汽车电动水泵保护策略研究

张洋

摘 要：本文介绍了汽车电动水泵（以下简称电动水泵）的各种保护策略，对策略的原理及作用进行了浅析并做了简要概述。本文介绍的保护策略可以广泛地应用于电动水泵设计开发。

关键词：汽车;电动水泵;保护策略

1 前言

随着国家汽车污染物排放标准的提高，各车企积极应对国家节能减排政策，传统燃油汽车发动机逐步优化升级;同时国家持续对新能源汽车给予政策上的扶持，新能源汽车发展势头迅猛。无论是燃油汽车还是新能源汽车，汽车电动水泵作为汽车冷却系统的主要部件和动力来源，保障汽车各发热部件在正常的温度下工作，发挥着不可替代的作用。

电动水泵的保护策略不仅可以对自身的零部件起到保护作用，而且能够实时反映其工作状态。因此，合理的保护策略对电动水泵的运行及可靠性具有重要意义。

2 保护策略

电动水泵的保护策略主要包括反接保护、空载保护、堵转保护、过压保护、欠压保护、过流保护、相间短路保护、过温保护及心跳等。

2.1 反接保护

反接保护是防反接保护的简称，即电动水泵的输入电源正极与电源负极反接时触发的电路保护。反接会出现大电流将电动水泵控制器和电机击穿，损坏水泵。

反接保护一般由硬件电路实现。方案一是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。其原理图如图1所示。该方案存在压降和功耗过大的问题，因此应用的局限性较大。

方案二是利用MOS的开关特性，控制电路的导通和断开来实现防反接保护。其原理图如图2所示。目前功率MOS的内阻已经能够做到毫欧级的，解决了二极管方案存在的压降和功耗过大的问题。因此应用较为广泛。

2.2 空载保护

空载保护即电动水泵负载为空或负载过小时触发的电路保护。

电动水泵在空载运行时，一般是没有冷却液或者冷却介质极少，电机所受负荷很小，因此转速很高，由于轴承与转子轴之间没有冷却液的润滑和冷却液体的降温，会导致轴承和转子轴摩擦损伤，降低转动部件的寿命和可靠性，严重情况下会出现卡死，使电动水泵出现不可逆的损坏。另外，空载说明电动水泵在空转，没有输送冷却液，冷却液无法循环，整车其它需要冷却的零部件发热却无法排出热量，会出现严重温升导致故障。

空载故障保护策略的原理是对转速和电流同时进行采样判断，当水泵转速大于某一阈值，同时电流小于某一阈值时，判断水泵为空载状态。具体的阈值需要根据水泵自身的特性及整车环境实际测试综合判断来设计。当电动水泵发生空载故障时，水泵控制器必须及时关闭控制器输出，保证水泵自身不被损坏。

另外值得注意的是，当水泵的电机频繁高频谐振时，根据高转速、低电流的特点，易被误认为发生了空转故障，所以产品设计时需要增加检测手段，确保系统能够准确地判断水泵的运行状态。

2.3 堵转保护

堵转保护是电动水泵在启动或运行过程中，由于负荷过大或者自身机械部件卡滞且未及时解除故障触发的电路保护。

电动水泵在堵转时，电机定子和电机转子之间没有相对运动，定子线圈中无感应电动势，电源电压直接施加在定子线圈两端，而线圈的电阻一般较小，由I=U/R可知，此时通过定子线圈的电流较大，长时间运行在堵转状态，电机的温度持续上升，线圈损伤，最终导致水泵损坏。所以，堵转保护是电动水泵设计中必须考虑的要素。

堵转故障保护策略的原理和空载故障的检测原理基本相同，当水泵转速小于某一阈值，同时电流大于某一阈值时，判断水泵为堵转状态。具体的阈值需要根据水泵自身的特性及整车环境实际测试综合判断来设计。当电动水泵发生堵转故障时，水泵控制器必须及时关闭控制器输出，保证电机及水泵自身不被损坏。

2.4 过/欠压保护

过/欠压保护即电动水泵输入电压高于/低于水泵正常工作电压范围时触发的电路保护。

整车电路复杂，用电器种类繁多，相互之间不可避免会产生各种影响，经常会出现电压在某一瞬间增大或减小的现象，特别是在车辆点火或熄火的瞬间，整车用电器都处于不稳定状态，此时电路中的电压会有较大的波动。电压过大，会引起电机磁路饱和，温升增加，影响电机的安全工作，长时间过压运行会降低电机寿命;电压过小，电动水泵无法正常启动、工作，失去冷却动力来源，对整车运行影响很大。通常情况下，主机厂对电动水泵的正常工作电压范围要求为9～16V。所以电动水泵的设计不仅需要满足在9～16V的电压范围内能正常启动运行，并且当电源电压超出此范围时水泵不损坏。过/欠压保护能够保证水泵在超低电压或者超高电压时不损坏。

过/欠压保护策略的原理主要是通过对水泵的输入电压进行检测，当超过设定阈值时，关闭控制器输出，保护控制器器件及电机。

2.5 过流保护

过流保护是电动水泵在启动或运行过程中，由于某些原因导致电流过大而触发的电路保护。

电动水泵在电流过大的情况下运行，发热量大，严重时会烧毁电机、水泵甚至整车，关乎汽车运行的安全。

过流保护策略的原理主要是设定电流的限定值，通过对母线电流进行检测，判断水泵控制器的电流是否超过设定阈值，如果超过，水泵控制器会限制输出功率或关断输出，使电机降低运行速度或者停止转动，保证控制器的元器件及电机不被损坏。

2.6 相间短路保护

相间短路保护是电动水泵在启动或运行过程中，由于某些原因导致电机控制器输出短路而触发的电路保护。当控制器相间发生短路故障时，控制器如果继续输出，电流会急剧增加，超过器件的电流设计要求，易造成控制器的损坏，最终导致产品功能失效。

相间短路保护策略的原理和过流保护检测方法一致，设定电流的限定值，通过对母线电流进行检测，判断水泵控制器的相间是否发生短路故障，如果电流过大，水泵控制器会关断输出，保证控制器的元器件及电机不被损坏。

2.7 过温保护

过温保护是电动水泵在启动或运行过程中，由于环境温度较高及自身功耗过大导致控制器温度过高而触发的电路保护。

电动水泵的电机部分运行时，因为电流本身存在热效应，电机本身发热产生温升;其他的如过流、过压、堵转等故障模式出现的电流增大也会造成电机发热严重。加之水泵工作环境相对恶劣，会在环境温度高的情況下持续工作。当长时间在过温情况下运行，电机绝缘会出现老化，产生烧毁的风险。电动水泵控制器的元器件也需要工作在正常的温度范围，当温度过高时，器件会加速老化，导致水泵的寿命减少。因此过温保护是十分必要的。

过温保护策略的原理是通过对控制器的温度进行检测，判断水泵控制器的温度是否超过设定阈值，如果超过，水泵控制器会降低输出功率或者关断输出，使电机降速工作或者停止工作，保证控制器的元器件及电机不被损坏。

2.8 心跳

心跳，也指正常运行信号，是电动水泵在正常运行过程中反馈的信号。在满足下列条件的情况下，水泵会发送心跳信号：

● 没有故障事件被检测到或水泵目标转速被设置为0;

● 没有通信故障发生;

● 没有导致水泵关机的内部故障发生;

● 水泵供电电压在正常工作电压范围内。

如果周期性地收到心跳信号，整车控制器就可以判定水泵工作正常。

3 小结

电动水泵作为整车用电器中核心部件的一种，对冷却系统发挥着关键的作用。作为设计研发者，必须充分意识到控制器策略的重要性，在实际应用过程中，应根据整车的需求及产品自身的特性，合理设计控制方案，完善保护策略。电动水泵的保护策略不仅是对水泵自身的保护，提高水泵的可靠性及使用寿命，更是对整车电气系统及其它用电器的保护。同时，电动水泵可以将自身的工作状态通过通信接口反馈给整车控制器，以便整车控制器及时做出正确判断和有效响应，保证整车的运行安全。

参考文献：

[1]李娟，姚胜华，李险锋，沈凯.新能源汽车电控水泵保护策略研究 [J].湖北汽车工业学院学报，2017（03）：1-5+8.