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        48V電池包冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障分析與解決方案

        2020-04-07 03:30:30夏鳴春柴玉超
        汽車電器 2020年3期
        關(guān)鍵詞:電芯風扇電容

        夏鳴春,周 慧,柴玉超

        (吉利汽車研究院有限公司,浙江 寧波 315315)

        冷卻風扇轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定,是影響48V電池包壽命長短的關(guān)鍵因素之一。我們發(fā)現(xiàn)當48V電池包冷卻風扇在運行過程中出現(xiàn)“聲音忽大忽小”現(xiàn)象。通過診斷儀器對冷卻風扇轉(zhuǎn)速讀取,得知冷卻風扇轉(zhuǎn)速存在波動,冷卻風扇PWM信號存在波動原因為48V電池包和風機的接口電路不匹配導(dǎo)致。為了解決該故障,通過接口電路匹配計算與選擇[1-2],徹底解決風機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障。

        1 冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障的分析

        為了摸清故障現(xiàn)象,結(jié)合圖1 BMSL與冷卻風扇電器架構(gòu)圖,使用示波器對冷卻風扇PIN3進行采集,發(fā)現(xiàn)BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號存在0.6ms上升沿,如圖2所示。正確的PWM信號不應(yīng)該存在0.6ms上升沿,需要分別從BMSL控制冷卻風扇策略和BMSL與冷卻風扇的匹配接口電路上進行分析。

        1.1 BMSL控制冷卻風扇策略分析

        冷卻風扇轉(zhuǎn)速取決于BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號值,如表1所示,可以看出PWM信號值與冷卻風扇轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。

        表1 PWM信號值與冷卻風扇轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系

        根據(jù)BMSL控制冷卻風扇策略,當48V電池電芯溫度<30℃時候,BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號值為0%;當48V電池電芯溫度為≥30℃時候,分為[30,40)、[40,50)和≥50三個級別;在48V電池電芯溫度為[30,40)和[40,50)時候,BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號值與48V電池電芯溫度和48V電池包進風溫度差值成反比;在48V電池電芯溫度≥50℃時候,BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號值一直為65%。

        從表2可以看出,PWM信號值是由48V電池電芯溫度,48V電池電芯溫度與48V電池包進風溫度差值2個因素所決定。經(jīng)過現(xiàn)場分析,冷卻風扇性能參數(shù)滿足上述控制策略,而BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號中0.6ms上升沿,為BMSL與冷卻風扇的接口電路存在匹配性問題。

        1.2 BMSL與冷卻風扇的接口電路匹配性分析

        BMSL輸出給冷卻風扇的PWM接口電路,如圖3所示。

        圖1 BMSL與冷卻風扇電器架構(gòu)圖

        表2 BMSL控制冷卻風扇PWM信號值

        圖2 BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號

        從BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號接口電路可以看出,BMSL為了提高其ESD和EMC性能,將第7 PIN(GPIO_PWM_OD)設(shè)計了2個0.1uF電容串聯(lián)。

        冷卻風扇先通過調(diào)速信號轉(zhuǎn)換電路把BMSL輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的信號,然后冷卻風扇內(nèi)部單片機采集該信號作一定的平滑濾波處理,輸出相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)信號給后級電機驅(qū)動電路,電機驅(qū)動電路輸出不同功率給電機,從而調(diào)節(jié)冷卻風扇對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,冷卻風扇工作電路框圖如圖4所示。

        在BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號接口電路和冷卻風扇接口電路中可以看出,BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號接口電路存在2個0.1uF電容串聯(lián),即總電容值為50nF,而冷卻風扇接口電路存在1個2.4k電阻和1個1nF電容。

        根據(jù)電容伏安關(guān)系,其中uc為電容端電壓,ub為蓄電池電壓。

        根據(jù)公式 (3),當電容充電基本結(jié)束時候,如當t=5RC時,則uc=0.994ub。通過計算,因R為2.4×103Ω,C為51nF,則t=5RC=0.612ms,其與示波器測試值0.6ms上升沿一致。

        由于BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號中存在0.6ms上升沿,通過圖5可以看出,三極管Q3存在臨界導(dǎo)通區(qū)域,從而導(dǎo)致三極管Q3頻繁導(dǎo)通 (高電平)和截止 (低電平),最終將錯誤的調(diào)速信號輸出給后級的單片機,如圖6所示。單片機接收到錯誤指令后,對冷卻風扇進行錯誤的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

        圖3 BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號接口電路

        圖4 冷卻風扇工作電路框圖

        圖5 冷卻風扇接口電路 (PWM信號轉(zhuǎn)換電路)

        圖6 PWM信號轉(zhuǎn)換電路輸出給單片機信號

        通過上述分析,冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的根本原因是BMSL有2個0.1uF電容串聯(lián),而冷卻風扇接口電路存在1個2.4k電阻和1個1nF電容,兩者之間的接口電路匹配性設(shè)計不良導(dǎo)致。

        2 冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障的解決方案

        為了解決冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障,需要將冷卻風扇接口電路中R5由1kΩ改為30kΩ,同時新增一個2.2uF電容C1,如圖7所示。

        圖7 優(yōu)化后的冷卻風扇接口電路 (PWM信號轉(zhuǎn)換電路)

        圖7 中TL431是可控穩(wěn)壓源,其基準電壓為2.5V。通過電阻R2和R3進行電壓可調(diào),則輸出電壓為3V,即2.5×(1+R2/R3),而其時間常數(shù)t={[R4/(R2+R3)]+R5}×C1=73.4ms。

        從圖8可以看出,單片機MCU接受PWM信號為周期為10ms且電壓峰峰值為60mV。通過單片機內(nèi)部電路將輸出相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)信號給后級電機驅(qū)動電路,電機驅(qū)動電路輸出不同功率給電機,從而調(diào)節(jié)冷卻風扇對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

        從圖9可以看出,通過優(yōu)化冷卻風扇接口電路解決了BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號上升沿問題,最終徹底解決冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障。

        3 結(jié)束語

        本文通過測試發(fā)現(xiàn)48V電池包冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障的根本原因為BMSL和冷卻風扇的接口電路設(shè)計不匹配導(dǎo)致,并對兩者的接口電路進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的接口電路經(jīng)過耐久路試實車驗證沒有再現(xiàn)冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的故障,從而徹底解決了冷卻風扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障。

        圖8 優(yōu)化后的單片機MCU I/O波形

        圖9 優(yōu)化后BMSL輸出給冷卻風扇的PWM信號

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