一种能量可回收高压共轨喷油器驱动电路的设计*

谢宏斌 高 崴 蒋兆杰 张美娟 张爱云

（1-无锡职业技术学院汽车与交通学院 江苏 无锡 214121 2-中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所）

引言

高压共轨技术是柴油机电控的主流技术，在燃油经济性及排放清洁性方面拥有巨大优势。在柴油机共轨系统中，电控喷油器是非常重要的一个部件。它接受电子控制单元的控制脉宽，精确计量喷油量并将其雾化喷射到燃烧室内。喷油器是通过高速电磁阀实现喷射控制的，因而电磁阀的性能直接影响喷油器的响应速度和控制精度，是喷油器总成的核心元件。

随着新型的电磁铁型喷油器（以下简称喷油器）制造工艺的改进，新一代喷油器高速电磁阀的电感参数越来越小，其所需的维持电流的调制频率也大大提高。喷油器电磁阀所贮存的暂态能量也较大。喷油器电磁阀的驱动过程[1-3]实际上是一个能量转换的过程，在一般的驱动电路中，电磁阀中贮存的能量都被电路中的功率电阻、续流二极管转换成热能散发掉了，没有进行有效的利用。

本文提出了一种可以进行能量回收的喷油器驱动电路，该电路在进行调制驱动电流的同时，将电磁阀中电感贮存的能量导入BOOST 电路的输出电容中，可以大大减少每次喷射后BOOST 电路输出电压的恢复时间。

这种驱动电路有效利用了每个电磁阀中贮存的能量，提高了BOOST 电路的充电速度。应用这种电路有以下两个方面的优势。

1）由于BOOST 电路的输出高压恢复时间很短，可以更高效地支持多次喷射，每次喷射时间的间隔可以设计得非常短，能满足复杂的控制策略的需求；

2）由于大型柴油机的气缸数都超过6 缸，有的甚至达到20 缸。设计这些大型柴油机电控单元时，通常的做法就是增加BOOST 模块的数量。使用本文设计的驱动电路，就不需要增加BOOST 电路的数量。因为喷油器在每次驱动过程的同时，会对BOOST输出电容充电，BOOST 电路的输出功率能够满足多缸喷油器的驱动需求。

1 能量可回收喷油器驱动电路的结构

图1 是能量可回收的新型喷油器驱动电路的拓扑结构图。该拓扑结构不同于传统的喷油器驱动电路的结构，如图中采样电阻R 的位置。使用这样的拓扑结构，有利于在调制喷油器驱动电流的同时，对BOOST 模块进行充电，从而达到能量回收的目的。

该拓扑结构由3 个重要的子电路组成，高端电流调理电路、BOOST 控制电路及可编程逻辑器件（CPLD）逻辑电路。

图1 能量可回收喷油器驱动电路的拓扑结构

高端电流调理电路负责采集电流信号，并将调理好的电流控制信号输出到CPLD 逻辑电路单元，CPLD 逻辑单元根据这些控制信号进行逻辑运算，按照需求调制喷油器驱动电流。

BOOST 控制电路可以根据实际BOOST 电压是否达到设定的阈值给出控制信号，来决定驱动电路是否要结束能量回收阶段。能量回收阶段结束后，驱动电路将转入一般驱动阶段。

CPLD 逻辑电路单元是整个驱动电路的控制核心，它根据输入的各种控制信号合成正确的逻辑来调制喷油器驱动电流。

图2 高端电流调理电路结构示意图

2 能量可回收喷油器驱动电路工作原理

2.1 高端电流调理电路

本设计采用了一种新型的基于CPLD 的调制电路，其电路结构如图2 所示。

图2 中的U1，U2，U3 是NLX2G66[4]，一款安森美公司提供的双路模拟开关。该器件的特点是每个模拟通路的通断受到输入逻辑信号的控制，并且该器件通道的转换时间仅为10 ns。

一阶调制电流的峰值和谷值可以任意设定，设定好峰值和谷值后，调制电流就可以按照设定的峰值和谷值振荡运行。调制出符合要求的维持电流。当电流处于上升阶段时，设定为波峰电流阈值的U2A通道被选通。当电流上升到电流大于波峰电流阈值时，比较器U5 的逻辑输出变为高，此时电流转为下降阶段，并且此时设定为波谷电流阈值的U2B 通道被选通，当电流下降到比波谷电流阈值小的时候，此时比较器U5 的逻辑输出变为低，电流重新转为上升阶段，设定为波峰电流阈值的U2A 再次被选通。这样就完成了一个周期的循环，在这个调制维持电流的过程中，只需提供两个精确的波峰和波谷电流阈值，就可以调制出需要的锯齿波形。

一阶调制电路和二阶调制电路的原理相同，不再详述。

高端电流调理电路的3 个输出信号，即峰值限制控制输出、一阶电流控制输出及二阶电流控制输出将输出到CPLD，由CPLD 合成最终的控制信号。

高端电流调理电路和低端电流调理电路最大的不同就是电流采样电阻所处的位置，如图1 所示。本文设计的高端电流调理电路的采样电阻位于高边开关一侧。为了精确采样高边采样电阻的电流信号，本文采用了德州仪器公司的一款高边采样芯片为INA193[5]，该芯片可精确测量采样电阻两端电压的变化情况，从而检测出驱动电流的变化情况。并将检测出的电压信号作为高端调理电路的输入信号，并以此信号为基础进行电流调制。

2.2 BOOST 控制电路

设计的能量可回收驱动电路的核心就是在调制喷油器驱动电流的同时，将喷油器电磁阀电感上贮存的能量回收到BOOST 电路的输出电容中，整个电路工作时可由图3 来说明。

从图3 可以看出当能量可回收驱动电路开始工作时，驱动高压的来源有两个，一个是BOOST 模块，另一个是能量可回收驱动电路工作时，喷油器电磁阀中贮存的能量。实际上能量可回收驱动电路工作时，它就是一个升压结构，后面章节会详细分析它的工作原理。到设定阈值时，停止能量回收。可以用一个比较器来完成这样的工作。通过检测BOOST 模块实际的输出电压值，当该电压值达到设定的阈值时，BOOST 控制电路将输出一个上升沿，该信号输出到CPLD。CPLD

图3 能量可回收驱动电路工作时的等效电路图

一般BOOST 模块对升压电路设有一个内嵌的控制电路，即当驱动高压升压达到设定阈值时，升压电路会停止充电。为了能有效地控制能量回收的进程，也需要在驱动高压升压达到阈值时，停止能量回收。为此设计了一个BOOST 控制电路，该电路结构如图4 所示。

图4 BOOST 控制电路结构示意图

BOOST 控制电路的目的就是能够在驱动高压达检测到该信号后，将会停止能量回收，整个驱动电路将转为一般驱动的模式。

2.3 基于CPLD 的能量可回收电路工作原理

图5 所示为能量可回收驱动电路的工作时序图。

图5 能量可回收驱动电路的工作时序图

喷油器电流调制一般采用PEAK-HOLD[6]模式，即首先用高压快速拉升喷油器的电流到达设定的峰值，然后用电池电压（24 V 或者12 V）分两个阶段将电流维持在设定的阈值[7]。下面将分阶段详细叙述整个电路的工作过程。

1）如图1 所示，由高端电流调理电路、BOOST 控制电路、CPLD 控制器以及图示的各离散器件构成了一个新型的拓扑结构，该拓扑结构在电流调制阶段根据此时BOOST 电压是否小于设定的阈值来决定是否将续流电流的能量导入BOOST 模块的电容（C1），电阻R 的位置可以确保电路能全面监控喷油器中调制电流的变化情况。

2）如图5 所示喷油器驱动电流一共可分为3 个阶段分别为高压开放阶段（T0时刻到T1时刻）、能量回收阶段（T1时刻到T2时刻）及常规驱动阶段（T2时刻到T4时刻）。下面分阶段描述这3 个阶段的工作过程。

高压开放阶段（T0时刻到T1时刻）:该阶段BOOST高压迅速注入到喷油器中，喷油器的电流迅速拉升到设定的峰值。此时高端调制输出信号为低，低端调制输出信号为高，即图1 所示的MOS 管T3 和T2 同时打开。在此阶段BOOST 电压迅速下降，BOOST 控制电路控制信号输出低电平，此时允许电路进行能量回收工作。但此时维持电路没有开始工作，因此本阶段不会进行能量回收。

能量回收阶段（T1时刻到T2时刻）:由于BOOST电压下降到设定阈值以下，BOOST 控制电路的输出信号变为低，即此时电路将进行能量回收工作。与此同时高端调制输出信号为高，低端调制输出信号为一阶电流的调制脉冲，在这3 组逻辑信号的驱动下，图1 中的MOS 管T1 常开，T2 在电流调制脉冲的作用下不断地通断，这样T1，D1，R，喷油器，T2，D2，C1就形成了一个BOOST 电路，在调制喷油器电流的同时，不断把喷油器续流电流的能量导入BOOST 电容C1，实现了能量回收的目的。只要BOOST 电压没有恢复到设定阈值则调制喷油器电流的模式都是按照能量回收的模式进行调制。

常规驱动阶段（T2时刻到T4时刻）：如图5 所示，当BOOST 电压恢复到设定阈值的时候，电流调制进入非能量回收阶段。此时BOOST 控制电路的输出信号变为高，低端调制输出信号变为高，高端调制输出信号变为二阶电流的调制脉冲，在这3 组逻辑信号的共同作用下，图1 中的T2 常开，T1 在电流调制脉冲的作用下不断通断，此时的续流电流的能量不再导入BOOST 电容C1 而是消耗在由T1、T2、D1、喷油器及R 构成的回路的内阻上。这样的逻辑避免了BOOST 电容C1 过充的危险，保持了BOOST 模块输出电压的稳定。从图5 可以看到常规驱动阶段跨越了一阶维持（T1时刻到T3时刻）和二阶维持（T3时刻到T4时刻）两个阶段，这两个阶段的控制原理相同，只是一阶电流阈值和二阶电流阈值不同。

整个电路的工作时序如图5 所示，所有的逻辑时序都是由CPLD 合成，不会增加MCU 的软件资源。

通常情况下电流回收阶段在一阶电流维持阶段就能使得BOOST 模块的输出电压恢复到设定值，也有少部分喷油器由于驱动能量较大，能量回收的时间较长，会跨越一阶、二阶两个调制过程，这种参数的喷油器较少见。

3 能量可回收喷油器驱动电路充电效率分析

3.1 一般BOOST 模块充电参数分析

以BOSCH 二代喷油器为例，喷油器的驱动瞬间，电流可达25 A，驱动电压达45 V，驱动瞬间功率达1 125 W。设计功率如此高的BOOST 电源的话成本非常高昂，在实际的应用中BOOST 模块并不是一个电源，它是可以在驱动喷油器瞬间输出电压下降一定幅值的。对于一般的BOOST 电路，电感可以按照式（1）[8]来选择。

其中：△I 是电感峰值电流的变化值，Vout是输出电压，输入Vin是输入电压，f 是开关频率，D 是占空比。

△I 可以取电感饱和电流（Isat）的一半值来估算，联立（1），（2）两式可得：

按照现在商用车电控单元的使用条件，取Vout=45V，Vin=24 V，Isat=10 A，f=100 K 算得电感约为22 μH，这种参数的电感价格便宜，供货渠道广泛，性价比高。

3.2 能量可回收驱动电路充电电路分析

以BOSCH 的二代共轨喷油器为例进行计算，二代喷油器在电流提升段的电感参数约为150 μH，由于喷油器工作时电流远远大于喷油器电磁阀电感的饱和电流，因此在电流保持阶段电感参数约为35 μH。为方便说明只截取能量回收阶段之前的喷油器驱动电流波形，电磁阀电感在调制维持电流时的工作过程如图6 所示。

图6 能量可回收驱动电路的充电过程示意图

喷油器维持电流在调制过程中以一阶维持电流（I）为中心，在峰值（I1）和谷值（I2）之间振荡，电流振荡上升时喷油器电磁阀存储能量，电流振荡下降时电磁阀对BOOST 模块输出电容充电，这一过程中传输的能量可用式（4）[8]计算：

储能时间可用式（5）表示：

充电时间可用式（6）表示：

可以用单位时间内电感传输的能量来表示充电效率，联立（4）、（5）、（6）式可得：

由式（7）可看出单位时间的充电能量仅和电感的充放电电流以及输入输出电压有关。

通过（7）式可方便地比较BOOST 模块功率电感的充电效率和能量可回收电路中喷油器电磁阀电感的充电效率，由于两个电路工作时Vin和Vout相同，因此只要比较充放电流的峰值和谷值之和就可以了。

本设计选取BOOST 模块的功率电感的充放电电流为10A，为方便计算让功率电感工作在临界CCM 模式（持续导通），此时充放电流的峰值和谷值之和是10，同理可得喷油器电磁阀电感充放电流的峰值和谷值之和约为30。（取I1=17，I2=13）上述分析可以看出能量可回收驱动电路的充电效率是BOOST 模块的充电效率的3 倍。实际应用中，BOOST模块一般都采用UC2843 等集成DC-DC 转换器来实现，这些集成器为了防止输出电压过冲，会在实际电压接近设定电压时，降低充电电流。因此实际应用中，能量可回收驱动电路的充电效率比BOOST 模块的充电效率要更快一些。

4 实验分析

为了验证本文设计的有效性，笔者按照本设计方法搭建了驱动电路，其中BOOST 模块的功率电感大小为22 μH，充电电流的峰值为10 A。并针对BOSCH公司的第二代喷油器进行实验分析。

图7 是采用了能量可回收驱动电路的驱动波形，可以看出在一阶电流维持阶段，维持电流的锯齿按照疏密程度明显分成了两段，其中较密的那段就是能量回收阶段，比较稀疏的就是常规驱动阶段，这是因为维持电流在对BOOST 模块电容充电时，电流下降的速率比较快，常规驱动阶段维持电流仅是通过二极管续流，电流下降的速度比较慢。

图7 采用能量可回收驱动电路的驱动波形

图7 中可看出从能量开始回收到高压恢复总共用时350 μs，而图8 是未采用能量可回收驱动电路的驱动波形，其中高压恢复时间为1 800 μs，效率相差5 倍，和理论分析基本一致。

图8 未采用能量可回收驱动电路的驱动波形

5 结论

本设计提出了一种能量可回收驱动电路。并通过实验验证了该电路在应用中的一些突出优势，具备很强的实用性。

1）该电路结构简单，和传统的喷油器驱动电路相比，结构上基本没变，只是采用了高端采样电路，代替了常用的低端采样电路。

2）使用该电路可显著减少驱动高压的恢复时间。

3）使用该电路可有效支持多次喷射，简化大型柴油机电控单元BOOST 模块的设计。