Рекомендований вибір котушок індуктивності для автомобільних систем керування двигуном

З глибшим розвитком електрифікації та інтелектуалізації автомобілів електродвигуни стали основними компонентами силової установки та систем керування в транспортних засобах. Вони широко застосовуються в системах приводу (тягові електродвигуни для транспортних засобів на нових джерелах енергії), системах керування кузовом (електродвигуни для автоматичного відкривання багажника, електродвигуни для підйому вікон, електродвигуни для регулювання положення сидінь) та допоміжних системах (електродвигуни охолоджувальних вентиляторів, електродвигуни системи керування з підсиленням). Як основна одиниця, що забезпечує керування запуском/зупинкою електродвигуна, його швидкістю та напрямком обертання, автомобільна система керування електродвигуном має забезпечувати ефективну, стабільну та надійну подачу потужності в складних умовах експлуатації на борту транспортного засобу — таких як висока температура, вібрація, сильні електромагнітні перешкоди (EMI) та значні коливання напруги. Як основний пасивний компонент у системах керування електродвигунами, індуктивність виконує ключові функції: накопичення енергії, фільтрацію, дроселювання та придушення імпульсів струму. Її вибір безпосередньо визначає ефективність перетворення, стабільність роботи, електромагнітну сумісність (EMC) та термін служби.

• Принцип роботи систем приводу автомобільних двигунів та ключова роль індукторів

Основна функція системи приводу автомобільного двигуна полягає в тому, щоб отримувати команди від блоку керування транспортним засобом (VCU) або локального блоку керування, перетворювати електричну енергію від бортового джерела живлення на механічну енергію й приводити двигун у дію для забезпечення точного запуску/зупинки, регулювання швидкості та керування рухом уперед/назад. У той самий час система використовує сигнали зворотного зв’язку за струмом і швидкістю для реалізації замкненого контуру керування й забезпечення плавної та безпечної роботи двигуна. Схема зазвичай включає модуль управління живленням, модуль керування мікроконтролером (MCU), модуль силового приводу, модуль виявлення струму/швидкості та модуль фільтрації ЕМІ.

Рисунок 1. Блок-схема системи приводу двигуна транспортного засобу з новою енергією

Інші пристрої, встановлені на транспортному засобі; потужна акумуляторна батарея; високовольтний керуючий блок; високовольтна постійного струму позитивна/негативна шина; VCU; низьковольтна акумуляторна батарея; керуюче реле; запобіжник; тяговий двигун (DM); трифазні силові лінії U/V/W; сигнальні лінії (резолвер, температура); контролер двигуна (MCU); водяний насос; охолоджувальна рідина; радіатор.

• • Роль індуктивностей у силовому приводному контурі

У автомобільних двигунів-приводів зазвичай використовується ШІМ-керування (широтно-імпульсна модуляція). Шляхом вмикання та вимикання силових елементів (MOSFET або IGBT) регулюють вихідну напругу й струм для керування швидкістю обертання та крутним моментом двигуна. Індуктивності відіграють ключову роль у силовому приводному контурі, зокрема такими способами:

Придушення спалахів струму: Коли двигун запускається або зупиняється, змінює швидкість або коли вмикаються/вимикаються силові пристрої, виникають миттєві імпульси струму. Ці імпульси можуть навантажувати силові пристрої (MOSFET-транзистори/IGBT-транзистори) та драйверні мікросхеми й навіть призводити до пошкодження компонентів. Індуктивність обмежує швидкість зміни струму (di/dt) за рахунок індуктивного опору, ефективно придушуючи імпульси струму, захищаючи ключові компоненти в контурі керування двигуном і продовжуючи термін служби компонентів.

Сгладжування струму двигуна: Керування за методом ШІМ призводить до пульсацій вихідного струму. Якщо такий струм подається безпосередньо на двигун, це може спричинити збільшення вібрацій, підвищення рівня шуму та зростання втрат у обмотках. Завдяки постійному накопиченню та віддачі енергії індуктивність зменшує пульсації струму й забезпечує більш стабільний струм на вході двигуна, що покращує стабільність його роботи.

• • Роль індуктивностей у керуванні живленням та фільтрації

Джерело живлення в системах приводу автомобільних двигунів поділяється на дві категорії: бортові низьковольтні джерела живлення (12 В/24 В) для модулів керування та мікросхем водія, а також високовольтні джерела живлення в транспортних засобах з новою енергією для модулів потужного приводу. Індуктивності відіграють такі основні ролі в управлінні живленням і фільтрації:

Перетворення постійного струму (DC-DC): У колах низьковольтного живлення потрібен перетворювач постійного струму зі зниженням напруги (DC-DC), щоб перетворити бортову напругу 12 В/24 В у рівні 5 В і 3,3 В, необхідні для МКП та датчиків. Як основний елемент накопичення енергії в схемі DC-DC, індуктивність накопичує та віддає енергію, забезпечує стабільність вихідної напруги та запобігає впливу коливань напруги на нормальне функціонування модуля керування.

Подавлення ЕМІ: Під час роботи системи електроприводу двигуна перемикання силових елементів створює високочастотні перешкоди. Ці перешкоди можуть поширюватися по силових лініях на інші бортові електронні системи, такі як навігаційна система або радіоприймач, що порушує їх нормальне функціонування. Дроселі спільного режиму разом з конденсаторами типу X та Y утворюють фільтр електромагнітних перешкод (EMI), який прибирає високочастотні перешкоди з силових ліній, пригнічує електромагнітне випромінювання та зменшує вплив зовнішніх перешкод на систему електроприводу двигуна.

2. Вимоги до дроселів для автомобільних систем електроприводу двигуна

Автомобільні системи приводу двигунів часто встановлюють у складних умовах, наприклад, у моторному відсіку та зонах шасі, де вони тривалий час піддаються впливу високої температури й вологості, високочастотних вібрацій та потужних електромагнітних перешкод. Вони повинні відповідати вимогам надійності автомобільного класу, адаптуватися до значних коливань напруги та високих імпульсів струму, що встановлює суворі вимоги до продуктивності, конструкції та надійності індукторів.

• Стабільність до температури: Оскільки автомобільні системи приводу двигунів часто встановлюють у складних умовах, наприклад, у моторному відсіку та зонах шасі, індуктор повинен функціонувати в діапазоні температур від −40 °C до 150 °C, щоб уникнути погіршення продуктивності та зниження точності керування через зміни температури.

• Низькі втрати та висока ефективність: Системи приводу двигунів працюють безперервно, тому втрати в міді (втрати на постійному струмі, DCR) та втрати в сердечнику індуктора мають бути якомога нижчими. Зокрема в сценаріях з високим струмом низькі втрати зменшують загальне підвищення температури системи, підвищують ефективність приводу, знижують споживання електроенергії на борту та запобігають деградації продуктивності через перегрівання.

• Високий струм насичення: Події запуску/зупинки двигуна та раптові зміни навантаження призводять до виникнення миттєвих високих струмів. Індуктор повинен мати достатній струм насичення (Isat), щоб уникнути магнітного насичення під впливом пікових струмових навантажень. Магнітне насичення призводить до різкого зниження індуктивності, виходу індуктора з ладу та можливого пошкодження силових елементів. Рекомендується забезпечити запас струму насичення щонайменше в 1,3 раза та врахувати зниження характеристик при високій температурі.

• Сумісність з ЕМІ: Індуктор повинен забезпечувати ефективну екранувальну здатність для зменшення витоку магнітного поля, запобігання перешкодам у чутливих колах всередині системи керування двигуном та пригнічення електромагнітного випромінювання в контурі, одночасно відповідаючи вимогам до електромагнітної сумісності (ЕМС) щодо провідних і випромінюваних перешкод на борту.

• Висока надійність: Автомобільні індуктори повинні пройти випробування за стандартом AEC-Q200, щоб забезпечити тривалу надійну й стабільну роботу. Випробування надійності включають понад десять пунктів, зокрема циклічне змінювання температури, зберігання при високій температурі, випробування в умовах високої вологості, вібрацію та механічні удари, а також перевірку здатності до паяння. Лабораторія CODACA, акредитована CNAS, може незалежно проводити випробування за стандартом AEC-Q200 відповідно до вимог замовника та надавати відповідні протоколи випробувань.

3. Рішення CODACA щодо індукторів для систем керування двигуном

1. Автомобільні високострумові силові індуктори

У системах електроприводу високострумові силові дроселі використовуються переважно в перетворювачах постійного струму (DC-DC) та фільтрувальних колах. Автомобільні високострумові силові дроселі компанії CODACA характеризуються низькими втратами та високим струмом насичення — до 422 А, а також робочим діапазоном температур від -55 °C до +155 °C, що робить їх придатними для складних автомобільних електронних середовищ.

2. Автомобільна формована силова дросель

Автомобільна формована силова дросель компанії CODACA використовує магнітні порошкові сердечники з низькими втратами та інноваційну технологію електродів для вирішення технічних проблем, таких як зміщення котушки та утворення тріщин у виробі під час формування. Вона зменшує загальні втрати дроселя більше ніж на 30 %, забезпечує роботу при температурах до 170 °C, досягає ККД до 98 % та ефективно підвищує надійність систем електроприводу й ефективність перетворення в колах DC-DC.

3. Автомобільна стрижнева дросель

CODACA має досвідчену команду досліджень і розробок, яка здатна швидко надавати індивідуальні рішення у вигляді автотехнічних стрижневих індукторів з різними характеристиками та конструкціями на основі вимог замовника.

4. Компоненти для боротьби з ЕМІ

Фільтри зі спільним режимом, феритові кульки та інші магнітні компоненти широко використовуються в системах керування електродвигунами автомобілів та в схемах фільтрації живлення для пригнічення перешкод у сигнальних та силових лініях.