탱크 내 연료 펌프의 브러시리스 모터로 연료 효율 향상

델파이 파워트레인 시스템(Delphi Powertrain Systems), 미시간주 트로이

대부분의 자동차 연료 시스템은 연료 탱크에서 엔진까지 지정된 압력과 유량으로 가솔린을 필터링하고 펌핑하는 구성 요소가 포함된 연료 공급 모듈(FDM)을 사용합니다. FDM은 저장소 어셈블리를 사용하여 펌프 입구에서 연료 공급을 유지하고 압력 조절기 및/또는 제한기, 필터, 레벨 센서, 탱크를 통과하는 전기 및 유압 연결과 같은 구성 요소를 지원합니다. 현재 시스템은 주로 전압 공급 장치 및 본체 제어 모듈에 각각 독립적으로 연결된 브러시 펌프 및 저항성 연료 레벨 센서와 같은 수동 전기 구성 요소를 사용합니다. 이러한 시스템의 높은 유량 수준에는 최대 속도 조건에서 지속적으로 작동할 수 있는 고전력 펌프가 필요합니다. 일부 최신 시스템에서는 전압 컨트롤러를 사용하여 예상 엔진 수요에 따라 펌프 공급 전압을 개별 속도로 조절하고 전력 소비를 어느 정도 개선할 수 있습니다.

FDM 내에 브러시리스 컨트롤러를 포함하는 통합 모듈을 갖춘 차량 아키텍처

새로운 FDM은 펌프 어셈블리에 브러시리스(BL) 모터를 사용하고 모터에 전기 정류를 제공하는 통합 컨트롤러를 포함합니다. BL 펌프는 브러시 펌프보다 더 효율적이고 컨트롤러가 폐쇄 루프 속도 제어를 제공하므로 이 솔루션은 전력 소비와 그에 따른 이산화탄소(CO2) 배출을 크게 개선합니다. BL 펌프의 또 다른 이점은 모터의 고정자와 회전자 사이의 자기 결합과 공격적인 연료에서 마모 및/또는 막이 발생할 수 있는 접점을 제거함으로써 생성됩니다. 이는 FDM의 내구성과 신뢰성을 향상시킵니다.

또한, 통합 컨트롤러는 펌프 진단을 제공하고 탱크 조립체 내에 센서 신호 처리 회로를 포함하여 추가적인 건강 상태 정보를 제공하고/하거나 비접촉식 연료 레벨 센서와 같은 향상된 감지 기술과 인터페이스하여 추가 시스템 성능 개선을 제공할 수 있습니다. BL 컨트롤러는 무센서 모터 속도 측정을 위한 역 EMF(기전력) 감지 단계와 결합된 소음 감소 외에도 펌프에 근접한 이점을 제공합니다.

그림은 FDM 내에 BL 컨트롤러가 포함된 통합 모듈이 포함된 차량 아키텍처를 보여줍니다. 브러시 펌프의 전압 컨트롤러와 유사한 기술을 사용하는 BL 펌프 컨트롤러는 고주파에서 공급 전압을 차단하여 3상 각각을 통해 흐르는 전류를 변조합니다. 차단 시간은 엔진 제어 모듈(ECM)이 명령하는 수준에서 펌프 속도를 유지하는 데 필요한 구동 전류 수준을 달성하도록 조정됩니다. 이 펄스 폭 변조(PWM) 전압 신호는 폐쇄 루프 속도 제어를 가능하게 하여 압력, 공급 전압, 연료 특성 및 온도와 같은 환경 요인에 관계없이 연료 흐름을 보장합니다.

또한 BL 컨트롤러는 펌프 매개변수의 변화와 시간에 따른 드리프트를 보상합니다. 통합 FDM 어셈블리는 BL 펌프까지의 거리를 최소화하고 펌프 설계 및 적용 요구 사항에 맞게 조정된 제어 알고리즘을 제공하여 시스템 성능을 최적화합니다. 또한 BL 컨트롤러에는 공급 전압, 구동 전류, 컨트롤러 온도 및 모터 속도를 모니터링하기 위한 펌프 진단 기능이 포함되어 있습니다. 이러한 매개변수가 예측 가능하거나 허용 가능한 한도를 벗어나면 손상을 방지하기 위해 시스템을 종료하거나 단순히 비정상적인 상태를 ECM에 알릴 수 있습니다.

엄격한 엔지니어링 기술과 기타 통계 도구를 사용하여 엄격한 토크, 속도, 압력 및 흐름 요구 사항을 충족하는 최적의 솔루션을 도출했습니다. 모터 성능을 시뮬레이션하고 응용 토크 및 효율성 요구 사항을 충족하는 매개변수 조합을 도출하는 동시에 과도한 진동과 소음을 발생시키는 코깅 토크, 토크 리플 및 불균형 자기장력을 최소화하기 위해 분석 도구를 사용하여 실험의 전체 요인 설계를 실행했습니다. 모터 어셈블리를 사용한 실험실 테스트를 통해 최적의 조합 및 분석 결과가 확인되었습니다. 실험을 통해 고정자에 9극, 회전자에 10극이 있는 모터 설계가 탄생했습니다. 권선 구성은 12V 및 5000rpm에서 0.10Nm 이상의 토크를 충족하도록 조정되었으며 어셈블리의 설계 공차 수준에서 68%의 효율을 보였습니다.

이 작업은 Delphi Powertrain Systems의 Duane Collins, Philip Anderson, Sharon Beyer 및 Daniel Moreno가 수행했습니다. 이 기술에 대한 전체 기술 문서는 SAE International(http://papers.sae.org/2012-01-0426)을 통해 구입할 수 있습니다.