汽車電動水泵保護策略研究

張洋

摘 要：本文介紹了汽車電動水泵（以下簡稱電動水泵）的各種保護策略，對策略的原理及作用進行了淺析并做了簡要概述。本文介紹的保護策略可以廣泛地應用于電動水泵設計開發(fā)。

關鍵詞：汽車;電動水泵;保護策略

1 前言

隨著國家汽車污染物排放標準的提高，各車企積極應對國家節(jié)能減排政策，傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機逐步優(yōu)化升級;同時國家持續(xù)對新能源汽車給予政策上的扶持，新能源汽車發(fā)展勢頭迅猛。無論是燃油汽車還是新能源汽車，汽車電動水泵作為汽車冷卻系統(tǒng)的主要部件和動力來源，保障汽車各發(fā)熱部件在正常的溫度下工作，發(fā)揮著不可替代的作用。

電動水泵的保護策略不僅可以對自身的零部件起到保護作用，而且能夠?qū)崟r反映其工作狀態(tài)。因此，合理的保護策略對電動水泵的運行及可靠性具有重要意義。

2 保護策略

電動水泵的保護策略主要包括反接保護、空載保護、堵轉(zhuǎn)保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、相間短路保護、過溫保護及心跳等。

2.1 反接保護

反接保護是防反接保護的簡稱，即電動水泵的輸入電源正極與電源負極反接時觸發(fā)的電路保護。反接會出現(xiàn)大電流將電動水泵控制器和電機擊穿，損壞水泵。

反接保護一般由硬件電路實現(xiàn)。方案一是利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺崿F(xiàn)防反接保護。其原理圖如圖1所示。該方案存在壓降和功耗過大的問題，因此應用的局限性較大。

方案二是利用MOS的開關特性，控制電路的導通和斷開來實現(xiàn)防反接保護。其原理圖如圖2所示。目前功率MOS的內(nèi)阻已經(jīng)能夠做到毫歐級的，解決了二極管方案存在的壓降和功耗過大的問題。因此應用較為廣泛。

2.2 空載保護

空載保護即電動水泵負載為空或負載過小時觸發(fā)的電路保護。

電動水泵在空載運行時，一般是沒有冷卻液或者冷卻介質(zhì)極少，電機所受負荷很小，因此轉(zhuǎn)速很高，由于軸承與轉(zhuǎn)子軸之間沒有冷卻液的潤滑和冷卻液體的降溫，會導致軸承和轉(zhuǎn)子軸摩擦損傷，降低轉(zhuǎn)動部件的壽命和可靠性，嚴重情況下會出現(xiàn)卡死，使電動水泵出現(xiàn)不可逆的損壞。另外，空載說明電動水泵在空轉(zhuǎn)，沒有輸送冷卻液，冷卻液無法循環(huán)，整車其它需要冷卻的零部件發(fā)熱卻無法排出熱量，會出現(xiàn)嚴重溫升導致故障。

空載故障保護策略的原理是對轉(zhuǎn)速和電流同時進行采樣判斷，當水泵轉(zhuǎn)速大于某一閾值，同時電流小于某一閾值時，判斷水泵為空載狀態(tài)。具體的閾值需要根據(jù)水泵自身的特性及整車環(huán)境實際測試綜合判斷來設計。當電動水泵發(fā)生空載故障時，水泵控制器必須及時關閉控制器輸出，保證水泵自身不被損壞。

另外值得注意的是，當水泵的電機頻繁高頻諧振時，根據(jù)高轉(zhuǎn)速、低電流的特點，易被誤認為發(fā)生了空轉(zhuǎn)故障，所以產(chǎn)品設計時需要增加檢測手段，確保系統(tǒng)能夠準確地判斷水泵的運行狀態(tài)。

2.3 堵轉(zhuǎn)保護

堵轉(zhuǎn)保護是電動水泵在啟動或運行過程中，由于負荷過大或者自身機械部件卡滯且未及時解除故障觸發(fā)的電路保護。

電動水泵在堵轉(zhuǎn)時，電機定子和電機轉(zhuǎn)子之間沒有相對運動，定子線圈中無感應電動勢，電源電壓直接施加在定子線圈兩端，而線圈的電阻一般較小，由I=U/R可知，此時通過定子線圈的電流較大，長時間運行在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機的溫度持續(xù)上升，線圈損傷，最終導致水泵損壞。所以，堵轉(zhuǎn)保護是電動水泵設計中必須考慮的要素。

堵轉(zhuǎn)故障保護策略的原理和空載故障的檢測原理基本相同，當水泵轉(zhuǎn)速小于某一閾值，同時電流大于某一閾值時，判斷水泵為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。具體的閾值需要根據(jù)水泵自身的特性及整車環(huán)境實際測試綜合判斷來設計。當電動水泵發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時，水泵控制器必須及時關閉控制器輸出，保證電機及水泵自身不被損壞。

2.4 過/欠壓保護

過/欠壓保護即電動水泵輸入電壓高于/低于水泵正常工作電壓范圍時觸發(fā)的電路保護。

整車電路復雜，用電器種類繁多，相互之間不可避免會產(chǎn)生各種影響，經(jīng)常會出現(xiàn)電壓在某一瞬間增大或減小的現(xiàn)象，特別是在車輛點火或熄火的瞬間，整車用電器都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時電路中的電壓會有較大的波動。電壓過大，會引起電機磁路飽和，溫升增加，影響電機的安全工作，長時間過壓運行會降低電機壽命;電壓過小，電動水泵無法正常啟動、工作，失去冷卻動力來源，對整車運行影響很大。通常情況下，主機廠對電動水泵的正常工作電壓范圍要求為9～16V。所以電動水泵的設計不僅需要滿足在9～16V的電壓范圍內(nèi)能正常啟動運行，并且當電源電壓超出此范圍時水泵不損壞。過/欠壓保護能夠保證水泵在超低電壓或者超高電壓時不損壞。

過/欠壓保護策略的原理主要是通過對水泵的輸入電壓進行檢測，當超過設定閾值時，關閉控制器輸出，保護控制器器件及電機。

2.5 過流保護

過流保護是電動水泵在啟動或運行過程中，由于某些原因?qū)е码娏鬟^大而觸發(fā)的電路保護。

電動水泵在電流過大的情況下運行，發(fā)熱量大，嚴重時會燒毀電機、水泵甚至整車，關乎汽車運行的安全。

過流保護策略的原理主要是設定電流的限定值，通過對母線電流進行檢測，判斷水泵控制器的電流是否超過設定閾值，如果超過，水泵控制器會限制輸出功率或關斷輸出，使電機降低運行速度或者停止轉(zhuǎn)動，保證控制器的元器件及電機不被損壞。

2.6 相間短路保護

相間短路保護是電動水泵在啟動或運行過程中，由于某些原因?qū)е码姍C控制器輸出短路而觸發(fā)的電路保護。當控制器相間發(fā)生短路故障時，控制器如果繼續(xù)輸出，電流會急劇增加，超過器件的電流設計要求，易造成控制器的損壞，最終導致產(chǎn)品功能失效。

相間短路保護策略的原理和過流保護檢測方法一致，設定電流的限定值，通過對母線電流進行檢測，判斷水泵控制器的相間是否發(fā)生短路故障，如果電流過大，水泵控制器會關斷輸出，保證控制器的元器件及電機不被損壞。

2.7 過溫保護

過溫保護是電動水泵在啟動或運行過程中，由于環(huán)境溫度較高及自身功耗過大導致控制器溫度過高而觸發(fā)的電路保護。

電動水泵的電機部分運行時，因為電流本身存在熱效應，電機本身發(fā)熱產(chǎn)生溫升;其他的如過流、過壓、堵轉(zhuǎn)等故障模式出現(xiàn)的電流增大也會造成電機發(fā)熱嚴重。加之水泵工作環(huán)境相對惡劣，會在環(huán)境溫度高的情況下持續(xù)工作。當長時間在過溫情況下運行，電機絕緣會出現(xiàn)老化，產(chǎn)生燒毀的風險。電動水泵控制器的元器件也需要工作在正常的溫度范圍，當溫度過高時，器件會加速老化，導致水泵的壽命減少。因此過溫保護是十分必要的。

過溫保護策略的原理是通過對控制器的溫度進行檢測，判斷水泵控制器的溫度是否超過設定閾值，如果超過，水泵控制器會降低輸出功率或者關斷輸出，使電機降速工作或者停止工作，保證控制器的元器件及電機不被損壞。

2.8 心跳

心跳，也指正常運行信號，是電動水泵在正常運行過程中反饋的信號。在滿足下列條件的情況下，水泵會發(fā)送心跳信號：

● 沒有故障事件被檢測到或水泵目標轉(zhuǎn)速被設置為0;

● 沒有通信故障發(fā)生;

● 沒有導致水泵關機的內(nèi)部故障發(fā)生;

● 水泵供電電壓在正常工作電壓范圍內(nèi)。

如果周期性地收到心跳信號，整車控制器就可以判定水泵工作正常。

3 小結(jié)

電動水泵作為整車用電器中核心部件的一種，對冷卻系統(tǒng)發(fā)揮著關鍵的作用。作為設計研發(fā)者，必須充分意識到控制器策略的重要性，在實際應用過程中，應根據(jù)整車的需求及產(chǎn)品自身的特性，合理設計控制方案，完善保護策略。電動水泵的保護策略不僅是對水泵自身的保護，提高水泵的可靠性及使用壽命，更是對整車電氣系統(tǒng)及其它用電器的保護。同時，電動水泵可以將自身的工作狀態(tài)通過通信接口反饋給整車控制器，以便整車控制器及時做出正確判斷和有效響應，保證整車的運行安全。

參考文獻：

[1]李娟，姚勝華，李險鋒，沈凱.新能源汽車電控水泵保護策略研究 [J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2017（03）：1-5+8.