一種電子水泵空轉(zhuǎn)故障控制的研究與應用

卜江華 鄭凡 鄧湘 金永鎮(zhèn) 馮滿樂

摘? 要：解決的電子水泵空轉(zhuǎn)誤報警問題，當水泵轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值3600rpm時，對應占空比69%，水泵自我保護進行空轉(zhuǎn)自檢，這時如果系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)一串連續(xù)氣泡通過水泵時，檢測到水泵的電流不足會誤報空轉(zhuǎn)。通過實際測試水路系統(tǒng)中允許最低含水量下對應的電流值，以該電流值作為判斷空轉(zhuǎn)的條件之一，有效的解決了系統(tǒng)中由不穩(wěn)定氣泡產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)誤報。

關(guān)鍵詞：電子水泵；空轉(zhuǎn)報警；電流；含水量

中圖分類號：U463? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2024）03-0064-04

Research and Application on Control of Idle Fault of an Electronic Water Pump

Abstract： The electronic water pump idle false alarm problem solved is that when the water pump speed exceeds a certain value of 3600rpm， the corresponding duty cycle is 69%， and the water pump self-protection performs idle auto-check. At this time， if a series of continuous bubbles pass through the water pump in the system， it will detect that the current of the water pump is insufficient and false alarm will be triggered. By actually testing the current value corresponding to the minimum allowable water content in the waterway system， and using this current value as one of the conditions for judging idle， the false alarm caused by unstable bubbles in the system has been effectively solved.

Key Words： Electronic water pump; Idle alarm; Current; water content

前? ? 言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，PHEV車型也呈現(xiàn)井噴式爆發(fā)，越來越多的客戶也選擇PHEV車型。熱管理系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的角色，而電子水泵是PHEV/EV車型熱管理系統(tǒng)重要部件，在發(fā)動機、電驅(qū)、電池及中冷循環(huán)回路中均有采用。如果水泵出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)等故障，將使車輛出現(xiàn)過溫報警甚至拋錨的風險。本文以某PHEV車型為例，研究一種電子水泵空轉(zhuǎn)故障檢測及控制方法，解決水泵在整車上出現(xiàn)頻繁空轉(zhuǎn)報警的問題，保證整車正常工作性能。

1? ? 水泵空轉(zhuǎn)問題

1.1? ?水泵空轉(zhuǎn)原理

中冷水泵是汽車冷卻系統(tǒng)的重要組成部件，主要作用是負責驅(qū)動發(fā)動機中冷冷卻循環(huán)，吸收發(fā)動機等部件多余的熱量并通過散熱裝置傳遞到外部空氣中，保證發(fā)動機渦輪增壓器及發(fā)動機進氣溫度在正常范圍內(nèi)。如圖1所示，在中冷冷卻循環(huán)中，當中冷水泵報空轉(zhuǎn)故障，并判斷故障停轉(zhuǎn)后無法冷卻降低渦輪增壓器及發(fā)動機進氣溫度，將會使發(fā)動機工作異常報警甚至停機。

電子水泵工作原理如圖2：ECU（電子控制單元）根據(jù)水溫等反饋信號，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)節(jié)占空比的大小，并把信號傳到電子水泵內(nèi)部的控制器，控制器根據(jù)占空比大小控制電機轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)冷卻液循環(huán)[1-2]。

汽車電子水泵也是水泵電機類的一種，工作時水泵腔體內(nèi)充滿流體，電機轉(zhuǎn)子浸沒在流體內(nèi)，繞著電機軸轉(zhuǎn)動，流體的存在減緩了轉(zhuǎn)子與軸的摩擦。水泵空轉(zhuǎn)通常是由于當水泵進水水源斷水、水泵進水口堵塞或系統(tǒng)內(nèi)有空氣等原因引起水泵內(nèi)沒有流體時，水泵在運轉(zhuǎn)過程中不能正常泵送水流動。空轉(zhuǎn)水泵不能形成有效的泵送壓力，導致水泵內(nèi)部形成負壓。轉(zhuǎn)子軸承與軸直接接觸，在極短的時間內(nèi)便會磨損失效，最終會損壞水泵，所以空轉(zhuǎn)狀態(tài)是電機運行過程中不被允許的。水泵空轉(zhuǎn)的表現(xiàn)與正常狀態(tài)相比，主要為電流的減小，總功率的減小。所以，傳統(tǒng)的方法是通過監(jiān)控電機運行電流，功率來判斷電機是否處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。但是隨著控制要求的提高，電機部分時間會要求工作在低電流，低功率區(qū)域，傳統(tǒng)方式很難定義監(jiān)控變量的大小，容易造成誤判或者未成功診斷，造成電機過早停機或診斷失敗，導致系統(tǒng)功能失效；水泵控制拓撲如圖3[3-4]。

1.2? ?水泵空轉(zhuǎn)策略定義

本文所研究的是解決的技術(shù)問題是一種汽車的電子水泵空轉(zhuǎn)誤報警問題，水泵誤報警原因：當水泵轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值3600rpm時，對應占空比69%，水泵自我保護進行空轉(zhuǎn)自檢，這時如果系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)一串連續(xù)氣泡通過水泵時，檢測到水泵的電流不足：＜0.35A，水泵葉輪將停止旋轉(zhuǎn)，如果連續(xù)重啟3次后仍然檢測電流不正常，總計15s，定義為水泵空轉(zhuǎn)，水泵通過PWM信號接口發(fā)送信號至ECU，存在水泵空轉(zhuǎn)故障。如圖4：

1.3? ?水泵空轉(zhuǎn)故障

在整車路試過程中，發(fā)現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)報警，根據(jù)上述1.2水泵空轉(zhuǎn)策略定義15s內(nèi)報故障后停止工作，導致系統(tǒng)溫度上升，整車動力輸出失效，整車停止運行。

本文研究一種新的解決辦法，通過實際測試水路系統(tǒng)中允許最低含水量下對應的電流值，以該電流值作為判斷空轉(zhuǎn)的條件之一，有效的解決了系統(tǒng)中由不穩(wěn)定氣泡產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)誤報；另外，檢測到空轉(zhuǎn)后通過一定的恢復策略將氣體排除，大大的降低了空轉(zhuǎn)故障上報的頻率，即當水泵持續(xù)的檢測到系統(tǒng)有嚴重的缺水（影響到散熱）時會上報空轉(zhuǎn)故障，水泵停轉(zhuǎn)。大部分情況下，水泵持續(xù)工作，保證系統(tǒng)水源流動，保證系統(tǒng)正常工作。

2? ? 水泵空轉(zhuǎn)優(yōu)化策略

本文研究的電子水泵誤報警控制策略：1、空轉(zhuǎn)自檢電流值定義的方法，2、水泵空轉(zhuǎn)自檢誤報識別方法，3、水泵在空轉(zhuǎn)不停止工作，保證系統(tǒng)溫度的策略。

1）水泵正常工作時，含水量與電流成正比關(guān)系，含水量越大，電流越大，空轉(zhuǎn)自檢占空比≥69%時，自定義空轉(zhuǎn)電流值調(diào)整至0.3A，允許有一定量的氣泡流經(jīng)水泵，且提升了氣泡的體積，降低了水泵空轉(zhuǎn)誤報警的概率，同時管路內(nèi)部的含水量滿足最低需求冷卻能力，電流、占空比和含水量的關(guān)系圖，見圖示5：

不同空氣含量水泵電流大小測試方法：1.在回流管中充滿冷卻液，水泵通電，確認水泵可以以額定功率正常運行，調(diào)節(jié)輸入信號占空比，確認水泵在不同轉(zhuǎn)速和功率下正常運行。2.倒出回流管中所有冷卻液，使用電子秤稱量冷卻液重量。3.根據(jù)要測量的空氣含量，稱取一定量的冷卻液，倒入回流管中，其余冷卻液存放在其他容器中。例如回流管中冷卻液總重量為1KG，測量5%空氣含量的水泵電流數(shù)據(jù)，稱取950g冷卻液倒入回流管中。4.水泵通電運行，測量在不同輸入占空比信號下的母線電流。5.重復上述2、3、4步驟，可測量出不同空氣含量下的水泵電流數(shù)據(jù)。測試示意圖如圖6。

2）水泵空轉(zhuǎn)自檢識別過程優(yōu)化：當水泵檢測到空轉(zhuǎn)時，先停機等待1s，之后再次啟動，如果仍檢測到空轉(zhuǎn)，則停機等待5s后再次啟動。水泵重啟后，轉(zhuǎn)速由5500rpm逐漸降低水泵轉(zhuǎn)速到4200rpm，運行10s中，之后降低轉(zhuǎn)速到2000RPM，運行10s，然后提升轉(zhuǎn)速到4200RPM，運行10s，再次進行空轉(zhuǎn)檢測，之后以4200rpm與2000rpm交替運行，水泵空轉(zhuǎn)自檢識別過程圖，見圖示7：

高低速交替運行30min，如果在30min內(nèi)（90個檢測周期）檢測到非空轉(zhuǎn)，則進入調(diào)速運行模式。如30min連續(xù)檢測都為空轉(zhuǎn)，則判定水泵為空轉(zhuǎn)，立即上報空轉(zhuǎn)故障信息，并繼續(xù)按此規(guī)律高低速運行檢測空轉(zhuǎn)。連續(xù)運行超過30min后，如果不為空轉(zhuǎn)，則進入調(diào)速運行模式。如果檢測仍為空轉(zhuǎn)，則繼續(xù)以高低速運行檢測空轉(zhuǎn)，一直持續(xù)下去，R0.2（原狀態(tài)），R2（對策方案）。圖8所示：

相比于問題方案，本文主要從兩點上解決水泵誤報警問題，第一是水泵電流下降，可排除一定含有汽包導致水泵空轉(zhuǎn)誤報警問題，第二是水泵空轉(zhuǎn)判定后相比原方案水泵不會停止轉(zhuǎn)動，繼續(xù)以2000rpm-4200rpm繼續(xù)運轉(zhuǎn)，有利于水泵內(nèi)連續(xù)氣泡的排出，若因為此問題水泵空轉(zhuǎn)誤報警，30min的2000rpm-4200rpm循環(huán)工作，連續(xù)氣泡肯定會被排出，當檢測電流無異常，空轉(zhuǎn)誤報警將解除，解決了此類問題。如圖9所示：

3）水泵空轉(zhuǎn)時整車冷卻系統(tǒng)能力維護：原策略當水泵檢測到空轉(zhuǎn)時，先停機等待1s，之后再次啟動。之后水泵連續(xù)停，啟動1S，導致空轉(zhuǎn)過程中整車系統(tǒng)流量幾乎為零，冷卻系統(tǒng)零件溫度快速上升，整車無法工作。新方案水泵2000轉(zhuǎn)/分與4200轉(zhuǎn)/分切換，水泵功能正常運轉(zhuǎn)，在排空氣的同時保證流量在一定范圍，冷卻系統(tǒng)零件冷卻功能不損壞，保證系統(tǒng)正常工作。若水泵在30min后故障不恢復，將（在2000轉(zhuǎn)/分與4200轉(zhuǎn)/分）持續(xù)交替工作，保證系統(tǒng)內(nèi)有一定流量運行，并上報空轉(zhuǎn)故障。

4）一種新水泵空轉(zhuǎn)時判斷條件：原方案，當水泵在3600轉(zhuǎn)/分，電流低于某設計值，認為水泵空轉(zhuǎn)。新方案新的判斷方法：1、當2000轉(zhuǎn)/分到運轉(zhuǎn)時，根據(jù)圖示1的電流60%的水分電流判斷，若不滿足條件，切換到4200轉(zhuǎn)/分的電流60%的水分電流，再進行一次判斷，若電流高于一定值，則認為水泵不是空轉(zhuǎn)，維持正常指令運行。只有兩個條件滿足時，則認為水泵空轉(zhuǎn)。

水泵空轉(zhuǎn)控制策略優(yōu)化后，發(fā)動機進氣溫度由報故障前的116℃，降低到45℃以下，保證了發(fā)動機及整車正常安全運行，如圖10：

采取該策略后進行實車測試驗證（已驗證3萬公里），無中冷水泵空轉(zhuǎn)故障發(fā)生（及漏判），發(fā)動機及水泵工作正常，滿足設計目標要求。

3? ? 結(jié)論

通過本文研究可以得到以下結(jié)論：

（1）本文提出的一種汽車電子水泵空轉(zhuǎn)誤報警的控制方法，在保證冷卻系統(tǒng)冷卻能力前提下，精確水泵空轉(zhuǎn)電流檢測，可排除一定含有氣泡氣流導致的誤報警。

（2）本文提出的一種汽車電子水泵空轉(zhuǎn)誤報警的控制方法，優(yōu)化了空轉(zhuǎn)誤報警定義的周期和水泵電機的轉(zhuǎn)速，更加有利于連續(xù)氣泡的排出。

（3）本文提出一種新的水泵空轉(zhuǎn)控制方法，維持系統(tǒng)水流量，整車零件持續(xù)冷卻，保證整車的正常行駛，降低事故發(fā)生率。

參考文獻：

[1]沈偉，洪林，張駿，王寧。基于BLDCM和FOC算法的汽車電子水泵[J].現(xiàn)代制造工程，2020年第9期2020，（9）：108-116.

[2]韓軍良，馮長虹，周相青。基于無傳感器FOC控制的電子水泵研究與實現(xiàn)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017，（20）：126-127.

[3]武澤仕.基于FOC算法的汽車電子水泵控制器設計與實現(xiàn)[D].天津：天津工業(yè)大學，2019.

[4]馬西沛，何鄭，張琳，祝宸.基于國產(chǎn)MCU電子水泵控制器的設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，44（4）：18-22.

[5]劉浩，謝源，何志明.一種改進式FOC永磁同步電機控制策略[J].新型工業(yè)化，2018，8（7）.