新能源车载冷却水泵系统设计与实现

陈晓纪 路燕 海滨 赛影辉 王磊

摘要：近年来，新能源汽车工业在续航能力、电池技术、维护管理等方面取得了长足的进步。消费者对新能源汽车的关注度与认可度逐年提高。车载冷却系统是新能源汽车整车管理的重要组成部分。其功能是根据整车控制器的指令，驱动冷却液循环，降低整车关键部位的温度，保障整车系统的正常运行。本文基于PWM原理，设计了一款新能源车载冷却系统。该系统利用PWM信号与放大电路，驱动冷却水泵运行;并且采集反馈信号，监测其运行状态。本系统的设计思路对新能源车载冷却系统的设计开发具有一定的借鉴意义。

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.

关键词：新能源汽车;冷却系统;整车控制器;PWM信号

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

中图分类号：TM303                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0020-02

0  引言

随着环境污染与能源消耗的进一步加剧，新能源汽车逐步进入人们的视野。新能源汽车具有污染小、环保性好、噪音小、舒适度高等显著的特点。以锂电池、氢燃料为代表的新能源汽车将是解决汽车工业化可持续发展的重要且行之有效的途径。在新能源整车管理系统中，冷却系统起着非常重要的作用。冷却系统用于降低电机控制器、电机、DCDC、电池等关键设备附近的温度，保障车载设备的顺畅运行。传统新能源车载冷却系统中，每个模块可能采用独立的冷却系统[1-2]。即使冷却系统对电机控制器、电机、DCDC、电池等关键设备进行综合管理[3-5]，也很难对冷却系统的运行状态进行有效监控。与传统的冷却系统相比，本设计在车载关键设备附近配置了温度传感器，实时监测温度值。冷却管道依次经过这些关键设备，形成闭环冷却系统。每个关键设备通过CAN报文与新能源整车控制器（VCU）通信。VCU根据温度采集数据，以PWM方式驱动冷却水泵运行。同时，为了确保冷却水泵安全运行，实时采集冷却水泵反馈的PWM信号，监测冷却水泵的运行状况。

1  车载冷却水泵系统工作原理

本设计的新能源车载冷却水泵系统，其原理图如图1所示。首先，车载关键设备，如电机、DCDC、空调等通过CAN总线与整车控制器（VCU）连接。以CAN报文的方式进行通信，实时监控温度数据。VCU为接收CAN报文设置缓冲区，每个缓冲区接收某一类报文ID，实现CAN缓冲区过滤的功能。其次，VCU根据温度，查表获得对应的PWM占空比数值，发送PWM信号，经过电阻与三极管放大电路，驱动冷却水泵运行。最后，VCU捕获冷却水泵反馈的PWM信号，完成冷却系统的闭环运行过程。

2  车载冷却水泵系统的设计与实现

2.1 系统硬件设计

本文设计的新能源车载冷却水泵系统由整车控制器（VCU）、CAN发送与接收模块、冷却水泵驱动与显示模块等构成。VCU采用恩智浦（NXP）公司的MPC5644A，主要用于收发CAN报文、PWM发送驱动信号及反馈采集、冷却水泵运行状况监测显示等。冷卻水泵采用60W无刷直流电动水泵。当电源电压采样值高于16V时，水泵停止工作。当电源电压采样值低于8V时，水泵停止工作。冷却水泵包括电源正极、电源负极、故障信号输出与PWM调速。外围设备，如电池、电机、DCDC等关键设备，通过CAN总线与VCU通信，实时采集并发送温度数据。

2.2 系统软件设计

系统软件基于模块化设计原则，主要包括：PWM初始化与发送程序、CAN报文过滤与解析程序、PWM返回信号采集与解析程序、冷却水泵显示程序、中断服务程序等。首先，系统初始化时钟，基于外部8M晶振倍频为64M，配置时钟中断定时器为1ms。VCU初始化CAN接收缓冲区，为每个缓冲区配置FIFO队列与掩码，保证指定缓冲区只能接收某些类型ID的CAN报文数据。然后，VCU解析CAN报文，获取关键设备附近的温度数据，通过max函数得到温度的最大值，通过查表获得PWM占空比。基于硬线发送PWM信号，驱动冷却水泵运行。最后，VCU实时采集冷却水泵反馈的PWM信号，监测当前冷却水泵的运行状态，保障行车安全。

在本文中，设计了两种采集PWM反馈信号模式。

2.2.1 IPW与IPWM采集模式

恩智浦NXP生产的MPC5644A芯片，属于车规级VCU专用芯片，具有低功耗、性能稳定等特点。IPWM用于测量输入脉冲宽度。如图2所示，A点与B点的差值，是高電平持续的时间。IPM用于测量脉冲周期宽度。如图3所示，A点与B点的差值，是一个脉冲周期持续的时间。PWM占空比=高电平持续时间/一个脉冲持续时间，就可以计算出反馈PWM信号的占空比。

2.2.2 定时器中断采集模式

PWM驱动信号与反馈信号的频率已知为50HZ。一个PWM脉冲的周期为20000微秒。因此，本文设置一个单独的定时器，中断周期为40微秒，即一个完整的PWM买中周期可以采样500次。如图4所示，本文对采样周期中高低电平分别计数，每次采集到500次为止。PWM占空比=高电平计数/（高电平计数+低电平计数）。

2.3 系统的硬件实现

根据系统硬件结构框图搭建硬件模型，按系统程序流程图编写控制程序，对系统功能进行测试。VCU与车载冷却水泵，采用硬线连接方式。VCU发送PWM信号驱动水泵运行，同时采集冷却水泵反馈的PWM信号。

3  测量结果分析

本文搭建的硬件系统，在奇瑞T15 EV电动车上进行测试。图5为冷却水泵监测运行结果。冷却水泵运行后，VCU采集PWM反馈信号，实时监测水泵运行状态。如果水泵运行状态异常，显示模块报警，VCU采取合适的策略，保障行车安全。

4  结束语

新能源车载冷却系统具有成本低、安全可靠、适应性强等优点。本文利用恩智浦MPC5644A芯片、电阻、三极管等组成驱动电路，驱动冷却水泵运行。同时，采集冷却水泵反馈的PWM信号，监测其运行状态。经多次实车测试，冷却水泵系统运行平稳。PWM反馈信号，采集的占空比误差在3%以内，能够满足新能源整车冷却系统的使用要求。

参考文献：

[1]赵博，张红伟，陈留杰.新能源汽车电池冷却系统研究[C].第八届中国制冷空调行业信息大会论文集，2016：94-96.

[2]赵冲，王有镗，郑斌.新能源汽车动力电池冷却技术分析[J]. 内燃机与配件，2020（1）：192-193.

[3]曹海平.电动水泵在新能源汽车上的应用[J].汽车与配件， 2013（23）：20-21.

[4]王静.新能源汽车冷却系统方案研究[J].湖北农机化，2020， 242（5）：157.

[5]张春秋，罗玉林.电动汽车电池冷却系统对空调系统性能的影响[J].制冷与空调，2020，20（2）：49-52.