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

夏鳴春，周 慧，柴玉超

（吉利汽車(chē)研究院有限公司，浙江 寧波 315315）

冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定，是影響48V電池包壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵因素之一。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)48V電池包冷卻風(fēng)扇在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)“聲音忽大忽小”現(xiàn)象。通過(guò)診斷儀器對(duì)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速讀取，得知冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)，冷卻風(fēng)扇PWM信號(hào)存在波動(dòng)原因?yàn)?8V電池包和風(fēng)機(jī)的接口電路不匹配導(dǎo)致。為了解決該故障，通過(guò)接口電路匹配計(jì)算與選擇［1－2］，徹底解決風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障。

1 冷卻風(fēng)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(fēng)扇電器架構(gòu)圖，使用示波器對(duì)冷卻風(fēng)扇PIN3進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)存在0.6ms上升沿，如圖2所示。正確的PWM信號(hào)不應(yīng)該存在0.6ms上升沿，需要分別從BMSL控制冷卻風(fēng)扇策略和BMSL與冷卻風(fēng)扇的匹配接口電路上進(jìn)行分析。

1.1 BMSL控制冷卻風(fēng)扇策略分析

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

表1 PWM信號(hào)值與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)BMSL控制冷卻風(fēng)扇策略，當(dāng)48V電池電芯溫度＜30℃時(shí)候，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)值為0%；當(dāng)48V電池電芯溫度為≥30℃時(shí)候，分為［30，40）、［40，50）和≥50三個(gè)級(jí)別；在48V電池電芯溫度為［30，40）和［40，50）時(shí)候，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)值與48V電池電芯溫度和48V電池包進(jìn)風(fēng)溫度差值成反比；在48V電池電芯溫度≥50℃時(shí)候，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)值一直為65%。

從表2可以看出，PWM信號(hào)值是由48V電池電芯溫度，48V電池電芯溫度與48V電池包進(jìn)風(fēng)溫度差值2個(gè)因素所決定。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，冷卻風(fēng)扇性能參數(shù)滿(mǎn)足上述控制策略，而B(niǎo)MSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)中0.6ms上升沿，為BMSL與冷卻風(fēng)扇的接口電路存在匹配性問(wèn)題。

1.2 BMSL與冷卻風(fēng)扇的接口電路匹配性分析

BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM接口電路，如圖3所示。

圖1 BMSL與冷卻風(fēng)扇電器架構(gòu)圖

表2 BMSL控制冷卻風(fēng)扇PWM信號(hào)值

圖2 BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)

從BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)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(jì)了2個(gè)0.1uF電容串聯(lián)。

冷卻風(fēng)扇先通過(guò)調(diào)速信號(hào)轉(zhuǎn)換電路把BMSL輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，然后冷卻風(fēng)扇內(nèi)部單片機(jī)采集該信號(hào)作一定的平滑濾波處理，輸出相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)信號(hào)給后級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出不同功率給電機(jī)，從而調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，冷卻風(fēng)扇工作電路框圖如圖4所示。

在BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)接口電路和冷卻風(fēng)扇接口電路中可以看出，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)接口電路存在2個(gè)0.1uF電容串聯(lián)，即總電容值為50nF，而冷卻風(fēng)扇接口電路存在1個(gè)2.4k電阻和1個(gè)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(dāng)電容充電基本結(jié)束時(shí)候，如當(dāng)t=5RC時(shí)，則uc=0.994ub。通過(guò)計(jì)算，因R為2.4×103Ω，C為51nF，則t=5RC=0.612ms，其與示波器測(cè)試值0.6ms上升沿一致。

由于BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)中存在0.6ms上升沿，通過(guò)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(cuò)誤的調(diào)速信號(hào)輸出給后級(jí)的單片機(jī)，如圖6所示。單片機(jī)接收到錯(cuò)誤指令后，對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖3 BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)接口電路

圖4 冷卻風(fēng)扇工作電路框圖

圖5 冷卻風(fēng)扇接口電路 （PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）

圖6 PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出給單片機(jī)信號(hào)

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

2 冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障的解決方案

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

圖7 優(yōu)化后的冷卻風(fēng)扇接口電路 （PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）

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

從圖8可以看出，單片機(jī)MCU接受PWM信號(hào)為周期為10ms且電壓峰峰值為60mV。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部電路將輸出相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)信號(hào)給后級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出不同功率給電機(jī)，從而調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)48V電池包冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障的根本原因?yàn)锽MSL和冷卻風(fēng)扇的接口電路設(shè)計(jì)不匹配導(dǎo)致，并對(duì)兩者的接口電路進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的接口電路經(jīng)過(guò)耐久路試實(shí)車(chē)驗(yàn)證沒(méi)有再現(xiàn)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的故障，從而徹底解決了冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障。

圖8 優(yōu)化后的單片機(jī)MCU I／O波形

圖9 優(yōu)化后BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號(hào)