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6大模块缺一不可 动力传动系统中的传感器让汽车更高效

2019-12-24
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设计更好的动力传动系统是减少汽车排放的最有效方法。
正如我们所知,无论是提高内燃机的效率,还是设计电动汽车 (EV) 或混合动力电动汽车 (HEV),电气化都有助于动力传动系统取得重大进展。下面我们除了介绍汽车电气化能够为内燃机 (ICE) 中的动力传动系统传感器以及 EV 和 HEV 中的传感器带来的光明前景之外,还将说明电气化在优化动力传动系统以便有效地管理电池、逆变器和电机构建块方面发挥的重要作用。


动力传动系统感应简介


在下图所示的动力传动系统中,极其精确的电子传感器负责监控各种情况以提高效率。


HEV 中的动力传动系统


动力传动系统由多个模块组成;每个模块单独运行,并具有不同类型的传感器和反馈控制机制。汽车的效率主要取决于动力传动系统传感器和传动器的准确性、精度和响应时间。


这些传感器有助于实现闭环运行,这样才能传达用于管理发动机和控制变送器的感应信息。动力传动系统的主要推动因素是经济性和排放,它们会影响性能和操纵灵活性。在发动机和变速器系统中,传感器及其反馈控制机制能够精确地监控激励,因此有助于提高效率,进而提高燃烧过程的效率以减少排放。传感器及其反馈控制机制可精确地监控激励以提高燃烧过程的效率,从而提高发动机和变速器系统的整体效率。


一台传统的内燃机


要在 EV 和 HEV 车辆中提高电气化程度,工程师需要重新定义动力传动系统的架构和控制。动力传动系统传感器在 ICE 车辆中发挥着同样重要的作用。如上图所示,车辆的电气化始于智能传感器。在 ICE 车辆中,主要依靠动力传动系统传感器及其性能来减少排放。


动力传动系统传感器概述


动力传动系统传感器根据它们提供的计量功能分类,如下图所述。


根据测量原理划分的动力传动系统传感器类别


动力传动系统传感器通常应具备以下特性:
• 低功耗(约 10mA)。
• 高精度意味着精确的控制机制。
• 对激励变化非常敏感。
• 在汽车环境内的稳健性。
• 电磁干扰 (EMI) 电磁兼容性。


动力传动系统温度传感器


动力传动系统中有三种主要的温度传感器:


• 热电偶。随着新型柴油发动机的出现,市场越来越需要高温传感器,这是因为排气系统位于发动机的正下方。这种配置要求以高精度、高分辨率和高集成度执行温度检测。能够承受和检测高温的排气系统温度传感器通常使用基于热电偶的工作原理,并具有多个热电偶温度传感器和一个用于控制这些传感器的独立模块。


• 热敏电阻。市场中出现的新型热敏电阻支持高温范围,以满足高温传感器的需求。硅基线性热敏电阻取代具有负温度系数和正温度系数的标准热敏电阻也是大势所趋。使用这些新型智能热敏电阻,可以在较大的动态范围内实现高线性度,这是汽车动力传动系统的一个特殊需求。


• 硅。硅温度传感器正在 HEV/EV 和 ICE 车辆中发挥着重要作用。


动力传动系统压力传感器


集成式动力传动系统压力传感器使用基于电容和电阻的工作原理。信号调节以及放大器、模数转换器、微控制器和数模转换器/数字接口全部在一个芯片上。压力传感元件在温度范围内通常具有非线性特征,因此传统的压力传感器信号调节电路包含温度和线性补偿机制。


由于压力传感器模块导线需要多条线束,因此防止此模块出现过流、过压或短路等线束故障始终是一种很好的做法。在汽车应用中,动力传动系统压力传感器的信号调节应使传感器能够在极其恶劣的环境中运行,并承受多种振动、温度波动、各种电磁条件和冲击。


动力传动系统液位和浓度传感器


动力传动系统液位和浓度传感器通常使用基于超声波和电容的工作原理。必须在车辆内的多个位置测量液位:例如,水箱、燃油箱、液压油油箱、油箱和尿素罐都位于汽车的动力传动系统中。必须监控这些油液的液位和浓度,才能实现高效的控制回路运行。


在排气系统中,在柴油微粒滤清器 (DFP) 滤清之后喷射车用尿素溶液,以降低排放物中的氨浓度。油液浓度和液位传感器在测量油液浓度和车用尿素溶液液位方面发挥着重要的作用。


动力传动系统位置传感器


位置传感器是另一类服务于 ICE、HEV 和 EV 动力传动系统的重要传感器。它们可测量速度、角度、关键操作(例如电动动力转向、牵引逆变器、自动变速器和防锁死制动系统)中的开/关位置。电感式位置传感器可提供更高的稳健性和精确性,并减少了维护工作。


动力传动系统排气传感器


所有 ICE 车辆,包括混合动力电动汽车,都采用了排气传感器。随着新排放标准的出台,对于排气感应的要求变得更加严格,越来越多的国家/地区实际上都在强制实施排放限制。


汽车排气系统中的传感器类型


如上图所示,车辆排气系统中存在不同类型的传感器。这些传感器通常使用化学工作原理,具有两个电极并使用电极电势原理进行感应。这些类型的化学传感器可能具有更高的维护成本和更长的响应时间。


新型射频 (RF) 排气传感器可实现更短的响应时间、更低的维护成本和更高的精确性。这些传感器的工作原理是,当使用一根发射天线引起共振时, 每种气体都有各自的吸收频率;一根接收天线可完成所有的气体感应工作。


动力传动系统电流传感器


电流传感器是内燃机、HEV 或 EV 车辆的动力传动系统中最重要的传感器之一。磁分流原理可满足汽车中的电流感应需求。您可以根据传感器的位置选择合适的原理。内燃机车辆的电流感应电压通常是 12V;在HEV/EV 车辆中,通常是 48V,在 EV 中介于 400V 到600V 或 800V 之间。


动力传动系统中的传感器的基本注意事项


新汽车技术的出现和车辆的持续电气化正在影响动力传动系统传感器及其配套电子产品。在 HEV 和 EV中,对于电流和位置传感器的设计要求明显变得更加严格。


为使动力传动系统传感器能够在恶劣的汽车环境中可靠地运行,极其精确的信号调节器和高精度运算放大器发挥着极其重要的作用。传感器信号调节电子产品能够帮助化解的挑战包括高温和振动条件、EMI 保护以及符合汽车安全标准。


在最终分析中,动力传动系统传感器有可能成为汽车电气化领域的最大技术突破之一。不过,当选择动力传动系统传感器和它们的配套信号调节电子产品时,您应仔细审核基本设计注意事项。点击阅读原文,查看更多汽车混合动力、电动动力传动系统中的参考设计。


(作者:Sandeep Tallada,德州仪器(TI) 汽车系统工程师) 

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