使用箱内燃油泵中的无刷电机提高燃油效率

德尔福动力总成系统，密歇根州特洛伊

大多数汽车燃油系统都使用燃油输送模块 (FDM)，其组件可过滤汽油并以指定的压力和流量将汽油从油箱泵送到发动机。 FDM 使用油箱组件来维持泵入口处的燃油供应，并支持压力调节器和/或限制器、过滤器、液位传感器以及穿过油箱的电气和液压连接等组件。当前的系统主要使用无源电气元件，例如刷泵和电阻式油位传感器，它们分别独立地连接到电压源和车身控制模块。这些系统的高流量需要能够在最大速度条件下连续运行的高功率泵。一些较新的系统可能会采用电压控制器，根据预计的发动机需求将泵电源电压调节为离散速度，并在功耗方面提供一些改进。

新型 FDM 在泵组件中采用无刷 (BL) 电机，并包括一个集成控制器，为电机提供电气换向。由于 BL 泵比刷式泵效率更高，并且控制器提供闭环速度控制，因此该解决方案显着改善了功耗，从而降低了二氧化碳 (CO2) 排放量。 BL 泵的另一个优点是通过电机定子和转子之间的磁力耦合产生的，并消除了在腐蚀性燃料中可能磨损和/或形成薄膜的触点。这提高了FDM的耐用性和可靠性。

此外，集成控制器提供泵诊断，并且可以在油箱组件内包括传感器信号处理电路，以提供额外的健康状态信息和/或通过与改进的传感技术（例如非接触式燃油液位传感器）连接来提供进一步的系统性能改进。 BL 控制器除了可以减少与反电动势 (ElectroMotive Force) 感应相耦合的噪声（用于无传感器电机速度测量）之外，还受益于靠近泵的优势。

该图显示了具有集成模块的车辆架构，其中 FDM 内包含 BL 控制器。 BL 泵控制器采用与有刷泵电压控制器类似的技术，通过高频切断电源电压来调节流经三相各相的电流。调整关闭时间以达到将泵速维持在发动机控制模块 (ECM) 指令水平所需的驱动电流水平。这种脉冲宽度调制 (PWM) 电压信号可实现闭环速度控制，以确保燃料流量不受压力、电源电压、燃料特性和温度等环境因素的影响。

此外，BL 控制器还可以补偿泵参数的变化和时间引起的漂移。集成 FDM 组件通过最小化与 BL 泵的距离并提供适合泵设计和应用要求的控制算法来优化系统性能。此外，BL 控制器还包括泵诊断功能，用于监控电源电压、驱动电流、控制器温度和电机速度。这些参数的变化超出可预测和/或可接受的限度可能会提示系统关闭以防止损坏或只是向 ECM 传达异常情况。

使用稳健的工程技术和其他统计工具来得出最佳解决方案，以满足严格的扭矩、速度、压力和流量要求。使用分析工具执行全因子设计实验，以模拟电机性能并得出满足应用扭矩和效率要求的参数组合，同时最大限度地减少导致过度振动和噪音的齿槽扭矩、扭矩脉动和不平衡磁拉力。使用电机组件的实验室测试证实了最佳组合和分析结果。实验得出了定子 9 极、转子 10 极的电机设计。绕组配置经过调整，可在 12 伏和 5000 rpm 下满足大于 0.10 Nm 的扭矩，在组件的设计公差水平下效率为 68%。

这项工作是由德尔福动力总成系统公司的 Duane Collins、Philip Anderson、Sharon Beyer 和 Daniel Moreno 完成的。有关该技术的完整技术论文可通过 SAE International 购买：http://papers.sae.org/2012-01-0426。