一種能量可回收高壓共軌噴油器驅(qū)動電路的設(shè)計*

謝宏斌 高 崴 蔣兆杰 張美娟 張愛云

（1-無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院 江蘇 無錫 214121 2-中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所）

引言

高壓共軌技術(shù)是柴油機(jī)電控的主流技術(shù)，在燃油經(jīng)濟(jì)性及排放清潔性方面擁有巨大優(yōu)勢。在柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中，電控噴油器是非常重要的一個部件。它接受電子控制單元的控制脈寬，精確計量噴油量并將其霧化噴射到燃燒室內(nèi)。噴油器是通過高速電磁閥實現(xiàn)噴射控制的，因而電磁閥的性能直接影響噴油器的響應(yīng)速度和控制精度，是噴油器總成的核心元件。

隨著新型的電磁鐵型噴油器（以下簡稱噴油器）制造工藝的改進(jìn)，新一代噴油器高速電磁閥的電感參數(shù)越來越小，其所需的維持電流的調(diào)制頻率也大大提高。噴油器電磁閥所貯存的暫態(tài)能量也較大。噴油器電磁閥的驅(qū)動過程[1-3]實際上是一個能量轉(zhuǎn)換的過程，在一般的驅(qū)動電路中，電磁閥中貯存的能量都被電路中的功率電阻、續(xù)流二極管轉(zhuǎn)換成熱能散發(fā)掉了，沒有進(jìn)行有效的利用。

本文提出了一種可以進(jìn)行能量回收的噴油器驅(qū)動電路，該電路在進(jìn)行調(diào)制驅(qū)動電流的同時，將電磁閥中電感貯存的能量導(dǎo)入BOOST 電路的輸出電容中，可以大大減少每次噴射后BOOST 電路輸出電壓的恢復(fù)時間。

這種驅(qū)動電路有效利用了每個電磁閥中貯存的能量，提高了BOOST 電路的充電速度。應(yīng)用這種電路有以下兩個方面的優(yōu)勢。

1）由于BOOST 電路的輸出高壓恢復(fù)時間很短，可以更高效地支持多次噴射，每次噴射時間的間隔可以設(shè)計得非常短，能滿足復(fù)雜的控制策略的需求；

2）由于大型柴油機(jī)的氣缸數(shù)都超過6 缸，有的甚至達(dá)到20 缸。設(shè)計這些大型柴油機(jī)電控單元時，通常的做法就是增加BOOST 模塊的數(shù)量。使用本文設(shè)計的驅(qū)動電路，就不需要增加BOOST 電路的數(shù)量。因為噴油器在每次驅(qū)動過程的同時，會對BOOST輸出電容充電，BOOST 電路的輸出功率能夠滿足多缸噴油器的驅(qū)動需求。

1 能量可回收噴油器驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)

圖1 是能量可回收的新型噴油器驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的噴油器驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)，如圖中采樣電阻R 的位置。使用這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有利于在調(diào)制噴油器驅(qū)動電流的同時，對BOOST 模塊進(jìn)行充電，從而達(dá)到能量回收的目的。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由3 個重要的子電路組成，高端電流調(diào)理電路、BOOST 控制電路及可編程邏輯器件（CPLD）邏輯電路。

圖1 能量可回收噴油器驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高端電流調(diào)理電路負(fù)責(zé)采集電流信號，并將調(diào)理好的電流控制信號輸出到CPLD 邏輯電路單元，CPLD 邏輯單元根據(jù)這些控制信號進(jìn)行邏輯運算，按照需求調(diào)制噴油器驅(qū)動電流。

BOOST 控制電路可以根據(jù)實際BOOST 電壓是否達(dá)到設(shè)定的閾值給出控制信號，來決定驅(qū)動電路是否要結(jié)束能量回收階段。能量回收階段結(jié)束后，驅(qū)動電路將轉(zhuǎn)入一般驅(qū)動階段。

CPLD 邏輯電路單元是整個驅(qū)動電路的控制核心，它根據(jù)輸入的各種控制信號合成正確的邏輯來調(diào)制噴油器驅(qū)動電流。

圖2 高端電流調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意圖

2 能量可回收噴油器驅(qū)動電路工作原理

2.1 高端電流調(diào)理電路

本設(shè)計采用了一種新型的基于CPLD 的調(diào)制電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中的U1，U2，U3 是NLX2G66[4]，一款安森美公司提供的雙路模擬開關(guān)。該器件的特點是每個模擬通路的通斷受到輸入邏輯信號的控制，并且該器件通道的轉(zhuǎn)換時間僅為10 ns。

一階調(diào)制電流的峰值和谷值可以任意設(shè)定，設(shè)定好峰值和谷值后，調(diào)制電流就可以按照設(shè)定的峰值和谷值振蕩運行。調(diào)制出符合要求的維持電流。當(dāng)電流處于上升階段時，設(shè)定為波峰電流閾值的U2A通道被選通。當(dāng)電流上升到電流大于波峰電流閾值時，比較器U5 的邏輯輸出變?yōu)楦?，此時電流轉(zhuǎn)為下降階段，并且此時設(shè)定為波谷電流閾值的U2B 通道被選通，當(dāng)電流下降到比波谷電流閾值小的時候，此時比較器U5 的邏輯輸出變?yōu)榈停娏髦匦罗D(zhuǎn)為上升階段，設(shè)定為波峰電流閾值的U2A 再次被選通。這樣就完成了一個周期的循環(huán)，在這個調(diào)制維持電流的過程中，只需提供兩個精確的波峰和波谷電流閾值，就可以調(diào)制出需要的鋸齒波形。

一階調(diào)制電路和二階調(diào)制電路的原理相同，不再詳述。

高端電流調(diào)理電路的3 個輸出信號，即峰值限制控制輸出、一階電流控制輸出及二階電流控制輸出將輸出到CPLD，由CPLD 合成最終的控制信號。

高端電流調(diào)理電路和低端電流調(diào)理電路最大的不同就是電流采樣電阻所處的位置，如圖1 所示。本文設(shè)計的高端電流調(diào)理電路的采樣電阻位于高邊開關(guān)一側(cè)。為了精確采樣高邊采樣電阻的電流信號，本文采用了德州儀器公司的一款高邊采樣芯片為INA193[5]，該芯片可精確測量采樣電阻兩端電壓的變化情況，從而檢測出驅(qū)動電流的變化情況。并將檢測出的電壓信號作為高端調(diào)理電路的輸入信號，并以此信號為基礎(chǔ)進(jìn)行電流調(diào)制。

2.2 BOOST 控制電路

設(shè)計的能量可回收驅(qū)動電路的核心就是在調(diào)制噴油器驅(qū)動電流的同時，將噴油器電磁閥電感上貯存的能量回收到BOOST 電路的輸出電容中，整個電路工作時可由圖3 來說明。

從圖3 可以看出當(dāng)能量可回收驅(qū)動電路開始工作時，驅(qū)動高壓的來源有兩個，一個是BOOST 模塊，另一個是能量可回收驅(qū)動電路工作時，噴油器電磁閥中貯存的能量。實際上能量可回收驅(qū)動電路工作時，它就是一個升壓結(jié)構(gòu)，后面章節(jié)會詳細(xì)分析它的工作原理。到設(shè)定閾值時，停止能量回收?？梢杂靡粋€比較器來完成這樣的工作。通過檢測BOOST 模塊實際的輸出電壓值，當(dāng)該電壓值達(dá)到設(shè)定的閾值時，BOOST 控制電路將輸出一個上升沿，該信號輸出到CPLD。CPLD

圖3 能量可回收驅(qū)動電路工作時的等效電路圖

一般BOOST 模塊對升壓電路設(shè)有一個內(nèi)嵌的控制電路，即當(dāng)驅(qū)動高壓升壓達(dá)到設(shè)定閾值時，升壓電路會停止充電。為了能有效地控制能量回收的進(jìn)程，也需要在驅(qū)動高壓升壓達(dá)到閾值時，停止能量回收。為此設(shè)計了一個BOOST 控制電路，該電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 BOOST 控制電路結(jié)構(gòu)示意圖

BOOST 控制電路的目的就是能夠在驅(qū)動高壓達(dá)檢測到該信號后，將會停止能量回收，整個驅(qū)動電路將轉(zhuǎn)為一般驅(qū)動的模式。

2.3 基于CPLD 的能量可回收電路工作原理

圖5 所示為能量可回收驅(qū)動電路的工作時序圖。

圖5 能量可回收驅(qū)動電路的工作時序圖

噴油器電流調(diào)制一般采用PEAK-HOLD[6]模式，即首先用高壓快速拉升噴油器的電流到達(dá)設(shè)定的峰值，然后用電池電壓（24 V 或者12 V）分兩個階段將電流維持在設(shè)定的閾值[7]。下面將分階段詳細(xì)敘述整個電路的工作過程。

1）如圖1 所示，由高端電流調(diào)理電路、BOOST 控制電路、CPLD 控制器以及圖示的各離散器件構(gòu)成了一個新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電流調(diào)制階段根據(jù)此時BOOST 電壓是否小于設(shè)定的閾值來決定是否將續(xù)流電流的能量導(dǎo)入BOOST 模塊的電容（C1），電阻R 的位置可以確保電路能全面監(jiān)控噴油器中調(diào)制電流的變化情況。

2）如圖5 所示噴油器驅(qū)動電流一共可分為3 個階段分別為高壓開放階段（T0時刻到T1時刻）、能量回收階段（T1時刻到T2時刻）及常規(guī)驅(qū)動階段（T2時刻到T4時刻）。下面分階段描述這3 個階段的工作過程。

高壓開放階段（T0時刻到T1時刻）:該階段BOOST高壓迅速注入到噴油器中，噴油器的電流迅速拉升到設(shè)定的峰值。此時高端調(diào)制輸出信號為低，低端調(diào)制輸出信號為高，即圖1 所示的MOS 管T3 和T2 同時打開。在此階段BOOST 電壓迅速下降，BOOST 控制電路控制信號輸出低電平，此時允許電路進(jìn)行能量回收工作。但此時維持電路沒有開始工作，因此本階段不會進(jìn)行能量回收。

能量回收階段（T1時刻到T2時刻）:由于BOOST電壓下降到設(shè)定閾值以下，BOOST 控制電路的輸出信號變?yōu)榈停创藭r電路將進(jìn)行能量回收工作。與此同時高端調(diào)制輸出信號為高，低端調(diào)制輸出信號為一階電流的調(diào)制脈沖，在這3 組邏輯信號的驅(qū)動下，圖1 中的MOS 管T1 常開，T2 在電流調(diào)制脈沖的作用下不斷地通斷，這樣T1，D1，R，噴油器，T2，D2，C1就形成了一個BOOST 電路，在調(diào)制噴油器電流的同時，不斷把噴油器續(xù)流電流的能量導(dǎo)入BOOST 電容C1，實現(xiàn)了能量回收的目的。只要BOOST 電壓沒有恢復(fù)到設(shè)定閾值則調(diào)制噴油器電流的模式都是按照能量回收的模式進(jìn)行調(diào)制。

常規(guī)驅(qū)動階段（T2時刻到T4時刻）：如圖5 所示，當(dāng)BOOST 電壓恢復(fù)到設(shè)定閾值的時候，電流調(diào)制進(jìn)入非能量回收階段。此時BOOST 控制電路的輸出信號變?yōu)楦?，低端調(diào)制輸出信號變?yōu)楦撸叨苏{(diào)制輸出信號變?yōu)槎A電流的調(diào)制脈沖，在這3 組邏輯信號的共同作用下，圖1 中的T2 常開，T1 在電流調(diào)制脈沖的作用下不斷通斷，此時的續(xù)流電流的能量不再導(dǎo)入BOOST 電容C1 而是消耗在由T1、T2、D1、噴油器及R 構(gòu)成的回路的內(nèi)阻上。這樣的邏輯避免了BOOST 電容C1 過充的危險，保持了BOOST 模塊輸出電壓的穩(wěn)定。從圖5 可以看到常規(guī)驅(qū)動階段跨越了一階維持（T1時刻到T3時刻）和二階維持（T3時刻到T4時刻）兩個階段，這兩個階段的控制原理相同，只是一階電流閾值和二階電流閾值不同。

整個電路的工作時序如圖5 所示，所有的邏輯時序都是由CPLD 合成，不會增加MCU 的軟件資源。

通常情況下電流回收階段在一階電流維持階段就能使得BOOST 模塊的輸出電壓恢復(fù)到設(shè)定值，也有少部分噴油器由于驅(qū)動能量較大，能量回收的時間較長，會跨越一階、二階兩個調(diào)制過程，這種參數(shù)的噴油器較少見。

3 能量可回收噴油器驅(qū)動電路充電效率分析

3.1 一般BOOST 模塊充電參數(shù)分析

以BOSCH 二代噴油器為例，噴油器的驅(qū)動瞬間，電流可達(dá)25 A，驅(qū)動電壓達(dá)45 V，驅(qū)動瞬間功率達(dá)1 125 W。設(shè)計功率如此高的BOOST 電源的話成本非常高昂，在實際的應(yīng)用中BOOST 模塊并不是一個電源，它是可以在驅(qū)動噴油器瞬間輸出電壓下降一定幅值的。對于一般的BOOST 電路，電感可以按照式（1）[8]來選擇。

其中：△I 是電感峰值電流的變化值，Vout是輸出電壓，輸入Vin是輸入電壓，f 是開關(guān)頻率，D 是占空比。

△I 可以取電感飽和電流（Isat）的一半值來估算，聯(lián)立（1），（2）兩式可得：

按照現(xiàn)在商用車電控單元的使用條件，取Vout=45V，Vin=24 V，Isat=10 A，f=100 K 算得電感約為22 μH，這種參數(shù)的電感價格便宜，供貨渠道廣泛，性價比高。

3.2 能量可回收驅(qū)動電路充電電路分析

以BOSCH 的二代共軌噴油器為例進(jìn)行計算，二代噴油器在電流提升段的電感參數(shù)約為150 μH，由于噴油器工作時電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴油器電磁閥電感的飽和電流，因此在電流保持階段電感參數(shù)約為35 μH。為方便說明只截取能量回收階段之前的噴油器驅(qū)動電流波形，電磁閥電感在調(diào)制維持電流時的工作過程如圖6 所示。

圖6 能量可回收驅(qū)動電路的充電過程示意圖

噴油器維持電流在調(diào)制過程中以一階維持電流（I）為中心，在峰值（I1）和谷值（I2）之間振蕩，電流振蕩上升時噴油器電磁閥存儲能量，電流振蕩下降時電磁閥對BOOST 模塊輸出電容充電，這一過程中傳輸?shù)哪芰靠捎檬剑?）[8]計算：

儲能時間可用式（5）表示：

充電時間可用式（6）表示：

可以用單位時間內(nèi)電感傳輸?shù)哪芰縼肀硎境潆娦?，?lián)立（4）、（5）、（6）式可得：

由式（7）可看出單位時間的充電能量僅和電感的充放電電流以及輸入輸出電壓有關(guān)。

通過（7）式可方便地比較BOOST 模塊功率電感的充電效率和能量可回收電路中噴油器電磁閥電感的充電效率，由于兩個電路工作時Vin和Vout相同，因此只要比較充放電流的峰值和谷值之和就可以了。

本設(shè)計選取BOOST 模塊的功率電感的充放電電流為10A，為方便計算讓功率電感工作在臨界CCM 模式（持續(xù)導(dǎo)通），此時充放電流的峰值和谷值之和是10，同理可得噴油器電磁閥電感充放電流的峰值和谷值之和約為30。（取I1=17，I2=13）上述分析可以看出能量可回收驅(qū)動電路的充電效率是BOOST 模塊的充電效率的3 倍。實際應(yīng)用中，BOOST模塊一般都采用UC2843 等集成DC-DC 轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，這些集成器為了防止輸出電壓過沖，會在實際電壓接近設(shè)定電壓時，降低充電電流。因此實際應(yīng)用中，能量可回收驅(qū)動電路的充電效率比BOOST 模塊的充電效率要更快一些。

4 實驗分析

為了驗證本文設(shè)計的有效性，筆者按照本設(shè)計方法搭建了驅(qū)動電路，其中BOOST 模塊的功率電感大小為22 μH，充電電流的峰值為10 A。并針對BOSCH公司的第二代噴油器進(jìn)行實驗分析。

圖7 是采用了能量可回收驅(qū)動電路的驅(qū)動波形，可以看出在一階電流維持階段，維持電流的鋸齒按照疏密程度明顯分成了兩段，其中較密的那段就是能量回收階段，比較稀疏的就是常規(guī)驅(qū)動階段，這是因為維持電流在對BOOST 模塊電容充電時，電流下降的速率比較快，常規(guī)驅(qū)動階段維持電流僅是通過二極管續(xù)流，電流下降的速度比較慢。

圖7 采用能量可回收驅(qū)動電路的驅(qū)動波形

圖7 中可看出從能量開始回收到高壓恢復(fù)總共用時350 μs，而圖8 是未采用能量可回收驅(qū)動電路的驅(qū)動波形，其中高壓恢復(fù)時間為1 800 μs，效率相差5 倍，和理論分析基本一致。

圖8 未采用能量可回收驅(qū)動電路的驅(qū)動波形

5 結(jié)論

本設(shè)計提出了一種能量可回收驅(qū)動電路。并通過實驗驗證了該電路在應(yīng)用中的一些突出優(yōu)勢，具備很強(qiáng)的實用性。

1）該電路結(jié)構(gòu)簡單，和傳統(tǒng)的噴油器驅(qū)動電路相比，結(jié)構(gòu)上基本沒變，只是采用了高端采樣電路，代替了常用的低端采樣電路。

2）使用該電路可顯著減少驅(qū)動高壓的恢復(fù)時間。

3）使用該電路可有效支持多次噴射，簡化大型柴油機(jī)電控單元BOOST 模塊的設(shè)計。