汽车点火模块功能及技术性能.doc

汽车点火模块功能及技术性能1汽车点火模块简介 控制汽车点火线圈工作的点火控制器俗称点火模块（下同），点火线圈按发动机管理系统ECU的指令，在指定的时刻、对应的工况所需能量而点火。有的点火模块还提供给ECU反馈信号，供ECU判断点火线圈工作是否正常，还有的反馈信号供ECU计算下一个导通脉冲宽度。 点火模块实际是一个功率电子开关，控制点火的信号为方波或磁脉冲信号，输送到点火模块的信号输入端，通过整形来驱动功率电子开关。用脉宽来控制功率电子开关的导通时间，导通后，点火线圈电流近似指数特性上升，导通时间长，断电电流就大，以此来控制线圈的点火能量，用脉冲信号的后沿时刻控制功率电子开关的关断时刻，即控制点火时刻。 用于分电器点火系统的早期点火模块带有转速闭合角调整电路。这是因为由分电器输入的控制信号脉宽随发动机的转速增加而减小。为了保证高低速点火能量基本一致，模块的闭合角调整由低速30%至高速70%随发动机的转速增加而增加，通过模块电路自动调整。如用ST公司的IC“L497D”组成的厚膜混合集成电路就是这类电路的典型代表。现代发动机点火线圈控制信号由ECU产生，完全靠ECU控制脉冲信号的宽度和点火时刻。因此，点火模块不再带有闭合角调整电路。 点火模块与点火线圈组合有两种类型：一类是点火模块与ECU集成在一起，控制点火线圈点火的功率部件在ECU上，点火线圈上无点火模块；另一类是点火模块与点火线圈组合在一起，有一体式和分体式两种形式，ECU只给控制信号。下面讨论的是后一类点火线圈的点火模块，其工作原理框图如图1所示。2点火模块主要性能要求2.1点火模块使用条件 1)工作温度点火线圈工作温度取决于安装位置。直接装在发动机上的点火线圈温度较高，有的点火线圈安装处的温度达110，加上工作时的发热，温度还会升高。点火模块的实际温度应低于晶体管的结温。点火模块的使用环境温度定为-40+125。 2）工作频率点火模块的工作频率取决于发动机的转速和线圈的配置。点火频率=发动机转速缸数602。对最高转速6 000 rmin，4缸机，只有一个点火线圈的点火系统（如带分电器的发动机），点火模块的最高工作频率为200 Hz，如每缸独立点火，点火模块最高工作频率为50 Hz。点火模块允许的工作频率应高于最高工作频率。 3）工作电压范围考虑到发动机上的电压波动及低温起动，点火模块工作电压一般定为616 V。2.2静态电流 静态电流是在无控制信号输入时，点火模块电路消耗的电流。有的发动机OBD检测系统要检测点火模块静态电流，如果此值超过规定的数值，就判定点火模块不能截止，点火系统工作不正常而报警。2.3控制信号 ECU产生的点火模块控制信号为脉冲方波，根据发动机的转速、水温、电压和各种传感器信号来控制输入信号的脉宽和时刻。如当水温低、蓄电池电压低（冷起动）时，初级导通时间必须加长，才能达到点火所需要的断电电流。这时ECU控制信号的脉宽就自动加宽，以保证发动机冷起动时有足够的点火能量。就笔者掌握的资料，输入有3种方式：电流输入型、电压输入型、OC门电路（集电极开路）输入型。电流输入型输入电流值，不同的厂家定义不同，如某厂家输入电流为1022 mA，在ECU中用恒流源供给输入电流。如果输入电流达不到额定值，模块输出的断电电流也达不到额定值。 OC门电路（集电极开路）输入型，在ECU中有如图2所示的等效电路同点火模块的输入信号端相连。OC门电路用做电平转换，或做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时，在点火模块中接一个上拉电阻Rp到电源VB供电，控制点火模块导通和截止。小红旗汽车的点火线圈上的模块是这类模块的典型代表。 点火模块导通电压称为上升阈值Vton，关断电压称为下降阈值Vtoff。为了防止振荡和提高抗干扰能力，Vton和Vtoff不应相等。如德尔福某型号的点火模块规定：1.75Vton2.75；1.30Vtoff1.95，Vton与Vtoff的差值Vhyst大于0.25 V。此差值一般为输入信号阈值的10%20%。用施密特触发电路，可实现此项功能1。Vton与Vtoff值可在点火模块信号输入端接入三角波来进行检测，如图3所示。 有的发动机对ECU接点火模块前后的输入信号电压幅值的变化要进行监控，用OBD检测系统来监控点火系统工作是否正常。如某型号的点火模块输入信号未接上时，在ECU输出信号端电压为5 V；接上模块后，由ECU输出阻抗和点火模块输入阻抗相匹配，此时输出端的电压下降。该系统要求，接点火模块后，信号输出端电压降为34 V，OBD判定点火系统工作正常，如果超过此电压值则报警。不同的厂家，此项电压值是不同的。2.4钳位电压 当点火模块截止瞬间，线圈初级产生的感应电动势加在点火模块输出端上（图4，c点）的正向电压。线圈初级产生的感应电动势由c点经过R1、R2组成的分压电路，在K点分压加至点火专用IC上，来控制点火模块的钳位电压。调整R1、R2的分压比，就可以调整钳位电压的大小。目前点火模块用达林顿和IGBT自身都有稳压二极管，用于保护功率管。不同的点火模块，钳位电压不同，一般为370395 V，笔式点火线圈初级电感较小，钳位电压一般为250375 V。控制钳位电压是为了保护功率管，保证次级有稳定的输出电压。2.5关断延迟时间点火模块输入信号由高电平翻转到低电平，点火线圈初级电压上升到100 V时的延迟时间应小于10s。此项取决于输入信号的传输速率。2.6上升时间 点火线圈初级电流关断时，初级电压由100 V上升到350 V的时间，取决于功率管集电极管关断的速度，应小于4s。此值过高，说明功率管不良，会降低铁心磁通的变化率，造成输出电压和能量降低。2.7初级电流限流值 一些点火模块用本身的电路来限制导通电流，实现不同转速情况下等能量输出。原理见图4。在发射极通过R3搭铁。点火模块导通时，电流在R3上的压降反馈到点火专用IC上，R3上的电压降正比于导通电流，调整R3的阻值，改变反馈电压，通过点火IC控制功率管的压降，从而控制导通电流。另一种限流方式是用ECU控制信号的脉宽来控制断电电流。对选定的点火线圈，初级电阻、电感就确定了。线圈的时间常数为LR（L、R分别为初级电感、电阻），决定了电流上升的速率。因此，断电电流大小由电源电压高低和信号脉冲宽度来确定。用这种方式可以根据电源电压变化和不同工况要求控制点火线圈的点火能量。 有限流的点火模块，功率管工作在放大区，控制功率管的压降来控制断电电流，如电源电压14 V，限流9 A，初级电阻0.5，此时管压降=14-0.59=9.5 V，功率管的最大功率损耗为9.59=85.5 W。因此，功率的损耗大，导致点火模块温升高。而用ECU控制信号脉宽来控制断电电流，功率管工作在饱和区，电流在9 A时，饱和压降在2 V左右。同样9 A，功率损耗为18 W。笔者认为，在进行发动机和点火线圈匹配时，应尽可能采用后一种方式控制断电电流。2.8饱和压降 点火模块的功率管饱和导通时的电压降。饱和压降与电流有关，电流越大，饱和压降越高。点火模块要选择饱和压降较小的功率管，以降低在功率管上的损耗，降低模块的温升。一般IGBT比达林顿三极管饱和压降小。一般来说，在电流7 A时，饱和压降应小于2 V。2.9停车断电保护 静态时，输入端呈持续高电平，点火线圈电流延时关断，要求关断时次级无火花。即在关断时，要缓慢，关断的速率低，次级高压小于1 kV，也就没有火花了。点火模块设定的停车断电时间与电源电压有关，电压低时间长，反之，则时间短。此功能是防止在停车时，输入信号高电平造成点火模块和点火线圈烧坏。2.10模块对ECU的反馈信号 为了使ECU检测到模块的工作状态，有的点火模块将初级工作电流的大小反馈给ECU，也有的模块把次级点火电流反馈给ECU，也有的模块将输入信号的变化值反馈给ECU（前面第3项已详述），还有的通过点火线圈工作时，在铁心上产生的微小的电动势经放大反馈给ECU。 图5为丰田某型点火模块反馈信号图（CH2）。反馈端通过1 k电阻接电源，在初级电流为2.72A时，反馈端由高电平转为低电平；在6.32 A时，反馈端由低电平转为高电平。通过信号反馈，ECU计算最佳导通时间和时刻。 图6为某车型点火模块通过次级独立搭铁（经电阻搭铁），次级点火电流在电阻上的压降反馈到ECU中，监控点火线圈的工作是否正常。图7为雷诺某型点火线圈通过铁心感应电动势反馈到ECU监控点火线圈的工作的电路原理图。另外，为了安全可靠，点火模块设置了输入输出端抗高压脉冲保护电路，温度补偿电路，极限温度断电保护电路等。VWRU4点火模块（为“一汽四环”生产，给大众配套）的实测数据及波形图见图3、图5、图8图13。3小结 点火模块是点火系统的重要组成部分。对点火模块基本性能的认知以及掌握主机匹配的要求是点火模块设计的依据。国内点火模块生产厂家很多，但技术水平与规模相对国际水平还有较大的差距。汽车行业主流配套市场的点火模块为国际大厂商所控制。国内引进了一部分点火模块的生产线，但有一些自主研发生产的厂家近年来发展速度相当快，其中深圳健科电子有限公司是这些优秀厂家之一。该公司采用厚膜混合集成电路生产点火模块，有自动贴