一種電子水泵空轉故障控制的研究與應用

卜江華 鄭凡 鄧湘 金永鎮 馮滿樂

摘? 要：解決的電子水泵空轉誤報警問題，當水泵轉速超過一定數值3600rpm時，對應占空比69%，水泵自我保護進行空轉自檢，這時如果系統內出現一串連續氣泡通過水泵時，檢測到水泵的電流不足會誤報空轉。通過實際測試水路系統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的條件之一，有效的解決了系統中由不穩定氣泡產生的空轉誤報。

關鍵詞：電子水泵；空轉報警；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展，PHEV車型也呈現井噴式爆發，越來越多的客戶也選擇PHEV車型。熱管理系統發揮著越來越重要的角色，而電子水泵是PHEV/EV車型熱管理系統重要部件，在發動機、電驅、電池及中冷循環回路中均有采用。如果水泵出現堵轉，空轉，停轉等故障，將使車輛出現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故障檢測及控制方法，解決水泵在整車上出現頻繁空轉報警的問題，保證整車正常工作性能。

1? ? 水泵空轉問題

1.1? ?水泵空轉原理

中冷水泵是汽車冷卻系統的重要組成部件，主要作用是負責驅動發動機中冷冷卻循環，吸收發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，保證發動機渦輪增壓器及發動機進氣溫度在正常范圍內。如圖1所示，在中冷冷卻循環中，當中冷水泵報空轉故障，并判斷故障停轉后無法冷卻降低渦輪增壓器及發動機進氣溫度，將會使發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）根據水溫等反饋信號，通過PWM（脈沖寬度調制）調節占空比的大小，并把信號傳到電子水泵內部的控制器，控制器根據占空比大小控制電機轉動，從而驅動葉輪轉子旋轉，進而實現冷卻液循環[1-2]。

汽車電子水泵也是水泵電機類的一種，工作時水泵腔體內充滿流體，電機轉子浸沒在流體內，繞著電機軸轉動，流體的存在減緩了轉子與軸的摩擦。水泵空轉通常是由于當水泵進水水源斷水、水泵進水口堵塞或系統內有空氣等原因引起水泵內沒有流體時，水泵在運轉過程中不能正常泵送水流動。空轉水泵不能形成有效的泵送壓力，導致水泵內部形成負壓。轉子軸承與軸直接接觸，在極短的時間內便會磨損失效，最終會損壞水泵，所以空轉狀態是電機運行過程中不被允許的。水泵空轉的表現與正常狀態相比，主要為電流的減小，總功率的減小。所以，傳統的方法是通過監控電機運行電流，功率來判斷電機是否處于空轉狀態。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，低功率區域，傳統方式很難定義監控變量的大小，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，導致系統功能失效；水泵控制拓撲如圖3[3-4]。

1.2? ?水泵空轉策略定義

本文所研究的是解決的技術問題是一種汽車的電子水泵空轉誤報警問題，水泵誤報警原因：當水泵轉速超過一定數值3600rpm時，對應占空比69%，水泵自我保護進行空轉自檢，這時如果系統內出現一串連續氣泡通過水泵時，檢測到水泵的電流不足：＜0.35A，水泵葉輪將停止旋轉，如果連續重啟3次后仍然檢測電流不正常，總計15s，定義為水泵空轉，水泵通過PWM信號接口發送信號至ECU，存在水泵空轉故障。如圖4：

1.3? ?水泵空轉故障

在整車路試過程中，發現水泵空轉報警，根據上述1.2水泵空轉策略定義15s內報故障后停止工作，導致系統溫度上升，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的條件之一，有效的解決了系統中由不穩定氣泡產生的空轉誤報；另外，檢測到空轉后通過一定的恢復策略將氣體排除，大大的降低了空轉故障上報的頻率，即當水泵持續的檢測到系統有嚴重的缺水（影響到散熱）時會上報空轉故障，水泵停轉。大部分情況下，水泵持續工作，保證系統水源流動，保證系統正常工作。

2? ? 水泵空轉優化策略

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

1）水泵正常工作時，含水量與電流成正比關系，含水量越大，電流越大，空轉自檢占空比≥69%時，自定義空轉電流值調整至0.3A，允許有一定量的氣泡流經水泵，且提升了氣泡的體積，降低了水泵空轉誤報警的概率，同時管路內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，調節輸入信號占空比，確認水泵在不同轉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據，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據。測試示意圖如圖6。

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

高低速交替運行30min，如果在30min內（90個檢測周期）檢測到非空轉，則進入調速運行模式。如30min連續檢測都為空轉，則判定水泵為空轉，立即上報空轉故障信息，并繼續按此規律高低速運行檢測空轉。連續運行超過30min后，如果不為空轉，則進入調速運行模式。如果檢測仍為空轉，則繼續以高低速運行檢測空轉，一直持續下去，R0.2（原狀態），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誤報警問題，第二是水泵空轉判定后相比原方案水泵不會停止轉動，繼續以2000rpm-4200rpm繼續運轉，有利于水泵內連續氣泡的排出，若因為此問題水泵空轉誤報警，30min的2000rpm-4200rpm循環工作，連續氣泡肯定會被排出，當檢測電流無異常，空轉誤報警將解除，解決了此類問題。如圖9所示：

3）水泵空轉時整車冷卻系統能力維護：原策略當水泵檢測到空轉時，先停機等待1s，之后再次啟動。之后水泵連續停，啟動1S，導致空轉過程中整車系統流量幾乎為零，冷卻系統零件溫度快速上升，整車無法工作。新方案水泵2000轉/分與4200轉/分切換，水泵功能正常運轉，在排空氣的同時保證流量在一定范圍，冷卻系統零件冷卻功能不損壞，保證系統正常工作。若水泵在30min后故障不恢復，將（在2000轉/分與4200轉/分）持續交替工作，保證系統內有一定流量運行，并上報空轉故障。

4）一種新水泵空轉時判斷條件：原方案，當水泵在3600轉/分，電流低于某設計值，認為水泵空轉。新方案新的判斷方法：1、當2000轉/分到運轉時，根據圖示1的電流60%的水分電流判斷，若不滿足條件，切換到4200轉/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，維持正常指令運行。只有兩個條件滿足時，則認為水泵空轉。

水泵空轉控制策略優化后，發動機進氣溫度由報故障前的116℃，降低到45℃以下，保證了發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），無中冷水泵空轉故障發生（及漏判），發動機及水泵工作正常，滿足設計目標要求。

3? ? 結論

通過本文研究可以得到以下結論：

（1）本文提出的一種汽車電子水泵空轉誤報警的控制方法，在保證冷卻系統冷卻能力前提下，精確水泵空轉電流檢測，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誤報警的控制方法，優化了空轉誤報警定義的周期和水泵電機的轉速，更加有利于連續氣泡的排出。

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

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