Forschung zu Steuerungsstrategien für elektrische Kompressoren in Elektrofahrzeugen

Derzeit gibt es umfangreiche Forschung zu den mechanischen Teilen elektrischer Kompressoren, relativ wenig Forschung zum Design und zur Steuerung der Kompressorsteuerung. In diesem Artikel werden die Steuerungsprinzipien, Software-Schutzstrategien und Fahrzeuginteraktionsaspekte von E-Kompressoren analysiert und untersucht und einige Referenzen für das Design, die Entwicklung und die Wartung nach dem Verkauf bereitgestelltElektrokompressoren für Elektrofahrzeuge.

1 Überblick über das Design des Steuerungsprinzips

Das typische Steuerprinzip einer elektrischen Kompressorsteuerung ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Hardwareteil der Steuerung kann in den Hochspannungs-Stromversorgungsteil, den Niederspannungs-Steuerteil und die Hochspannungs-Verriegelungsschleife unterteilt werden. Wenn der Kompressor ein Niederspannungssteuersignal empfängt, schaltet der IGBT die Hochspannungsversorgung ein und treibt den Motor an, um den Kompressor zu betreiben.

1.1 Hochspannungs-Stromversorgungsteil

Der HV-Stromversorgungsteil umfasst Hochspannungsanschlüsse, Hochspannungsfilterschaltungen und IGBTs. Die Hochspannungsstecker werden an den Kabelbaum des Fahrzeugs angeschlossen. Der Steckersockel besteht aus Metall und wird über Schrauben mit dem Kompressorgehäuse verbunden. Bei einem Leck am Stecker kann der Strom durch das Kompressorgehäuse zum Fahrzeug und dann zur Erde geleitet werden.
Der Hochspannungsfilterkreis besteht normalerweise aus mehreren parallel geschalteten Filterkondensatoren. Die Hauptziele sind zweierlei: erstens, ungewöhnliche Schwankungen in der Busspannung herauszufiltern, um sicherzustellen, dass die dem Kompressor zugeführte Spannung stabil ist und verhindert, dass große Spannungsschwankungen den Kompressor beschädigen; Zweitens, um die vom Kompressor aufgrund von Leistungsänderungen erzeugte Welligkeitsspannung zu absorbieren und so zu verhindern, dass die vom Kompressor erzeugte Welligkeit das Fahrzeug und andere Hochspannungskomponenten beeinträchtigt.
Der IGBT ist eine entscheidende Komponente im AC-Controller. Im Allgemeinen einElektrischer Kfz-Wechselstromkompressorbesteht aus sechs IGBTs, die den Hochspannungskreis steuern, indem sie die IGBTs ein- und ausschalten und so den Motorkompressor zum Laufen bringen. Da der IGBT Hochspannung führt und häufig schaltet, ist seine Arbeitsumgebung die härteste in der gesamten Steuerung. Zu den häufigsten IGBT-Fehlermodi gehören Überstrom, Überspannung und Überhitzung. Um sicherzustellen, dass der IGBT innerhalb eines angemessenen Temperaturbereichs arbeitet, werden der elektrischen Kompressorsteuerung normalerweise viele Schutzlogiken hinzugefügt.

1.2 Niederspannungs-Steuerteil

Der Niederspannungs-Steuerteil umfasst Niederspannungsanschlüsse, Filterschaltungen, DC-DC-Wandler, LIN/CAN-Kommunikationsschaltungen, Abtastschaltungen und das Steuergerät. Die Niederspannungsanschlüsse werden an den Kabelbaum angeschlossen und stellen Niederspannungsstrom und LIN/CAN-Signalkommunikation für die Kompressorsteuerung bereit.
Die Filterschaltung gewährleistet die Stabilität des Niederspannungseingangs. Der DC-DC-Wandler wandelt 12-V-Strom in verschiedene Spannungen um, um verschiedene Geräte mit Strom zu versorgen, beispielsweise die IGBT-Treiberschaltung, die im Allgemeinen eine geregelte 15-V-Stromversorgung erfordert, und die Abtastschaltung, die im Allgemeinen eine geregelte 3,5-V-Stromversorgung erfordert. Die LIN/CAN-Kommunikation ist der Kanal für die Interaktion zwischen dem Kompressor und dem Fahrzeug. Dadurch kann das Fahrzeug verschiedene Befehle an den Kompressor senden und der Kompressor gibt dem Fahrzeug eine Rückmeldung über seinen tatsächlichen Status. Die Abtastschaltung erkennt die Arbeitsspannung, den Strom, die Temperatur des Kompressors und die Hardware-Schutzschaltungen.
Das Steuergerät ist das Herzstück der Signalinteraktion und -übertragung in der elektrischen Kompressorsteuerung. Es empfängt LIN/CAN-Signale vom Fahrzeug und erfasst gleichzeitig seine eigene Spannung, seinen Strom, seine Temperatur und seinen Status aus verschiedenen Abtastkreisen, um festzustellen, ob der Kompressor die Startbedingungen erfüllt. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, sendet das Steuergerät ein Startsignal an den IGBT-Treiberchip, wodurch der IGBT ein- und ausgeschaltet wird, um den Kompressormotor zu starten. Das Steuergerät überwacht kontinuierlich den Betriebsstatus aller Komponenten und stoppt bei einer Anomalie sofort den Kompressor und meldet den Fehlermodus an das Fahrzeug zurück.

1.3 Hochspannungs-Verriegelungsschleife

Der Zweck der HV-Verriegelungsschaltung besteht darin, persönliche Sicherheitsprobleme zu verhindern, die durch Leckagen aufgrund eines falschen oder schlechten Anschlusses der Anschlüsse des elektrischen Kompressors verursacht werden. Das Prinzip besteht darin, den normalen Betrieb aller Hoch- und Niederspannungskreise über einen Niederspannungskreis sicherzustellen. Nur wenn alle Anschlüsse ordnungsgemäß angeschlossen sind, können die Hochspannungskomponenten normal funktionieren. Wenn der Strom des Interlock-Schaltkreises den Normalwert überschreitet, meldet das Fahrzeug einen Interlock-Schaltkreisfehler und die Hochspannung kann nicht aktiviert werden.

2 Software-Schutzstrategien

Basierend auf häufigen Fehlermodi vonHV-KompressorenSchutzstrategien dienen dazu, den Kompressor durch rechtzeitige Leistungsreduzierung oder Abschaltung vor weiteren Schäden bei abnormalem Betrieb zu schützen. Zu den Schutzstrategien gehören LIN/CAN-Kommunikationsschutz, Temperaturschutz, Überstromschutz, Überspannungsschutz und Vorheizen bei niedriger Temperatur.

2.1 LIN/CAN-Kommunikationsschutz

Unter LIN/CAN-Kommunikationsschutz versteht man das sofortige Stoppen des Kompressors, wenn über einen bestimmten Zeitraum Kommunikationsfehler wie Bitfehler, PID-Fehler, keine Antwortfehler, Rahmenfehler oder physische Busfehler auftreten. Sobald die Kommunikation wiederhergestellt ist, nimmt der Kompressor den Normalbetrieb wieder auf.

2.2 Übertemperaturschutz

Beim Übertemperaturschutz wird der Kompressor angehalten, wenn die IGBT-Temperatur zu hoch oder zu niedrig ist (den eingestellten Temperaturbereich überschreitet). Der Kompressor nimmt den Betrieb wieder auf, nachdem die Temperatur wieder den eingestellten Bereich erreicht hat und die Stoppzeit den eingestellten Wert überschreitet. Dieser Schutz verhindert, dass IGBT-Schäden durch den Betrieb außerhalb seines Temperaturbereichs verursacht werden.
Um zu vermeiden, dass die IGBT-Temperatur aufgrund eines Sensorausfalls nicht erfasst werden kann, sind im Allgemeinen zwei Temperatursensoren im Controller angeordnet. Das Steuergerät verwendet den höheren Wert der Sensoren, um die Temperatur zu ermitteln. Wenn die Absolutwertdifferenz zwischen den beiden Sensoren den eingestellten Wert überschreitet, meldet es einen Fehler des Temperatursensors.

2.3 Überstromschutz

Der Überstromschutz soll Schäden an internen elektrischen Komponenten durch Überstrom verhindern. Es umfasst Busstromschutz und Phasenstromschutz.
Der Busstromschutz begrenzt den Eingangsstrom auf einen bestimmten Wert und bei Überschreitung stoppt der Kompressor. Der Phasenstromschutz verhindert IGBT-Schäden, da der Phasenstrom direkt mit der Kompressorlast korreliert. Der Überstromschutz ist auch mit dem Temperaturschutz verbunden, um die Phasenstromgrenzen bei steigender IGBT-Temperatur zu senken und so Schäden am IGBT durch den Betrieb unter hohen Strom- und Temperaturbedingungen zu verhindern.

2.4 Überspannungsschutz

Der Überspannungsschutz begrenzt die Kompressorgeschwindigkeit oder stoppt den Kompressor, wenn die Spannung den Betriebsbereich überschreitet. Es umfasst Hochspannungsschutz und Niederspannungsschutz, weiter unterteilt in 12-V-Stromschutz und 15-V-Antriebsspannungsschutz.
Der Hochspannungsschutz verhindert Schäden an internen Komponenten durch hohe Eingangsspannung und begrenzt die Leistung oder stoppt den Kompressor bei niedriger Eingangsspannung. Aufgrund der Instabilität auf dem Markt kombiniert der Hochspannungsschutz Software- und Hardwareschutz, um Spannungsspitzen auf ms- bzw. us-Ebene zu erkennen. Um einen Ausfall des Hochspannungssensors zu verhindern, sind im Controller zwei Sensoren angeordnet, die regelmäßig Werte vergleichen und den Kompressor stoppen, wenn die Differenz den eingestellten Wert überschreitet.
Bei Erkennung einer Überspannung läuft der Kompressor mit begrenzter Leistung und reduziert die Drehzahl, bis die Spannung wieder normal ist. Der Unterspannungsschutz umfasst einen 12-V-Stromschutz, der den Kompressor stoppt, wenn die Spannung den eingestellten Wert überschreitet, und die Wiederaufnahme des Normalbetriebs, wenn die Spannung wieder den Normalwert erreicht. Der Antriebsleistungsschutz bezieht sich auf den IGBT-Antriebsleistungsschutz, der die Leistung begrenzt oder den Kompressor stoppt, wenn die 15-V-Antriebsspannung den eingestellten Wert überschreitet.

2.5 Vorwärmen bei niedriger Temperatur

Das Vorwärmen bei niedriger Temperatur verhindert den Kompressorstart in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, was zu einer Verfestigung des Schmiermittels führen könnte. Das Steuergerät wärmt das Schmiermittel mithilfe von Vorheizwiderständen vor, bevor der Kompressor gestartet wird, und stellt so den ordnungsgemäßen Betrieb sicher.
Elektrische Kompressorsteuerungen sind mit zahlreichen Schutzstrategien ausgestattet, um Kompressorschäden bei verschiedenen Fehlerarten zu verhindern. Effektive Schutzstrategien sind bei der Konstruktion elektrischer Kompressoren von entscheidender Bedeutung und erfordern strenge Tests und Verifizierungen. Fahrzeughersteller entwerfen umfangreiche Diagnosefehlercodes in der Controller-Software, um die Schutzstrategien zu validieren.

3 Interaktionsstrategien zwischen elektrischem Kompressor und Fahrzeug

Es gibt Daten- und Aktionsinteraktionen zwischen dem elektrischen Kompressor und dem Fahrzeug.

3.1 Dateninteraktion

Die Dateninteraktion umfasst den Empfang von LIN/CAN-Befehlsinformationen vom Fahrzeug und die Rückmeldung der Statusinformationen des Kompressors, wie Start- und Stoppbefehle, Kompressorgeschwindigkeitsbefehle, Betriebsspannung, Stromwerte, Temperaturwerte und Fehlercode-Feedback.
Beim Empfang des Startbefehls prüft das Steuergerät, ob die Bedingungen erfüllt sind. Wenn diese erfüllt sind, startet der Kompressor; andernfalls meldet es die Fehlerinformationen an das Fahrzeug.

3.2 Aktionsinteraktion

Die Aktionsinteraktion umfasst die Steuerlogikaktionen des Kompressors und die internen Luftstromaktionen des Kompressors, einschließlich Starten und Stoppen des Kompressors, Anpassen der Kompressorgeschwindigkeit, Schutzaktionen und vorbeugende Aktionen.
Wenn das Fahrzeug einen Startbefehl sendet, startet die Kompressorsteuerung den Kompressor. Im Fehlerfall führt die Steuerung auf der Grundlage einer internen Schutzlogik Maßnahmen aus, z. B. das Stoppen des Kompressors oder den Betrieb mit begrenzter Leistung.
Darüber hinaus muss der elektrische Kompressor mit dem AC-System des Fahrzeugs interagieren und Informationen von Sensoren wie Temperatur und Druck an das AC-Steuergerät des Fahrzeugs zurückmelden, um einen optimalen Betrieb des AC-Systems sicherzustellen.

Elektrische Kompressoren mit variabler Drehzahlspielen bei Elektrofahrzeugen eine entscheidende Rolle und beeinflussen direkt die Leistung des Klimaanlagensystems des Fahrzeugs. Dieser Artikel analysiert und untersucht die Steuerungsprinzipien, Softwareschutzstrategien und Fahrzeuginteraktionsaspekte elektrischer Kompressoren und bietet Referenzen für das Design, die Entwicklung und die Kundendienstwartung von E-Kompressoren. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der EV-Technologie werden sich auch die Steuerungsstrategien für elektrische Kompressoren verbessern, um sie an komplexere Anwendungsszenarien anzupassen.