48V電池包冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障分析與解決方案

夏鳴春，周 慧，柴玉超

（吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 315315）

冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定，是影響48V電池包壽命長短的關(guān)鍵因素之一。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)48V電池包冷卻風(fēng)扇在運行過程中出現(xiàn)“聲音忽大忽小”現(xiàn)象。通過診斷儀器對冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速讀取，得知冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速存在波動，冷卻風(fēng)扇PWM信號存在波動原因為48V電池包和風(fēng)機的接口電路不匹配導(dǎo)致。為了解決該故障，通過接口電路匹配計算與選擇［1－2］，徹底解決風(fēng)機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障。

1 冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障的分析

為了摸清故障現(xiàn)象，結(jié)合圖1 BMSL與冷卻風(fēng)扇電器架構(gòu)圖，使用示波器對冷卻風(fēng)扇PIN3進行采集，發(fā)現(xiàn)BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號存在0.6ms上升沿，如圖2所示。正確的PWM信號不應(yīng)該存在0.6ms上升沿，需要分別從BMSL控制冷卻風(fēng)扇策略和BMSL與冷卻風(fēng)扇的匹配接口電路上進行分析。

1.1 BMSL控制冷卻風(fēng)扇策略分析

冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速取決于BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號值，如表1所示，可以看出PWM信號值與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。

表1 PWM信號值與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)BMSL控制冷卻風(fēng)扇策略，當(dāng)48V電池電芯溫度＜30℃時候，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號值為0%；當(dāng)48V電池電芯溫度為≥30℃時候，分為［30，40）、［40，50）和≥50三個級別；在48V電池電芯溫度為［30，40）和［40，50）時候，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號值與48V電池電芯溫度和48V電池包進風(fēng)溫度差值成反比；在48V電池電芯溫度≥50℃時候，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號值一直為65%。

從表2可以看出，PWM信號值是由48V電池電芯溫度，48V電池電芯溫度與48V電池包進風(fēng)溫度差值2個因素所決定。經(jīng)過現(xiàn)場分析，冷卻風(fēng)扇性能參數(shù)滿足上述控制策略，而BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號中0.6ms上升沿，為BMSL與冷卻風(fēng)扇的接口電路存在匹配性問題。

1.2 BMSL與冷卻風(fēng)扇的接口電路匹配性分析

BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM接口電路，如圖3所示。

圖1 BMSL與冷卻風(fēng)扇電器架構(gòu)圖

表2 BMSL控制冷卻風(fēng)扇PWM信號值

圖2 BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號

從BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號接口電路可以看出，BMSL為了提高其ESD和EMC性能，將第7 PIN（GPIO_PWM_OD）設(shè)計了2個0.1uF電容串聯(lián)。

冷卻風(fēng)扇先通過調(diào)速信號轉(zhuǎn)換電路把BMSL輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的信號，然后冷卻風(fēng)扇內(nèi)部單片機采集該信號作一定的平滑濾波處理，輸出相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)信號給后級電機驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路輸出不同功率給電機，從而調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，冷卻風(fēng)扇工作電路框圖如圖4所示。

在BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號接口電路和冷卻風(fēng)扇接口電路中可以看出，BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號接口電路存在2個0.1uF電容串聯(lián)，即總電容值為50nF，而冷卻風(fēng)扇接口電路存在1個2.4k電阻和1個1nF電容。

根據(jù)電容伏安關(guān)系，其中uc為電容端電壓，ub為蓄電池電壓。

根據(jù)公式 （3），當(dāng)電容充電基本結(jié)束時候，如當(dāng)t=5RC時，則uc=0.994ub。通過計算，因R為2.4×103Ω，C為51nF，則t=5RC=0.612ms，其與示波器測試值0.6ms上升沿一致。

由于BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號中存在0.6ms上升沿，通過圖5可以看出，三極管Q3存在臨界導(dǎo)通區(qū)域，從而導(dǎo)致三極管Q3頻繁導(dǎo)通 （高電平）和截止 （低電平），最終將錯誤的調(diào)速信號輸出給后級的單片機，如圖6所示。單片機接收到錯誤指令后，對冷卻風(fēng)扇進行錯誤的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖3 BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號接口電路

圖4 冷卻風(fēng)扇工作電路框圖

圖5 冷卻風(fēng)扇接口電路 （PWM信號轉(zhuǎn)換電路）

圖6 PWM信號轉(zhuǎn)換電路輸出給單片機信號

通過上述分析，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的根本原因是BMSL有2個0.1uF電容串聯(lián)，而冷卻風(fēng)扇接口電路存在1個2.4k電阻和1個1nF電容，兩者之間的接口電路匹配性設(shè)計不良導(dǎo)致。

2 冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障的解決方案

為了解決冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障，需要將冷卻風(fēng)扇接口電路中R5由1kΩ改為30kΩ，同時新增一個2.2uF電容C1，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的冷卻風(fēng)扇接口電路 （PWM信號轉(zhuǎn)換電路）

圖7 中TL431是可控穩(wěn)壓源，其基準(zhǔn)電壓為2.5V。通過電阻R2和R3進行電壓可調(diào)，則輸出電壓為3V，即2.5×（1+R2／R3），而其時間常數(shù)t={［R4／（R2+R3）］+R5}×C1=73.4ms。

從圖8可以看出，單片機MCU接受PWM信號為周期為10ms且電壓峰峰值為60mV。通過單片機內(nèi)部電路將輸出相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)信號給后級電機驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路輸出不同功率給電機，從而調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

從圖9可以看出，通過優(yōu)化冷卻風(fēng)扇接口電路解決了BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號上升沿問題，最終徹底解決冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障。

3 結(jié)束語

本文通過測試發(fā)現(xiàn)48V電池包冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)故障的根本原因為BMSL和冷卻風(fēng)扇的接口電路設(shè)計不匹配導(dǎo)致，并對兩者的接口電路進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的接口電路經(jīng)過耐久路試實車驗證沒有再現(xiàn)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的故障，從而徹底解決了冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定故障。

圖8 優(yōu)化后的單片機MCU I／O波形

圖9 優(yōu)化后BMSL輸出給冷卻風(fēng)扇的PWM信號