一种智能化的电动汽车电子水泵设计研究

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10.16638/ki.1671-7988.2019.08.009
一种智能化的电动汽车电子水泵设计研究
张金军1，黄锐1，冯贵锐1，张凤礼2，王道玉2，陶华胜3
（1.奇瑞新能源汽车技术有限公司，安徽 芜湖 241000；2.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000；
3.奇瑞商用车有限公司，安徽 芜湖 241000）
摘 要：随着电控技术的不断发展，冷却系统的智能化控制是未来电动汽车发动的发现。

文章设计和研究了一种通过PWM 信号可以诊断控制电子水泵运行状态和故障反馈的智能化电子水泵。

关键词：电子水泵；智能水泵；水泵控制；水泵诊断
中图分类号：U469.72 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)08-30-03
Design and Research of an Intelligent Electronic Pump for Electric Vehicle
Zhang Jinjun 1, Huang Rui 1, Feng Guirui 1, Zhang Fengli 2, Wang Daoyu 2, Tao Huasheng 3
（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）
Abstract: 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.
Keywords: Electronic pump; Intelligent pump; Pump control; Pump diagnosis CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)08-30-03
引言
随着汽车保有量的增加，对能源的消耗将会越来越大，如果不加以节制，将会造成不可逆转的影响。

传统的机动车会消耗大量的不可再生能源，产生大量污染气体。

电动汽车可以利用可再生的光能、风能等转换而来的电能，不会产生污染气体，因此电动汽车得以获得国家的支持从而快速的发展。

由于电池技术的不断发展，电池的发展已进入瓶颈期，在相同容量电池的情况下怎么提高电动汽车的安全性和续航成为各厂家重点研究内容。

电子水泵作为冷却系统的重要部件，对于电动车的性能有重要的影响。

本文设计研究了一种智能化电子水泵，可以实时调节冷却液的流速，并具有诊断和故障反馈的功能。

1 系统架构
纯电动汽车一般采用芯片作为主控单元，本方案在不增加芯片的情况下，根据PWM 信号的不同状态完成信号的采集，方便VCU 及时处理水泵的各种信息，系统原理如图一所示。

图1 系统原理图
2 结构组成
电子水泵是采用无刷直流电机驱动的离心泵，由直流无
作者简介：张金军（1983-），男，奇瑞新能源汽车技术有限公司主管设计师，工程师，从事新能源汽车电子架构&电路控制研究工作。

张金军 等：一种智能化的电动汽车电子水泵设计研究
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刷电机加上叶轮组成， 电子水泵主要包含以下部件：定子组件（包含主机壳）、转子组件（包含水泵叶轮）、水泵壳、橡胶支架、控制器组件、密封后盖、安装支架。

水泵采用电子组件换向，整个部件中没有动密封。

由于水泵结构的设计方案多种多样，本文不讨论结构设计方案。

3 硬件设计
电子水泵控制电路的核心问题是对电机的控制和对过程中状态量的反馈问题。

根据需要电子水泵的硬件电路主要由电源模块和控制模块。

3.1 电源模块
为了保护电源系统的可靠性和掉稳定性，电源模块采用纯硬件电路设计。

输入电压经过三个电容稳压再经过场效应管和三极管处理后给电子水泵提供电源，其硬件设计电路如下图。

图2 电源模块硬件设计电路图
3.2 控制模块
控制模块是对输入的PWM 信号进行处理，主要由两个三极管组成，第一个三极管将PWM 信号处理传递给水泵，第二个三极管将异常信息通过PWM 信号再反馈给VCU ，其硬件电路如下图。

图3 控制模块硬件电路图
4 软件设计
汽车VCU 和电子水泵之间通过PWM 信号进行通讯。

在正常运转条件下，汽车VCU 输出不同占空比的PWM 信号能控制水泵运行状态和运转速度，水泵实时反馈信号对应水泵的实时运行状态和转速。

当水泵处于非正常运行情况下，水泵自身具有保护功能，如遇过压、欠压、堵转、空转、过流、过温等异常水泵自身将执行保护策略，并将异常信息通过PWM 信号传递给汽车VCU 。

4.1 水泵运行控制
输入PWM 信号（高有效）要求： 有效电平：5～16V ； 有效低电平：0～0.7V ； 占空比调节范围：0～100%；
频率：10Hz ～1KHz （常用10～200Hz ）；
当水泵处于正常运转状态下，VCU 通过采集控制目标参数信息来判断并输出不同占空比PWM 信号控制水泵转速，输入PWM 占空比与电机目标转速对应关系如表1和图4（由于PWM 信号有1%的误差，需避免使用临界点）：
表1 PWM 占空比与调速信号对应关系表
4.2 水泵运行状态反馈
电子水泵能读取PWM 线上的电平，同时也改写PWM 线上的电平（要求VCU 的PWM 为开集OC 输出或开漏OD
输出），即PWM 线上的电平是由VCU 和电子水泵共同决定的。

参考下述示意图表。

图4 水泵运行状态反馈
电子水泵通过不同的低电平持续时间来标识不同的诊断
信号，以下表2是由水泵反馈至PWM 信号线上的状态信息。

表2 水泵反馈至PWM 信号线上的状态信息
汽车实用技术
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图5 PWM占空比与电机目标转速对应关系
下表3显示了水泵在不同输入变化条件下的反应措施。

表3 水泵动作表
5 实验验证
通过以上设计过程，按照以下框图搭建一套台架系统进行模拟验证，如图6所示。

图6 台架系统框架图
测试电压：（12±0.2）V；
测试介质：水/乙二醇混合液；
环境温度：23±5℃
介质温度：23±5℃
得出电子水泵性能曲线如图6：
根据以上原理，设定如下条件进行模拟验证，压差为80kPa时，输出流程≥30L/min，电流≤9.5A。

6 结束语
通过以上验证，该电子水泵实现了良好的控制、诊断及故障反馈功能，通过调整PWM信号的占空比能够很好的调整冷却液的流速。

在模拟系统故障时，故障信息也能够通过控制端反馈给VCU控制器，从VCU读取电子水泵的故障信息。

该方案设计简单，没有控制芯片，成本低廉，可以作为低端电动汽车的常用电子水泵设计方案。

图7 水泵性能曲线
参考文献
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研究与实现[J].第十三届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集,2016.。