新能源車載冷卻水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉紀(jì) 路燕 海濱 賽影輝 王磊

摘要：近年來，新能源汽車工業(yè)在續(xù)航能力、電池技術(shù)、維護(hù)管理等方面取得了長足的進(jìn)步。消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的關(guān)注度與認(rèn)可度逐年提高。車載冷卻系統(tǒng)是新能源汽車整車管理的重要組成部分。其功能是根據(jù)整車控制器的指令，驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)，降低整車關(guān)鍵部位的溫度，保障整車系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文基于PWM原理，設(shè)計(jì)了一款新能源車載冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PWM信號(hào)與放大電路，驅(qū)動(dòng)冷卻水泵運(yùn)行;并且采集反饋信號(hào)，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路對(duì)新能源車載冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)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(guān)鍵詞：新能源汽車;冷卻系統(tǒng);整車控制器;PWM信號(hào)

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

中圖分類號(hào)：TM303? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0020-02

0? 引言

隨著環(huán)境污染與能源消耗的進(jìn)一步加劇，新能源汽車逐步進(jìn)入人們的視野。新能源汽車具有污染小、環(huán)保性好、噪音小、舒適度高等顯著的特點(diǎn)。以鋰電池、氫燃料為代表的新能源汽車將是解決汽車工業(yè)化可持續(xù)發(fā)展的重要且行之有效的途徑。在新能源整車管理系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)起著非常重要的作用。冷卻系統(tǒng)用于降低電機(jī)控制器、電機(jī)、DCDC、電池等關(guān)鍵設(shè)備附近的溫度，保障車載設(shè)備的順暢運(yùn)行。傳統(tǒng)新能源車載冷卻系統(tǒng)中，每個(gè)模塊可能采用獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)[1-2]。即使冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)控制器、電機(jī)、DCDC、電池等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行綜合管理[3-5]，也很難對(duì)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控。與傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)相比，本設(shè)計(jì)在車載關(guān)鍵設(shè)備附近配置了溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度值。冷卻管道依次經(jīng)過這些關(guān)鍵設(shè)備，形成閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。每個(gè)關(guān)鍵設(shè)備通過CAN報(bào)文與新能源整車控制器（VCU）通信。VCU根據(jù)溫度采集數(shù)據(jù)，以PWM方式驅(qū)動(dòng)冷卻水泵運(yùn)行。同時(shí)，為了確保冷卻水泵安全運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集冷卻水泵反饋的PWM信號(hào)，監(jiān)測(cè)冷卻水泵的運(yùn)行狀況。

1? 車載冷卻水泵系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)的新能源車載冷卻水泵系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。首先，車載關(guān)鍵設(shè)備，如電機(jī)、DCDC、空調(diào)等通過CAN總線與整車控制器（VCU）連接。以CAN報(bào)文的方式進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)。VCU為接收CAN報(bào)文設(shè)置緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)接收某一類報(bào)文ID，實(shí)現(xiàn)CAN緩沖區(qū)過濾的功能。其次，VCU根據(jù)溫度，查表獲得對(duì)應(yīng)的PWM占空比數(shù)值，發(fā)送PWM信號(hào)，經(jīng)過電阻與三極管放大電路，驅(qū)動(dòng)冷卻水泵運(yùn)行。最后，VCU捕獲冷卻水泵反饋的PWM信號(hào)，完成冷卻系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)行過程。

2? 車載冷卻水泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新能源車載冷卻水泵系統(tǒng)由整車控制器（VCU）、CAN發(fā)送與接收模塊、冷卻水泵驅(qū)動(dòng)與顯示模塊等構(gòu)成。VCU采用恩智浦（NXP）公司的MPC5644A，主要用于收發(fā)CAN報(bào)文、PWM發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)及反饋采集、冷卻水泵運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)顯示等。冷卻水泵采用60W無刷直流電動(dòng)水泵。當(dāng)電源電壓采樣值高于16V時(shí)，水泵停止工作。當(dāng)電源電壓采樣值低于8V時(shí)，水泵停止工作。冷卻水泵包括電源正極、電源負(fù)極、故障信號(hào)輸出與PWM調(diào)速。外圍設(shè)備，如電池、電機(jī)、DCDC等關(guān)鍵設(shè)備，通過CAN總線與VCU通信，實(shí)時(shí)采集并發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于模塊化設(shè)計(jì)原則，主要包括：PWM初始化與發(fā)送程序、CAN報(bào)文過濾與解析程序、PWM返回信號(hào)采集與解析程序、冷卻水泵顯示程序、中斷服務(wù)程序等。首先，系統(tǒng)初始化時(shí)鐘，基于外部8M晶振倍頻為64M，配置時(shí)鐘中斷定時(shí)器為1ms。VCU初始化CAN接收緩沖區(qū)，為每個(gè)緩沖區(qū)配置FIFO隊(duì)列與掩碼，保證指定緩沖區(qū)只能接收某些類型ID的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)。然后，VCU解析CAN報(bào)文，獲取關(guān)鍵設(shè)備附近的溫度數(shù)據(jù)，通過max函數(shù)得到溫度的最大值，通過查表獲得PWM占空比?；谟簿€發(fā)送PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)冷卻水泵運(yùn)行。最后，VCU實(shí)時(shí)采集冷卻水泵反饋的PWM信號(hào)，監(jiān)測(cè)當(dāng)前冷卻水泵的運(yùn)行狀態(tài)，保障行車安全。

在本文中，設(shè)計(jì)了兩種采集PWM反饋信號(hào)模式。

2.2.1 IPW與IPWM采集模式

恩智浦NXP生產(chǎn)的MPC5644A芯片，屬于車規(guī)級(jí)VCU專用芯片，具有低功耗、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。IPWM用于測(cè)量輸入脈沖寬度。如圖2所示，A點(diǎn)與B點(diǎn)的差值，是高電平持續(xù)的時(shí)間。IPM用于測(cè)量脈沖周期寬度。如圖3所示，A點(diǎn)與B點(diǎn)的差值，是一個(gè)脈沖周期持續(xù)的時(shí)間。PWM占空比=高電平持續(xù)時(shí)間/一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間，就可以計(jì)算出反饋PWM信號(hào)的占空比。

2.2.2 定時(shí)器中斷采集模式

PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋信號(hào)的頻率已知為50HZ。一個(gè)PWM脈沖的周期為20000微秒。因此，本文設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的定時(shí)器，中斷周期為40微秒，即一個(gè)完整的PWM買中周期可以采樣500次。如圖4所示，本文對(duì)采樣周期中高低電平分別計(jì)數(shù)，每次采集到500次為止。PWM占空比=高電平計(jì)數(shù)/（高電平計(jì)數(shù)+低電平計(jì)數(shù)）。

2.3 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖搭建硬件模型，按系統(tǒng)程序流程圖編寫控制程序，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試。VCU與車載冷卻水泵，采用硬線連接方式。VCU發(fā)送PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行，同時(shí)采集冷卻水泵反饋的PWM信號(hào)。

3? 測(cè)量結(jié)果分析

本文搭建的硬件系統(tǒng)，在奇瑞T15 EV電動(dòng)車上進(jìn)行測(cè)試。圖5為冷卻水泵監(jiān)測(cè)運(yùn)行結(jié)果。冷卻水泵運(yùn)行后，VCU采集PWM反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行狀態(tài)。如果水泵運(yùn)行狀態(tài)異常，顯示模塊報(bào)警，VCU采取合適的策略，保障行車安全。

4? 結(jié)束語

新能源車載冷卻系統(tǒng)具有成本低、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文利用恩智浦MPC5644A芯片、電阻、三極管等組成驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)冷卻水泵運(yùn)行。同時(shí)，采集冷卻水泵反饋的PWM信號(hào)，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)多次實(shí)車測(cè)試，冷卻水泵系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。PWM反饋信號(hào)，采集的占空比誤差在3%以內(nèi)，能夠滿足新能源整車?yán)鋮s系統(tǒng)的使用要求。

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