Повышение топливной эффективности бесколлекторными моторами в топливных насосах в баке

Бесколлекторный мотор с интегрированным контроллером в модуле подачи топлива (FDM)

Большинство автомобильных топливных систем используют модуль подачи топлива (FDM) с компонентами для фильтрации и подачи бензина заданным давлением и расходом из бака в двигатель. FDM использует резервную сборку для поддержания запаса топлива у входа насоса и поддержки компонентов: регуляторов давления/лимитеров, фильтров, датчика уровня, электрических и гидравлических соединений, проходящих через бак. Текущие системы преимущественно используют пассивные электрические компоненты: коллекторные насосы и резистивные датчики уровня, независимо подключённые к питанию и блоку управления кузовом. Высокие расходы требуют высокомощных насосов, работающих постоянно на максимальной скорости. Новые системы могут использовать контроллер напряжения для модуляции питания насоса на дискретные скорости по прогнозируемому спросу двигателя — некоторое улучшение потребления энергии.

Новое решение: бесколлекторный (BL) мотор с интегрированным контроллером

Новый FDM использует бесколлекторный мотор в насосной сборке и включает интегрированный контроллер для электронной коммутации мотора. Поскольку BL-насос эффективнее коллекторного, а контроллер обеспечивает замкнутое управление скоростью, решение даёт значительные улучшения в потреблении энергии и, следовательно, выбросах CO2.

Другой плюс BL-насоса — магнитное сцепление между статором и ротором и устранение контактов, которые могут изнашиваться и/или налетать в агрессивных топливах. Это повышает долговечность и надежность FDM.

Интегрированный контроллер также даёт диагностику насоса и может включать цепи обработки сигналов датчиков в баковой сборке для дополнительной информации о состоянии и/или дальнейших улучшений производительности через интерфейс с улучшенными сенсорными технологиями (бесконтактный датчик уровня топлива). BL-контроллер выигрывает от близости к насосу и снижения шума, связанного с фазой 감си обратной ЭДС для бессенсорного измерения скорости мотора.

Архитектура и принцип работы

Рисунок показывает архитектуру автомобиля с интегрированным модулем, включающим BL-контроллер внутри FDM. Аналогично контроллеру напряжения для коллекторных насосов, BL-контроллер модулирует ток в каждой из трёх фаз, отключая питание на высокой частоте (PWM). Время отключения регулируется для достижения токов привода, поддерживающих скорость насоса на уровне, заданном блоком управления двигателем (ECM). PWM-сигнал обеспечивает замкнутое управление скоростью для обеспечения расхода топлива независимо от окружения: давления, питания, свойств топлива, температуры.

BL-контроллер компенсирует вариации параметров насоса и дрифт во времени. Интегрированная FDM-сборка оптимизирует системную производительность: минимизация расстояния к BL-насосу, алгоритм управления, настроенный под дизайн насоса и требования применения. Включает диагностику: мониторинг питания, токов привода, температуры контроллера, скорости мотора. Отклонения за пределы допусков вызывают аварийную остановку или сообщение об аномалии в ECM.

Инженерная оптимизация дизайна мотора

Робастные инженерные техники и статистические инструменты использовались для вывода оптимального решения под строгие требования к крутящему моменту, скорости, давлению, расходу. Полный факторный план экспериментов выполнен с аналитическими инструментами для симуляции производительности мотора и нахождения комбинации параметров, удовлетворяющей требованиям к моменту и эффективности при минимизации коггингового момента, пульсаций момента и несбалансированной магнитной тяги (вибрация/шум). Оптимальная комбинация и аналитические результаты подтверждены лабораторными тестами на моторных сборках. Эксперименты привели к дизайну с 9 полюсами в статоре и 10 полюсами в роторе. Обмотка настроена на момент >0,10 Нм при 12 В и 5000 об/мин, эффективность 68% с допусками сборки.