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吉利 | 48V电池包冷却风扇转速不稳故障分析与解决方案

2020-04-25 16:41:47·  来源：电动学堂  
　
作者单位：吉利汽车研究院有限公司DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2020.03.024冷却风扇转速是否稳定，是影响48V电池包寿命长短的关键因素之一。我们发现当48V电池包冷
作者单位：吉利汽车研究院有限公司
DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2020.03.024
冷却风扇转速是否稳定，是影响48V电池包寿命长短的关键因素之一。我们发现当48V电池包冷却风扇在运行过程中出现“声音忽大忽小”现象。通过诊断仪器对冷却风扇转速读取，得知冷却风扇转速存在波动，冷却风扇PWM信号存在波动原因为48V电池包和风机的接口电路不匹配导致。为了解决该故障，通过接口电路匹配计算与选择，彻底解决风机转速不稳故障。
1冷却风扇转速不稳定故障的分析
 
为了摸清故障现象，结合图1BMSL与冷却风扇电器架构图，使用示波器对冷却风扇PIN3进行采集，发现BMSL输出给冷却风扇的PWM信号存在0.6ms上升沿，如图2所示。正确的PWM信号不应该存在0.6ms上升沿，需要分别从BMSL控制冷却风扇策略和BMSL与冷却风扇的匹配接口电路上进行分析。
 
1.1BMSL控制冷却风扇策略分析
冷却风扇转速取决于BMSL输出给冷却风扇的PWM信号值，如表1所示，可以看出PWM信号值与冷却风扇转速成正比关系。
 
根据BMSL控制冷却风扇策略，当48V电池电芯温度<30℃时候，BMSL输出给冷却风扇的PWM信号值为0%；当48V电池电芯温度为≥30℃时候，分为［30，40）、［40，50）和≥50三个级别；在48V电池电芯温度为［30，40）和［40，50）时候，BMSL输出给冷却风扇的PWM信号值与48V电池电芯温度和48V电池包进风温度差值成反比；在48V电池电芯温度≥50℃时候，BMSL输出给冷却风扇的PWM信号值一直为65%。
 
从表2可以看出，PWM信号值是由48V电池电芯温度，48V电池电芯温度与48V电池包进风温度差值2个因素所决定。经过现场分析，冷却风扇性能参数满足上述控制策略，而BMSL输出给冷却风扇的PWM信号中0.6ms上升沿，为BMSL与冷却风扇的接口电路存在匹配性问题。
1.2 BMSL与冷却风扇的接口电路匹配性分析
BMSL输出给冷却风扇的PWM接口电路，如图3所示。
从BMSL输出给冷却风扇的PWM信号接口电路可以看出，BMSL为了提高其ESD和EMC性能，将第7PIN（GPIO_PWM_OD）设计了2个0.1uF电容串联。
冷却风扇先通过调速信号转换电路把BMSL输出的PWM信号转换成单片机可识别的信号，然后冷却风扇内部单片机采集该信号作一定的平滑滤波处理，输出相应的功率调节信号给后级电机驱动电路，电机驱动电路输出不同功率给电机，从而调节冷却风扇对应的转速，冷却风扇工作电路框图如图4所示。
 
在BMSL输出给冷却风扇的PWM信号接口电路和冷却风扇接口电路中可以看出，BMSL输出给冷却风扇的PWM信号接口电路存在2个0.1uF电容串联，即总电容值为50nF，而冷却风扇接口电路存在1个2.4k电阻和1个1nF电容。
根据电容伏安关系，其中uc为电容端电压，ub为蓄电池电压。
 
根据公式（3），当电容充电基本结束时候，如当t=5RC时，则uc=0.994ub。通过计算，因R为2.4×103Ω，C为51nF，则t=5RC=0.612ms，其与示波器测试值0.6ms上升沿一致。
 
由于BMSL输出给冷却风扇的PWM信号中存在0.6ms上升沿，通过图5可以看出，三极管Q3存在临界导通区域，从而导致三极管Q3频繁导通（高电平）和截止（低电平），最终将错误的调速信号输出给后级的单片机，如图6所示。单片机接收到错误指令后，对冷却风扇进行错误的转速调节。
 
通过上述分析，冷却风扇转速不稳定的根本原因是BM－SL有2个0.1uF电容串联，而冷却风扇接口电路存在1个2.4k电阻和1个1nF电容，两者之间的接口电路匹配性设计不良导致。
2冷却风扇转速不稳定故障的解决方案
为了解决冷却风扇转速不稳定故障，需要将冷却风扇接口电路中R5由1kΩ改为30kΩ，同时新增一个2.2uF电容C1，如图7所示。
 
图7中TL431是可控稳压源，其基准电压为2.5V。通过电阻R2和R3进行电压可调，则输出电压为3V，即2.5×（1+R2／R3），而其时间常数t={［R4／（R2+R3）］+R5}×C1=73.4ms。
 
从图8可以看出，单片机MCU接受PWM信号为周期为10ms且电压峰峰值为60mV。通过单片机内部电路将输出相应的功率调节信号给后级电机驱动电路，电机驱动电路输出不同功率给电机，从而调节冷却风扇对应的转速。
 
从图9可以看出，通过优化冷却风扇接口电路解决了BMSL输出给冷却风扇的PWM信号上升沿问题，最终彻底解决冷却风扇转速不稳故障。
 
3结束语
本文通过测试发现48V电池包冷却风扇转速不稳故障的根本原因为BMSL和冷却风扇的接口电路设计不匹配导致，并对两者的接口电路进行了优化，优化后的接口电路经过耐久路试实车验证没有再现冷却风扇转速不稳定的故障，从而彻底解决了冷却风扇转速不稳定故障。
 
 
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