har ett erfaret FoU-team som snabbt kan tillhandahålla anpassade bilkvalitetsstavinduktorslösningar med olika egenskaper och strukturer baserat på kundkraven.

4. EMI-komponenter

Gemensamma modus-spolar, kulor och andra magnetiska komponenter används omfattande i bilmotorstyrsystem och kraftröntningskretsar för att dämpa störningsstörningar på signal- och kraftledningar.