Brandstofefficiëntie verbeteren met brushless motoren in in-tank brandstofpompen

Nieuwe Fuel Delivery Module met brushless motor

De meeste automobiele brandstofsystemen gebruiken een Fuel Delivery Module (FDM) met componenten om benzine te filteren en te pompen bij een gespecificeerde druk en stroomsnelheid van de brandstoftank naar de motor. De FDM gebruikt een reservoirassemblage om een brandstofvoorraad aan de pompinlaat te handhaven en componenten zoals drukregulators en/of limiters, filters, niveau sensor, en de elektrische en hydraulische verbindingen die door de tank passen te ondersteunen. Huidige systemen gebruiken voornamelijk passieve elektrische componenten zoals borstelpompen en weerstandsbrandstofniveausensoren die onafhankelijk verbonden zijn met een spanningsvoorziening en body control module, respectievelijk. De hoge stroomniveaus van deze systemen vereisen hoge-vermogen pompen die continu op maximum snelheid kunnen opereren. Sommige nieuwere systemen kunnen een spanningcontroller gebruiken om de pompspanning te moduleren naar discrete snelheden afhankelijk van verwachte motorvraag, en bieden enige verbetering in stroomverbruik.

Brushless motor met geïntegreerde controller

Een nieuwe FDM gebruikt een brushless (BL) motor in de pompassemblage, en bevat een geïntegreerde controller om elektrische commutatie voor de motor te bieden. Aangezien de BL pomp efficiënter is dan de borstelpomp, en de controller gesloten-lus snelheidsregeling biedt, biedt deze oplossing significante verbeteringen in stroomverbruik en daarmee koolstofdioxide (CO2) emissies. Een ander voordeel van de BL pomp wordt geproduceerd met de magnetische koppeling tussen de motor's stator en rotor, en eliminatie van de contacten die kunnen slijten en/of film vormen in agressieve brandstoffen. Dit verbetert de duurzaamheid en betrouwbaarheid van de FDM.

Additionele voordelen

Daarnaast biedt de geïntegreerde controller pompdiagnostiek en kan sensor signalverwerkingscircuitry binnen de tankassemblage omvatten om additionele state-of-health informatie mogelijk te maken en/of verdere systeemprestatieverbeteringen te bieden door te interfaceren met verbeterde sensortechnologieën zoals een contactloze brandstofniveausensor. De BL controller profiteert van nabijheid tot de pomp naast reductie in ruis gekoppeld aan de back EMF (ElectroMotive Force) senseringsfase voor sensorloze motorsnelheidsmetingen.

PWM besturing voor gesloten-lus snelheidsregeling

De figuur toont een voertuigarchitectuur met de geïntegreerde module die de BL controller binnen de FDM bevat. Met een vergelijkbare techniek als de spanningcontroller voor borstelpompen, moduleert de BL pompcontroller de stroom die door elk van de drie fasen vloeit door de voorzieningsspanning bij hoge frequentie uit te schakelen. De uitschakeltijd wordt aangepast om het aansturingsstroomniveau te bereiken dat vereist is om de pompsnelheid op het niveau te handhaven dat bevelen wordt door de Engine Control Module (ECM). Dit pulse-width-gemoduleerde (PWM) spanningssein maakt gesloten-lus snelheidsregeling mogelijk om brandstofstroom te garanderen onafhankelijk van omgevingsfactoren zoals druk, voorzieningsspanning, brandstofeigenschappen, en temperatuur.

Diagnostiek en robuust ontwerp

Bovendien compenseert de BL controller voor variaties in pompparameters en tijd-geïnduceerde drift. De geïntegreerde FDM assemblage optimaliseert systeemprestaties door afstand tot de BL pomp te minimaliseren, en door een controle-algoritme te bieden afgestemd op het pompontwerp en toepassingsvereisten. Bovendien omvat de BL controller pompdiagnostiek voor monitoring van voorzieningsspanning, aansturingsstromen, controllertemperatuur, en motorsnelheid. Variaties in deze parameters buiten voorspelbare en/of acceptabele limieten kunnen systeemsluiting initiëren om schade te voorkomen of simpelweg een abnormale conditie aan de ECM communiceren.

Robuuste engineering technieken en andere statistische tools werden gebruikt om de optimale oplossing af te leiden om stringent koppel, snelheid, druk, en stroomvereisten te voldoen. Volledige factorieel ontwerp van experimenten werden uitgevoerd met analytische tools om de motorprestaties te simuleren en de combinatie van parameters af te leiden die de toepassing koppel en efficiëntievereisten voldoen terwijl koppelpulsatie, koppelripple, en ongebalanceerde magnetische trekking die resulteert in excessieve trilling en geluid geminimaliseerd worden. De optimale combinatie en analytische resultaten werden bevestigd met laboratoriumtesten met motorassemblages. De experimenten leidden tot een motorontwerp met 9 polen in de stator en 10 polen in de rotor. De wikkelingconfiguratie was afgestemd om een koppel groter dan 0.10 Nm bij 12 Volt en 5000 rpm te voldoen, met 68% efficiëntie met de ontwerptolerantieniveaus van de assemblage.