新能源車載冷卻水泵系統設計與實現

陳曉紀 路燕 海濱 賽影輝 王磊

摘要：近年來，新能源汽車工業在續航能力、電池技術、維護管理等方面取得了長足的進步。消費者對新能源汽車的關注度與認可度逐年提高。車載冷卻系統是新能源汽車整車管理的重要組成部分。其功能是根據整車控制器的指令，驅動冷卻液循環，降低整車關鍵部位的溫度，保障整車系統的正常運行。本文基于PWM原理，設計了一款新能源車載冷卻系統。該系統利用PWM信號與放大電路，驅動冷卻水泵運行;并且采集反饋信號，監測其運行狀態。本系統的設計思路對新能源車載冷卻系統的設計開發具有一定的借鑒意義。

Abstract： In recent years， the new energy vehicle industry has made great progress in endurance， battery technology， maintenance and management. Consumers' attention and recognition of new energy vehicles are increasing year by year. Vehicle cooling system is an important part of new energy vehicle management. Its function is to drive the coolant circulation according to the instructions of the vehicle controller unit， reduces the temperature of the key parts of the vehicle， and ensures the normal operation of the vehicle system. Based on PWM principle， this paper designs a new energy vehicle cooling system. The system uses PWM signal and amplifier circuit to drive the cooling water pump to run， and collects feed back the signal to monitor its running state. The design idea of this system has certain reference significance for the design and development of new energy vehicle cooling system.

關鍵詞：新能源汽車;冷卻系統;整車控制器;PWM信號

Key words： new energy vehicle;cooling system;vehicle controller unit;PWM signal

中圖分類號：TM303? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0020-02

0? 引言

隨著環境污染與能源消耗的進一步加劇，新能源汽車逐步進入人們的視野。新能源汽車具有污染小、環保性好、噪音小、舒適度高等顯著的特點。以鋰電池、氫燃料為代表的新能源汽車將是解決汽車工業化可持續發展的重要且行之有效的途徑。在新能源整車管理系統中，冷卻系統起著非常重要的作用。冷卻系統用于降低電機控制器、電機、DCDC、電池等關鍵設備附近的溫度，保障車載設備的順暢運行。傳統新能源車載冷卻系統中，每個模塊可能采用獨立的冷卻系統[1-2]。即使冷卻系統對電機控制器、電機、DCDC、電池等關鍵設備進行綜合管理[3-5]，也很難對冷卻系統的運行狀態進行有效監控。與傳統的冷卻系統相比，本設計在車載關鍵設備附近配置了溫度傳感器，實時監測溫度值。冷卻管道依次經過這些關鍵設備，形成閉環冷卻系統。每個關鍵設備通過CAN報文與新能源整車控制器（VCU）通信。VCU根據溫度采集數據，以PWM方式驅動冷卻水泵運行。同時，為了確保冷卻水泵安全運行，實時采集冷卻水泵反饋的PWM信號，監測冷卻水泵的運行狀況。

1? 車載冷卻水泵系統工作原理

本設計的新能源車載冷卻水泵系統，其原理圖如圖1所示。首先，車載關鍵設備，如電機、DCDC、空調等通過CAN總線與整車控制器（VCU）連接。以CAN報文的方式進行通信，實時監控溫度數據。VCU為接收CAN報文設置緩沖區，每個緩沖區接收某一類報文ID，實現CAN緩沖區過濾的功能。其次，VCU根據溫度，查表獲得對應的PWM占空比數值，發送PWM信號，經過電阻與三極管放大電路，驅動冷卻水泵運行。最后，VCU捕獲冷卻水泵反饋的PWM信號，完成冷卻系統的閉環運行過程。

2? 車載冷卻水泵系統的設計與實現

2.1 系統硬件設計

本文設計的新能源車載冷卻水泵系統由整車控制器（VCU）、CAN發送與接收模塊、冷卻水泵驅動與顯示模塊等構成。VCU采用恩智浦（NXP）公司的MPC5644A，主要用于收發CAN報文、PWM發送驅動信號及反饋采集、冷卻水泵運行狀況監測顯示等。冷卻水泵采用60W無刷直流電動水泵。當電源電壓采樣值高于16V時，水泵停止工作。當電源電壓采樣值低于8V時，水泵停止工作。冷卻水泵包括電源正極、電源負極、故障信號輸出與PWM調速。外圍設備，如電池、電機、DCDC等關鍵設備，通過CAN總線與VCU通信，實時采集并發送溫度數據。

2.2 系統軟件設計

系統軟件基于模塊化設計原則，主要包括：PWM初始化與發送程序、CAN報文過濾與解析程序、PWM返回信號采集與解析程序、冷卻水泵顯示程序、中斷服務程序等。首先，系統初始化時鐘，基于外部8M晶振倍頻為64M，配置時鐘中斷定時器為1ms。VCU初始化CAN接收緩沖區，為每個緩沖區配置FIFO隊列與掩碼，保證指定緩沖區只能接收某些類型ID的CAN報文數據。然后，VCU解析CAN報文，獲取關鍵設備附近的溫度數據，通過max函數得到溫度的最大值，通過查表獲得PWM占空比?；谟簿€發送PWM信號，驅動冷卻水泵運行。最后，VCU實時采集冷卻水泵反饋的PWM信號，監測當前冷卻水泵的運行狀態，保障行車安全。

在本文中，設計了兩種采集PWM反饋信號模式。

2.2.1 IPW與IPWM采集模式

恩智浦NXP生產的MPC5644A芯片，屬于車規級VCU專用芯片，具有低功耗、性能穩定等特點。IPWM用于測量輸入脈沖寬度。如圖2所示，A點與B點的差值，是高電平持續的時間。IPM用于測量脈沖周期寬度。如圖3所示，A點與B點的差值，是一個脈沖周期持續的時間。PWM占空比=高電平持續時間/一個脈沖持續時間，就可以計算出反饋PWM信號的占空比。

2.2.2 定時器中斷采集模式

PWM驅動信號與反饋信號的頻率已知為50HZ。一個PWM脈沖的周期為20000微秒。因此，本文設置一個單獨的定時器，中斷周期為40微秒，即一個完整的PWM買中周期可以采樣500次。如圖4所示，本文對采樣周期中高低電平分別計數，每次采集到500次為止。PWM占空比=高電平計數/（高電平計數+低電平計數）。

2.3 系統的硬件實現

根據系統硬件結構框圖搭建硬件模型，按系統程序流程圖編寫控制程序，對系統功能進行測試。VCU與車載冷卻水泵，采用硬線連接方式。VCU發送PWM信號驅動水泵運行，同時采集冷卻水泵反饋的PWM信號。

3? 測量結果分析

本文搭建的硬件系統，在奇瑞T15 EV電動車上進行測試。圖5為冷卻水泵監測運行結果。冷卻水泵運行后，VCU采集PWM反饋信號，實時監測水泵運行狀態。如果水泵運行狀態異常，顯示模塊報警，VCU采取合適的策略，保障行車安全。

4? 結束語

新能源車載冷卻系統具有成本低、安全可靠、適應性強等優點。本文利用恩智浦MPC5644A芯片、電阻、三極管等組成驅動電路，驅動冷卻水泵運行。同時，采集冷卻水泵反饋的PWM信號，監測其運行狀態。經多次實車測試，冷卻水泵系統運行平穩。PWM反饋信號，采集的占空比誤差在3%以內，能夠滿足新能源整車冷卻系統的使用要求。

參考文獻：

[1]趙博，張紅偉，陳留杰.新能源汽車電池冷卻系統研究[C].第八屆中國制冷空調行業信息大會論文集，2016：94-96.

[2]趙沖，王有鏜，鄭斌.新能源汽車動力電池冷卻技術分析[J]. 內燃機與配件，2020（1）：192-193.

[3]曹海平.電動水泵在新能源汽車上的應用[J].汽車與配件， 2013（23）：20-21.

[4]王靜.新能源汽車冷卻系統方案研究[J].湖北農機化，2020， 242（5）：157.

[5]張春秋，羅玉林.電動汽車電池冷卻系統對空調系統性能的影響[J].制冷與空調，2020，20（2）：49-52.