張金軍，黃銳，馮貴銳，張鳳禮，王道玉，陶華勝

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一種智能化的電動汽車電子水泵設(shè)計研究

張金軍1，黃銳1，馮貴銳1，張鳳禮2，王道玉2，陶華勝3

（1.奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000；3.奇瑞商用車有限公司，安徽 蕪湖 241000）

隨著電控技術(shù)的不斷發(fā)展，冷卻系統(tǒng)的智能化控制是未來電動汽車發(fā)動的發(fā)現(xiàn)。文章設(shè)計和研究了一種通過PWM信號可以診斷控制電子水泵運(yùn)行狀態(tài)和故障反饋的智能化電子水泵。

電子水泵；智能水泵；水泵控制；水泵診斷

引言

隨著汽車保有量的增加，對能源的消耗將會越來越大，如果不加以節(jié)制，將會造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。傳統(tǒng)的機(jī)動車會消耗大量的不可再生能源，產(chǎn)生大量污染氣體。電動汽車可以利用可再生的光能、風(fēng)能等轉(zhuǎn)換而來的電能，不會產(chǎn)生污染氣體，因此電動汽車得以獲得國家的支持從而快速的發(fā)展。

由于電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電池的發(fā)展已進(jìn)入瓶頸期，在相同容量電池的情況下怎么提高電動汽車的安全性和續(xù)航成為各廠家重點(diǎn)研究內(nèi)容。電子水泵作為冷卻系統(tǒng)的重要部件，對于電動車的性能有重要的影響。本文設(shè)計研究了一種智能化電子水泵，可以實時調(diào)節(jié)冷卻液的流速，并具有診斷和故障反饋的功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

純電動汽車一般采用芯片作為主控單元，本方案在不增加芯片的情況下，根據(jù)PWM信號的不同狀態(tài)完成信號的采集，方便VCU及時處理水泵的各種信息，系統(tǒng)原理如圖一所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 結(jié)構(gòu)組成

電子水泵是采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動的離心泵，由直流無刷電機(jī)加上葉輪組成，電子水泵主要包含以下部件：定子組件（包含主機(jī)殼）、轉(zhuǎn)子組件（包含水泵葉輪）、水泵殼、橡膠支架、控制器組件、密封后蓋、安裝支架。水泵采用電子組件換向，整個部件中沒有動密封。由于水泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案多種多樣，本文不討論結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3 硬件設(shè)計

電子水泵控制電路的核心問題是對電機(jī)的控制和對過程中狀態(tài)量的反饋問題。根據(jù)需要電子水泵的硬件電路主要由電源模塊和控制模塊。

3.1 電源模塊

為了保護(hù)電源系統(tǒng)的可靠性和掉穩(wěn)定性，電源模塊采用純硬件電路設(shè)計。輸入電壓經(jīng)過三個電容穩(wěn)壓再經(jīng)過場效應(yīng)管和三極管處理后給電子水泵提供電源，其硬件設(shè)計電路如下圖。

圖2 電源模塊硬件設(shè)計電路圖

3.2 控制模塊

控制模塊是對輸入的PWM信號進(jìn)行處理，主要由兩個三極管組成，第一個三極管將PWM信號處理傳遞給水泵，第二個三極管將異常信息通過PWM信號再反饋給VCU，其硬件電路如下圖。

圖3 控制模塊硬件電路圖

4 軟件設(shè)計

汽車VCU和電子水泵之間通過PWM信號進(jìn)行通訊。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，汽車VCU輸出不同占空比的PWM信號能控制水泵運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，水泵實時反饋信號對應(yīng)水泵的實時運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。當(dāng)水泵處于非正常運(yùn)行情況下，水泵自身具有保護(hù)功能，如遇過壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)、過流、過溫等異常水泵自身將執(zhí)行保護(hù)策略，并將異常信息通過PWM信號傳遞給汽車VCU。

4.1 水泵運(yùn)行控制

輸入PWM信號（高有效）要求：

有效電平：5～16V；

有效低電平：0～0.7V；

占空比調(diào)節(jié)范圍：0～100%；

頻率：10Hz～1KHz（常用10～200Hz）；

當(dāng)水泵處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，VCU 通過采集控制目標(biāo)參數(shù)信息來判斷并輸出不同占空比PWM信號控制水泵轉(zhuǎn)速，輸入PWM占空比與電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系如表1和圖4（由于PWM信號有1%的誤差，需避免使用臨界點(diǎn)）：

表1 PWM占空比與調(diào)速信號對應(yīng)關(guān)系表

4.2 水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋

電子水泵能讀取PWM線上的電平，同時也改寫PWM線上的電平（要求VCU的PWM為開集OC輸出或開漏OD輸出），即PWM線上的電平是由VCU和電子水泵共同決定的。參考下述示意圖表。

電子水泵通過不同的低電平持續(xù)時間來標(biāo)識不同的診斷信號，以下表2是由水泵反饋至PWM信號線上的狀態(tài)信息。

表2 水泵反饋至PWM信號線上的狀態(tài)信息

下表3顯示了水泵在不同輸入變化條件下的反應(yīng)措施。

表3 水泵動作表

5 實驗驗證

通過以上設(shè)計過程，按照以下框圖搭建一套臺架系統(tǒng)進(jìn)行模擬驗證，如圖6所示。

圖6 臺架系統(tǒng)框架圖

測試電壓：（12±0.2）V；

測試介質(zhì)：水/乙二醇混合液；

環(huán)境溫度：23±5℃

介質(zhì)溫度：23±5℃

得出電子水泵性能曲線如圖6：

根據(jù)以上原理，設(shè)定如下條件進(jìn)行模擬驗證，壓差為80kPa時，輸出流程≥30L/min，電流≤9.5A。

6 結(jié)束語

通過以上驗證，該電子水泵實現(xiàn)了良好的控制、診斷及故障反饋功能，通過調(diào)整PWM信號的占空比能夠很好的調(diào)整冷卻液的流速。在模擬系統(tǒng)故障時，故障信息也能夠通過控制端反饋給VCU控制器，從VCU讀取電子水泵的故障信息。該方案設(shè)計簡單，沒有控制芯片，成本低廉，可以作為低端電動汽車的常用電子水泵設(shè)計方案。

圖7 水泵性能曲線

[1] 方勝利,羅濤,侯貿(mào)軍,某車用無刷無感直流電動水泵控制系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院2018.

[2] 曲少杰,張傳佳,冉秋,—種純電動汽車的電子水泵控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電動工具,2017.

[3] 韓軍良,洪長虹,周相青,封帆,基于無傳感器FCO控制的電子水泵研究與實現(xiàn)[J].第十三屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集,2016.

Design and Research of an Intelligent Electronic Pump for Electric Vehicle

Zhang Jinjun1, Huang Rui1, Feng Guirui1, Zhang Fengli2, Wang Daoyu2, Tao Huasheng3

（1.Chery New Energy Automotive Technology Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000;2.Chery Automobile Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000;3.Chery Commercial Vehicle Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000）

With the development of electronic control technology, intelligent control of cooling system is the discovery of electric vehicle in the future. This text designs and studies an intelligent electronic pump which can diagnose and control the running state and fault feedback of the electronic pump by PWM signal.

Electronic pump;Intelligent pump;Pump control;Pump diagnosis

U469.72

B

1671-7988(2019)08-30-03

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A

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張金軍（1983-），男，奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司主管設(shè)計師，工程師，從事新能源汽車電子架構(gòu)&電路控制研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.009