汽車電子水泵常轉(zhuǎn)問題分析與解決方案

王曉麗 侯麗 孫蕭

【摘? 要】汽車用主電子水泵集無位置傳感器的永磁無刷直流電機(jī)為一體的水泵，永磁無刷電機(jī)主要由電機(jī)本體以及逆變器和控制器組成的電子換相電路組成。本文主要探討汽車電子水泵常轉(zhuǎn)問題與解決方案，希望為相關(guān)問題的解決提供參考。

【關(guān)鍵詞】電子水泵；控制器；主芯片

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0064-02

【Abstract】The main electronic water pump for automobile is a permanent magnet BLDC motor without position sensor as a whole. The permanent magnet BLDC motor mainly consists of the motor body and electronic commutation circuit composed of inverter and controller. This paper mainly discusses the problems and solutions of automotive electronic water pump，hoping to provide reference for solving related problems.

【Key words】electronic water pump；controller；main chip

水泵控制器主要通過印刷于電路板上的主芯片控制來依次觸發(fā)6個(gè)功率元器件兩兩導(dǎo)通，在繞組中建立旋轉(zhuǎn)的磁場，并使該磁場與轉(zhuǎn)子永磁體的磁場成一定角度，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)水泵的功能，而主芯片作為控制器的大腦，主導(dǎo)著水泵作為一個(gè)智能元器件的運(yùn)行及反饋等。

1? 引言

隨著國家排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格及新能源的快速發(fā)展，汽車領(lǐng)域智能化控制水泵和油泵的應(yīng)用越來越廣泛，已達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能減排；智能化程度越高越廣，對(duì)智能化的核心部件控制器芯片的需求就越高越多，而受全球經(jīng)濟(jì)形勢及資源緊缺的影響，車規(guī)級(jí)通用可刷寫芯片更是成為了當(dāng)仁不讓的緊俏之首。本文通過對(duì)實(shí)際應(yīng)用過程中控制器芯片的失效案例進(jìn)行分析，提出解決方案。

智能化控制水泵即電子水泵，其控制器主芯片多為16位或者更高位數(shù)的單片機(jī)，以高效實(shí)現(xiàn)其無刷直流電機(jī)控制的FOC算法。芯片的失效故然有本身品質(zhì)問題導(dǎo)致的，也有其生產(chǎn)過程中管控不合理導(dǎo)致的，更多的原因是由于在電路設(shè)計(jì)過程中，其不合理的匹配設(shè)計(jì)造成的。下文就控制器的失效實(shí)例進(jìn)行分析并提出解決方案。

2? 問題描述與分析

某電子水泵在車輛熄火且ECM休眠后出現(xiàn)異常高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在車輛上電或啟動(dòng)恢復(fù)正常通信后故障消失，且水泵恢復(fù)正常通信狀態(tài)，當(dāng)再次熄火休眠后仍異常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)車輛蓄電池為虧電狀態(tài)。故障原理如圖1所示。

原因分析：通過水泵異常轉(zhuǎn)速檢測確定水泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，同時(shí)ECM為休眠狀態(tài)，LIN通信無轉(zhuǎn)速需求信號(hào)發(fā)出，故障可能為PWM通信發(fā)生異常導(dǎo)致水泵緊急運(yùn)行。首先進(jìn)行PWM回路檢查，根據(jù)PWM回路原理圖進(jìn)行分析，確定排查方向，總結(jié)出圖2所示的失效故障樹。

電子水泵正極針腳接常電KL30，電源端12V電壓通過芯片集成的電源轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為芯片所用的5V電壓后，通過芯片引腳VDDEXT輸出，而此水泵PWM回路在判斷蓄電池高低時(shí)調(diào)用了此引腳，通過VDDEXT引腳輸入電壓高低，并在取反后輸入PWM IN端，從而實(shí)現(xiàn)PWM正常通信。PWM回路工作原理如圖3所示。

芯片VDDEXT引腳為芯片5V電壓轉(zhuǎn)換引腳，為保護(hù)芯片，此引腳設(shè)定了3種自保護(hù)策略，詳見圖4，觸發(fā)引腳自保護(hù)策略閾值后，芯片自動(dòng)關(guān)斷進(jìn)行芯片的自我保護(hù)，PWM端因此誤讀其為高電平狀態(tài)，因此啟動(dòng)緊急運(yùn)行模式運(yùn)轉(zhuǎn)。

3? 故障復(fù)現(xiàn)

鎖定故障機(jī)理后，通過故障模擬器對(duì)電子水泵進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在水泵端輸入電壓Vs降低到一定數(shù)值后，且芯片VDDEXT引腳端電壓降低到2.8V以下，觸發(fā)芯片自保護(hù)功能而關(guān)斷該引腳以保護(hù)芯片自身，此時(shí)VDDEXT實(shí)際上處于低電平狀態(tài)，PWM通過電路取反原理誤判為高電平且此時(shí)LIN通信處于無輸出狀態(tài)，因此輸出高電平指令，從而水泵進(jìn)行緊急運(yùn)行。該故障模式只有在芯片重新復(fù)位后才能恢復(fù)正常，芯片復(fù)位的兩個(gè)條件只有同時(shí)滿足后才會(huì)執(zhí)行復(fù)位操作，即Vs電壓在＜3V瞬間，且VDDEXT達(dá)到0V。

在整車實(shí)車上同時(shí)按蓄電池虧電或線束虛接兩種工況進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)模擬，均能觸發(fā)芯片此種故障模式，且VDDEXT電壓不歸零情況下，此種故障模式永遠(yuǎn)存在，見圖5。

因此，最終確定整車蓄電池在虧電或虛接兩種工況條件下，整車在啟動(dòng)瞬間拉低輸入電壓3V以下且未達(dá)到芯片VDDEXT引腳自動(dòng)復(fù)位條件下就觸發(fā)了芯片VDDEXT引腳自保護(hù)功能，水泵誤判，從而導(dǎo)致PWM執(zhí)行了錯(cuò)誤操作進(jìn)行緊急運(yùn)行。

4? 措施實(shí)施

總結(jié)以上調(diào)查結(jié)果，通過綜合分析，制定以下兩種整改方案。

1）硬件優(yōu)化：增加外部電壓轉(zhuǎn)換電路來代替芯片自帶轉(zhuǎn)換電路，屏蔽掉VDDEXT自保護(hù)功能，如圖6所示。

2）軟件優(yōu)化：硬件電路不做調(diào)整，在軟件上調(diào)用芯片上其他引腳替代VDDEXT對(duì)PWM高低蓄電池判斷功能，屏蔽掉其自保護(hù)功能，如圖7所示。

兩種方案從技術(shù)角度驗(yàn)證均可解決此故障，但硬件優(yōu)化方案需要將電路板上硬件電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，周期較長且設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致EMC等問題，經(jīng)可實(shí)施性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估后，確定最終優(yōu)化方案為軟件更新，此方案不需要將整個(gè)電路板硬件上做較大的調(diào)整，同時(shí)避免了芯片的自保護(hù)。

措施實(shí)施后，各個(gè)車型實(shí)車在虧電及虛接工況下進(jìn)行清零重設(shè)的多次驗(yàn)證，措施驗(yàn)證有效。

5? 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

電控芯片由于其核心的制造工藝及控制邏輯，很少為外界所熟知，因此不同芯片廠家在確定芯片型號(hào)過程中會(huì)提供相應(yīng)的技術(shù)支持，控制器供應(yīng)商會(huì)根據(jù)其推薦的方案進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，然而由于終端客戶用車的不確定性，因此在芯片運(yùn)用過程中會(huì)出現(xiàn)很多超出常規(guī)的意外情況，因此后期在電控芯片選用時(shí)，需詳細(xì)了解各芯片供應(yīng)商提供的產(chǎn)品規(guī)格書及推薦技術(shù)方案與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的匹配性，以防因應(yīng)用不當(dāng)導(dǎo)致的故障問題。

（編輯? 凌? 波）