一种电子水泵空转故障控制的研究与应用

卜江华 郑凡 邓湘 金永镇 冯满乐

摘  要：解决的电子水泵空转误报警问题，当水泵转速超过一定数值3600rpm时，对应占空比69%，水泵自我保护进行空转自检，这时如果系统内出现一串连续气泡通过水泵时，检测到水泵的电流不足会误报空转。通过实际测试水路系统中允许最低含水量下对应的电流值，以该电流值作为判断空转的条件之一，有效的解决了系统中由不稳定气泡产生的空转误报。

关键词：电子水泵；空转报警；电流；含水量

中图分类号：U463       文献标志码：A       文章编号：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

隨着新能源汽车的快速发展，PHEV车型也呈现井喷式爆发，越来越多的客户也选择PHEV车型。热管理系统发挥着越来越重要的角色，而电子水泵是PHEV/EV车型热管理系统重要部件，在发动机、电驱、电池及中冷循环回路中均有采用。如果水泵出现堵转，空转，停转等故障，将使车辆出现过温报警甚至抛锚的风险。本文以某PHEV车型为例，研究一种电子水泵空转故障检测及控制方法，解决水泵在整车上出现频繁空转报警的问题，保证整车正常工作性能。

1    水泵空转问题

1.1   水泵空转原理

中冷水泵是汽车冷却系统的重要组成部件，主要作用是负责驱动发动机中冷冷却循环，吸收发动机等部件多余的热量并通过散热装置传递到外部空气中，保证发动机涡轮增压器及发动机进气温度在正常范围内。如图1所示，在中冷冷却循环中，当中冷水泵报空转故障，并判断故障停转后无法冷却降低涡轮增压器及发动机进气温度，将会使发动机工作异常报警甚至停机。

电子水泵工作原理如图2：ECU（电子控制单元）根据水温等反馈信号，通过PWM（脉冲宽度调制）调节占空比的大小，并把信号传到电子水泵内部的控制器，控制器根据占空比大小控制电机转动，从而驱动叶轮转子旋转，进而实现冷却液循环[1-2]。

汽车电子水泵也是水泵电机类的一种，工作时水泵腔体内充满流体，电机转子浸没在流体内，绕着电机轴转动，流体的存在减缓了转子与轴的摩擦。水泵空转通常是由于当水泵进水水源断水、水泵进水口堵塞或系统内有空气等原因引起水泵内没有流体时，水泵在运转过程中不能正常泵送水流动。空转水泵不能形成有效的泵送压力，导致水泵内部形成负压。转子轴承与轴直接接触，在极短的时间内便会磨损失效，最终会损坏水泵，所以空转状态是电机运行过程中不被允许的。水泵空转的表现与正常状态相比，主要为电流的减小，总功率的减小。所以，传统的方法是通过监控电机运行电流，功率来判断电机是否处于空转状态。但是随着控制要求的提高，电机部分时间会要求工作在低电流，低功率区域，传统方式很难定义监控变量的大小，容易造成误判或者未成功诊断，造成电机过早停机或诊断失败，导致系统功能失效；水泵控制拓扑如图3[3-4]。

1.2   水泵空转策略定义

本文所研究的是解决的技术问题是一种汽车的电子水泵空转误报警问题，水泵误报警原因：当水泵转速超过一定数值3600rpm时，对应占空比69%，水泵自我保护进行空转自检，这时如果系统内出现一串连续气泡通过水泵时，检测到水泵的电流不足：＜0.35A，水泵叶轮将停止旋转，如果连续重启3次后仍然检测电流不正常，总计15s，定义为水泵空转，水泵通过PWM信号接口发送信号至ECU，存在水泵空转故障。如图4：

1.3   水泵空转故障

在整车路试过程中，发现水泵空转报警，根据上述1.2水泵空转策略定义15s内报故障后停止工作，导致系统温度上升，整车动力输出失效，整车停止运行。

本文研究一种新的解决办法，通过实际测试水路系统中允许最低含水量下对应的电流值，以该电流值作为判断空转的条件之一，有效的解决了系统中由不稳定气泡产生的空转误报；另外，检测到空转后通过一定的恢复策略将气体排除，大大的降低了空转故障上报的频率，即当水泵持续的检测到系统有严重的缺水（影响到散热）时会上报空转故障，水泵停转。大部分情况下，水泵持续工作，保证系统水源流动，保证系统正常工作。

2    水泵空转优化策略

本文研究的电子水泵误报警控制策略：1、空转自检电流值定义的方法，2、水泵空转自检误报识别方法，3、水泵在空转不停止工作，保证系统温度的策略。

1）水泵正常工作时，含水量与电流成正比关系，含水量越大，电流越大，空转自检占空比≥69%时，自定义空转电流值调整至0.3A，允许有一定量的气泡流经水泵，且提升了气泡的体积，降低了水泵空转误报警的概率，同时管路内部的含水量满足最低需求冷却能力，电流、占空比和含水量的关系图，见图示5：

不同空气含量水泵电流大小测试方法：1.在回流管中充满冷却液，水泵通电，确认水泵可以以额定功率正常运行，调节输入信号占空比，确认水泵在不同转速和功率下正常运行。2.倒出回流管中所有冷却液，使用电子秤称量冷却液重量。3.根据要测量的空气含量，称取一定量的冷却液，倒入回流管中，其余冷却液存放在其他容器中。例如回流管中冷却液总重量为1KG，测量5%空气含量的水泵电流数据，称取950g冷却液倒入回流管中。4.水泵通电运行，测量在不同输入占空比信号下的母线电流。5.重复上述2、3、4步骤，可测量出不同空气含量下的水泵电流数据。测试示意图如图6。

2）水泵空转自检识别过程优化：当水泵检测到空转时，先停机等待1s，之后再次启动，如果仍检测到空转，则停机等待5s后再次启动。水泵重启后，转速由5500rpm逐渐降低水泵转速到4200rpm，运行10s中，之后降低转速到2000RPM，运行10s，然后提升转速到4200RPM，运行10s，再次进行空转检测，之后以4200rpm与2000rpm交替運行，水泵空转自检识别过程图，见图示7：

高低速交替运行30min，如果在30min内（90个检测周期）检测到非空转，则进入调速运行模式。如30min连续检测都为空转，则判定水泵为空转，立即上报空转故障信息，并继续按此规律高低速运行检测空转。连续运行超过30min后，如果不为空转，则进入调速运行模式。如果检测仍为空转，则继续以高低速运行检测空转，一直持续下去，R0.2（原状态），R2（对策方案）。图8所示：

相比于问题方案，本文主要从两点上解决水泵误报警问题，第一是水泵电流下降，可排除一定含有汽包导致水泵空转误报警问题，第二是水泵空转判定后相比原方案水泵不会停止转动，继续以2000rpm-4200rpm继续运转，有利于水泵内连续气泡的排出，若因为此问题水泵空转误报警，30min的2000rpm-4200rpm循环工作，连续气泡肯定会被排出，当检测电流无异常，空转误报警将解除，解决了此类问题。如图9所示：

3）水泵空转时整车冷却系统能力维护：原策略当水泵检测到空转时，先停机等待1s，之后再次启动。之后水泵连续停，启动1S，导致空转过程中整车系统流量几乎为零，冷却系统零件温度快速上升，整车无法工作。新方案水泵2000转/分与4200转/分切换，水泵功能正常运转，在排空气的同时保证流量在一定范围，冷却系统零件冷却功能不损坏，保证系统正常工作。若水泵在30min后故障不恢复，将（在2000转/分与4200转/分）持续交替工作，保证系统内有一定流量运行，并上报空转故障。

4）一种新水泵空转时判断条件：原方案，当水泵在3600转/分，电流低于某设计值，认为水泵空转。新方案新的判断方法：1、当2000转/分到运转时，根据图示1的电流60%的水分电流判断，若不满足条件，切换到4200转/分的电流60%的水分电流，再进行一次判断，若电流高于一定值，则认为水泵不是空转，维持正常指令运行。只有两个条件满足时，则认为水泵空转。

水泵空转控制策略优化后，发动机进气温度由报故障前的116℃，降低到45℃以下，保证了发动机及整车正常安全运行，如图10：

采取该策略后进行实车测试验证（已验证3万公里），无中冷水泵空转故障发生（及漏判），发动机及水泵工作正常，满足设计目标要求。

3    结论

通过本文研究可以得到以下结论：

（1）本文提出的一种汽车电子水泵空转误报警的控制方法，在保证冷却系统冷却能力前提下，精确水泵空转电流检测，可排除一定含有气泡气流导致的误报警。

（2）本文提出的一种汽车电子水泵空转误报警的控制方法，优化了空转误报警定义的周期和水泵电机的转速，更加有利于连续气泡的排出。

（3）本文提出一种新的水泵空转控制方法，维持系统水流量，整车零件持续冷却，保证整车的正常行驶，降低事故发生率。

参考文献：

[1]沈伟，洪林，张骏，王宁。基于BLDCM和FOC算法的汽车电子水泵[J].现代制造工程，2020年第9期2020，（9）：108-116.

[2]韩军良，冯长虹，周相青。基于无传感器FOC控制的电子水泵研究与实现[J].山东工业技术，2017，（20）：126-127.

[3]武泽仕.基于FOC算法的汽车电子水泵控制器设计与实现[D].天津：天津工业大学，2019.

[4]马西沛，何郑，张琳，祝宸.基于国产MCU电子水泵控制器的设计[J].现代电子技术，2017，44（4）：18-22.

[5]刘浩，谢源，何志明.一种改进式FOC永磁同步电机控制策略[J].新型工业化，2018，8（7）.