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原文传递汽车电控单元的热和电磁兼容优化设计研究

论文题名：	汽车电控单元的热和电磁兼容优化设计研究
关键词：	汽车电控单元;热和电磁兼容;优化设计;仿真模型
摘要：	热和电磁兼容是影响汽车电控单元可靠性的关键因素，如何建立电控单元的设计模型、热优化方法以及电磁兼容分析模型和分析方法，是汽车电控单元研究中的共性关键问题。　　根据汽车动力混合化和新能源化趋势，本文以混合动力电控单元为对象开展研究。通常，混合动力汽车在动力模式切换时，往往会存在动力中断、转矩波动、冲击等问题。本文通过综合分析现有混合动力汽车控制系统的主流架构，提出并研究开发混合动力传动总成通用型HTCU（Hybrid Transmission Control Unit）三合一控制器方案。HTCU控制器除了具有HCU的控制功能，还具有对机电耦合传动装置控制、动力传动总成热管理控制等功能，在瞬态协调控制时易于满足实时性、同步性要求，从而可以较好地解决在混合动力模式切换时造成的动力中断、转矩波动、换挡冲击等问题。同时结合新能源汽车上的强电磁干扰环境，设计了高可靠性、抗强电磁干扰的电控单元功能电路。针对转速信号采样一般采用电磁式或霍尔式传感器，以及电磁式转速传感器信号处理中的难点和现有方法的不足，本文设计了不需要软件参与、通用型的频率信号幅值自调节采样电路方案。为了进一步提高电控单元的可靠性，在电控单元的系统容错性方面，研究并设计了电源闭环监控方案、传感器输入信号的容错处理方案、执行器输出信号的诊断方案、主处理器的容错方案和CAN通信的容错方案。　　在电控单元的热设计方面，针对要求电控单元热模型建立需要大量实验以及热优化设计易于遭遇维数灾难的问题，建立了电控单元热模型和基于DATASHEET参数的元器件热功耗模型，解决了热模型中热功耗参数难以获取的问题；通过热模型研究影响电控单元热特性的因素和规律。对电控单元的温度影响较大的功率 MOSFET管，提出了分段线性热功耗模型，并设计试验验证所提出的功率MOSFET管热功耗模型的准确性；电控单元PCB印制板承担着控制器大约80％的散热任务，且影响因素较多，为了减小试验工作量，本文通过设计正交试验（DOE）研究多种不同的PCB板构造对降低电控单元工作温度的主次要影响因素及影响程度，结合试验结果推荐了最优的汽车电控单元印制板设计结构；通过优化元器件布局来降低电控单元的工作温度是一种非常经济的方法，但经典的优化算法对这种需要划分细密计算网格的优化问题会造成庞大的计算量和存储空间，非常容易造成优化的维数灾难问题，本文提出基于动态Q优化算法来优化印制PCB板上的元器件布局的热优化设计方法，研究表明：在环境温度为26℃的情况下，基于该方法的元器件优化布局可以进一步降低印制板的最高工作温度从优化前的50.6℃降低到优化后的41.3℃，工作温度的降低可以将电控单元上元器件的失效率从7.7%降低到3.7%，降低幅度52%，工作寿命也从优化前的5.77年延长到优化后的9.56年，寿命延长65.7%；并均衡了整板的温差分布，整板温度分布更加均匀，PCB板最大温度差从优化前的12.5℃减小到5.1℃，更进一步减小了电控单元因热应力疲劳而出现故障的概率。在85℃极限高温环境下，最高温度从元器件布局优化前的109.6℃降低到了优化后的100.3℃，因温度引起的元器件失效率降低44%、寿命延长49%。相对于原PCB板结构和元器件布局，在室温26℃时，失效率降低了86.4%、寿命延长了2.9倍；在85℃极限高温环境下，失效率降降低了77.4%、寿命延长了1.68倍。　　在电控单元的电磁兼容性研究方面，针对电控单元的辐射发射难以解决的问题，建立了和测试标准相吻合的电控单元辐射骚扰测试仿真模型和抗辐射骚扰仿真模型，并通过和试验结果的对比验证了电磁辐射仿真模型和方法可以用于对电控单元按标准测试的符合度，可以通过模型研究电控单元的辐射骚扰特性和抗辐射骚扰特性，从而可降低测试费用、缩短研发周期。　　最后通过台架试验、环境适应性试验和电磁兼容试验验证了本文所设计研究的电控单元的功能和电性能、热模型及热优化设计效果、骚扰测试仿真模型和抗辐射骚扰仿真模型及设计效果，相关的功能指标都达到了A类级别，辐射骚扰也符合最为严酷的等级5。表明所设计的电控单元能够满足混合动力汽车的应用需求，工作稳定可靠，具有良好的车载环境适应性。
作者：	任国峰
专业：	动力机械及工程
导师：	杨林
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文