乘用車冷卻系統(tǒng)控制線路的設計

童圣驍，童國慶，孫澤昌，韓海強，韋興民，馮擎峰

（1.新南威爾士大學，澳大利亞 悉尼 2052；2.同濟大學，上海 201804；3.吉利汽車研究院，浙江 杭州 311228）

乘用車冷卻系統(tǒng)控制線路的設計

童圣驍1，童國慶2，3，孫澤昌2，韓海強3，韋興民3，馮擎峰3

（1.新南威爾士大學，澳大利亞 悉尼 2052；2.同濟大學，上海 201804；3.吉利汽車研究院，浙江 杭州 311228）

介紹發(fā)動機冷卻系統(tǒng)控制策略，描述調(diào)速電阻式冷卻系統(tǒng)控制線路及冷卻風扇串并聯(lián)調(diào)速式控制線路，講述兩種控制線路專用件設計事例，分析兩種控制線路的優(yōu)缺點。兩種控制線路樣件試裝驗證均達到技術(shù)要求，并在不同車型上批量應用。

冷卻系統(tǒng)；調(diào)速電阻式；串并聯(lián)調(diào)速式

發(fā)動機工作過程中，氣缸內(nèi)的溫度可高達1927～2527℃，為保證發(fā)動機的正常工作，必須對高溫條件下工作的機件進行及時的冷卻。冷卻系統(tǒng)的功用就是使工作中的發(fā)動機得到適度的冷卻，從而保證發(fā)動機工作在最適宜的環(huán)境溫度范圍下。冷卻系統(tǒng)控制線路是冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，冷卻系統(tǒng)控制線路的合理性對保證冷卻系統(tǒng)正常工作至關(guān)重要。

1 冷卻系統(tǒng)控制策略

為了保證發(fā)動機正常工作，需要通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)控制發(fā)動機的溫度在合理的范圍內(nèi)。在冷卻系統(tǒng)中，曲軸通過皮帶驅(qū)動離心式水泵，強制冷卻液在冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。由于冷卻系統(tǒng)風扇的強力抽吸，使空氣在散熱器表面高速通過，流經(jīng)散熱器的冷卻液得以冷卻，冷卻了的冷卻液在冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)中又可從發(fā)動機的高溫機件上吸取熱量。如此不斷地循環(huán)，使發(fā)動機的高溫機件不斷地得到冷卻。

冷卻系統(tǒng)控制線路是根據(jù)發(fā)動機的工作溫度，控制冷卻風扇的工作狀態(tài)，以控制冷卻系統(tǒng)冷卻量的大小，保證發(fā)動機工作在正常的溫度范圍內(nèi)。

冷卻系統(tǒng)控制線路涉及到發(fā)動機ECU、水溫傳感器、冷卻風扇、發(fā)動機線束、機艙線束、熔斷絲盒等零部件。發(fā)動機ECU是冷卻系統(tǒng)控制線路的核心部件，其控制策略見表1。

表1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)控制策略

2 冷卻系統(tǒng)電氣控制原理

冷卻系統(tǒng)控制原理是，發(fā)動機ECU根據(jù)接收到的水溫傳感器的水溫信號（通過負溫度系數(shù)的熱敏電阻轉(zhuǎn)換為電阻信號），發(fā)送執(zhí)行指令控制冷卻繼電器的吸合與斷開，從而控制高、低速冷卻風扇的啟動與停止，形成閉環(huán)控制。發(fā)動機ECU實時監(jiān)測水溫，對冷卻風扇實時控制。

2.1 控制方式

根據(jù)不同的需要，目前比較常用的有2種冷卻系統(tǒng)控制方式，見表2。

表2 發(fā)動機冷卻風扇控制方式

2.1.1 單冷卻風扇增加調(diào)速電阻式控制方式

當發(fā)動機水溫低于某一值時，冷卻風扇不工作；當發(fā)動機水溫高于某一值而低于另一規(guī)定值時，電源通過調(diào)速電阻到冷卻風扇正極，冷卻風扇低速運行；當發(fā)動機水溫高于某一設定值時，電源直接到達冷卻風扇正極，冷卻風扇高速運行。

2.1.2 雙冷卻風扇增加調(diào)速電阻式控制方式

雙冷卻風扇并聯(lián)連接。當發(fā)動機水溫低于某一值時，冷卻風扇不工作；當發(fā)動機水溫高于某一值而低于另一規(guī)定值時，電源通過調(diào)速電阻到雙冷卻風扇正極，冷卻風扇低速運行；當發(fā)動機水溫高于某一設定值時，電源直接到達雙冷卻風扇正極，冷卻風扇高速運行。

2.1.3 雙冷卻風扇串并聯(lián)高低速控制方式

當發(fā)動機水溫低于某一值時，風扇不工作；當發(fā)動機水溫高于某一值而低于另一規(guī)定值時，電源接到一個冷卻風扇正極，雙冷卻風扇以串聯(lián)的方式接入線路，低速運行；當發(fā)動機水溫高于某一設定值時，電源接到雙冷卻風扇正極，雙冷卻風扇以并聯(lián)的方式接入線路，高速運行。

2.2 控制原理分析

2.2.1 調(diào)速電阻式控制

通過發(fā)動機ECU控制繼電器的吸合與斷開，控制調(diào)速電阻的接入與短接，從而控制冷卻風扇工作在低速檔與高速檔。電氣原理簡圖如圖1所示。

需要控制冷卻風扇低速運行時，發(fā)動機ECU的A.S.FAN2引腳輸出低電平，控制冷卻風扇低速繼電器常開觸點閉合，電源正極→40A熔斷絲→調(diào)速電阻→散熱器雙風扇（或單風扇）→搭鐵，散熱器雙風扇（或單風扇）低速運行。

需要控制冷卻風扇高速運行時，發(fā)動機ECU的A.S.FAN1引腳輸出低電平，控制冷卻風扇高速繼電器常開觸點閉合，電源正極→40A熔斷絲→散熱器雙風扇（或單風扇）→搭鐵，散熱器雙風扇（或單風扇）高速運行。

單風扇只能采用調(diào)速電阻控制風扇的高、低速。

2.2.2 冷卻風扇串并聯(lián)式控制

通過發(fā)動機ECU控制繼電器的吸合與斷開，控制雙冷卻風扇的串并聯(lián)，從而控制冷卻風扇工作在低速檔與高速檔。電氣原理簡圖如圖2所示。

需要控制冷卻風扇低速運行時，發(fā)動機ECU的67引腳輸出低電平，控制1號風扇繼電器常開觸點閉合，電源正極→20A熔斷絲→1號風扇繼電器觸點→冷卻風扇1→2號風扇繼電器常閉觸點→冷卻風扇2→搭鐵，形成回路，雙風扇串聯(lián)低速運行。

需要控制冷卻風扇高速運行時，發(fā)動機ECU的67、50引腳輸出低電平，控制1號風扇繼電器、2號風扇繼電器、3號風扇繼電器常開觸點閉合。一路電源正極→20A熔斷絲COOL2→1號風扇繼電器觸點→冷卻風扇1→3號風扇繼電器觸點→搭鐵；另一路電源正極→20A熔斷絲COOL1→2號風扇繼電器觸點→冷卻風扇2→搭鐵，形成2個回路，雙風扇并聯(lián)高速運行。

3 調(diào)速電阻式控制專用件開發(fā)

調(diào)速電阻式控制冷卻風扇高、低速，涉及的專用件有：冷卻風扇、發(fā)動機ECU、發(fā)動機線束、機艙線束、熔斷絲盒。其中發(fā)動機ECU通過調(diào)整軟件、匹配達到要求，在此不再論述。

3.1 冷卻風扇的開發(fā)

左右兩個風扇集成在一起，根據(jù)發(fā)動機艙的熱平衡及冷卻量，冷卻雙風扇的設計需要基本參數(shù)如下。額定電壓：14±0.1V；額定電流：高速檔為20A，低速檔為15A；堵轉(zhuǎn)電流：55±10A；額定轉(zhuǎn)速：高速檔為2300±230r／min，低速檔為1900±190r／min。

調(diào)速電阻的額定功率80W；電阻0.27±0.027Ω［1-3］。

冷卻雙風扇的外形見圖3，電氣原理圖見圖4，調(diào)速電阻外形見圖5。

為了避免低速時冷卻風扇異常引起堵轉(zhuǎn)、短路等情況下，致使調(diào)速電阻長時間通過大電流（熔斷絲容量40A）而引起更大的故障，將調(diào)速電阻設計成帶過熱保護的調(diào)速電阻（圖6）。調(diào)速電阻的阻值、熱保護熔斷溫度、熔斷時間，根據(jù)風扇的實際工作情況經(jīng)過計算確定。如某款車型的調(diào)速電阻確定為0.27±0.027Ω，調(diào)速電阻熱保護溫度確定為260±3℃，調(diào)速電阻熱保護熔斷時間確定為80～100s。

3.2 發(fā)動機線束總成的開發(fā)

發(fā)動機線束是ECU接收水溫傳感器信息、發(fā)送控制冷卻風扇指令的導電通道，根據(jù)實際情況開發(fā)出發(fā)動機線束總成。導線線徑的選取，需考慮負載的大小、安全系數(shù)因素［4，5］。

3.3 發(fā)動機機艙線束總成的開發(fā)

發(fā)動機機艙線束是冷卻系統(tǒng)電源、發(fā)動機ECU發(fā)送控制冷卻風扇的線路。機艙熔斷絲盒集成在機艙線束總成里，內(nèi)含冷卻系統(tǒng)熔斷絲、繼電器、線路。導線線徑、熔斷絲容量的選取，需考慮負載的大小、安全系數(shù)因素［4，5］。

4 雙風扇串并聯(lián)調(diào)速式控制專用件開發(fā)

雙風扇串并聯(lián)調(diào)速式控制系統(tǒng)涉及的專用件有：冷卻風扇、發(fā)動機ECU、發(fā)動機線束、機艙線束、熔斷絲盒。其中發(fā)動機ECU通過調(diào)整軟件、匹配達到要求，在此不再論述。

4.1 冷卻風扇的開發(fā)

左、右風扇分開設計，根據(jù)發(fā)動機艙的熱平衡及冷卻量，左、右冷卻風扇設計的基本參數(shù)相同。冷凝風扇電機總成額定值：電壓12±1V，電流≤11A，轉(zhuǎn)速2300±100r／min；在電壓13.5V，靜壓100Pa時，額定風量1300±50m3／h［1-3］。冷卻雙風扇的外形如圖7所示。

4.2 發(fā)動機線束與機艙線束總成的開發(fā)

雙風扇串并聯(lián)調(diào)速式控制系統(tǒng)的發(fā)動機線束與機艙線束總成的開發(fā)，與調(diào)速電阻式控制系統(tǒng)基本類似，在此不再詳述。

5 兩種控制線路優(yōu)缺點分析及樣件試裝驗證

這兩種控制方式各有優(yōu)缺點。調(diào)速電阻式控制電路，2個冷卻風扇集成在一起作為一個零部件，便于管理及整車廠的裝配，只需2個繼電器即可，但需要增加一個調(diào)速電阻，且單一熔斷絲（40A）保護線路，高速時保護線路可以及時熔斷，低速時不易及時熔斷，必須增加過熱保護器。

串并聯(lián)調(diào)速控制線路，2個冷卻風扇分開設置，通過風扇的串并聯(lián)控制風扇的轉(zhuǎn)速，設置雙熔斷（2個20A）保護線路，比較合理，不需要調(diào)速電阻，可以不用過熱保護器，但需要3個控制繼電器，且2個冷卻風扇零部件增加了管理成本和整車廠裝配成本。

調(diào)速電阻式冷卻風扇控制線路和串并聯(lián)式冷卻風扇控制線路，在不同車型上試裝驗證，均達到技術(shù)要求。兩種控制方式分別在不同車型上批量生產(chǎn)使用。

［1］聶曉龍.某車型冷卻系統(tǒng)的研究與分析［D］.吉林大學，2012.

［2］陸瑞松.內(nèi)燃機的傳熱與熱負荷［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1985.

［3］張生.對流傳熱與傳質(zhì)［M］.北京：高等教育出版社，1985.

［4］德國BOSCH公司.Robert BOSCH GmbH汽車電氣與電子控制［M］.魏春源，等譯.北京：北京理工大學出版社，2004.

［5］德國BOSCH公司.BOSCH汽車工程手冊（中文第2版）［M］.顧柏良，等譯.北京：北京理工大學出版社，2004.

（編輯心翔）

Design of Control Circuit for Cooling System on Passenger Car

TONG Sheng-xiao1，TONG Guo-qing2，3，SUN Ze-chang2，HAN Hai-qiang3，WEI Xing-min3，F(xiàn)ENG Qing-feng3
（1.The University of New South Wales，Sydney，Australia 2052；2.Tongji University，Shanghai 201804，China；
3.Geely Automobile Research Institute，Hangzhou 311228，China）

The control strategy for engine cooling system is introduced here。The fan speed control circuit in resistance type and that in series and parallel connection are described.The design examples for the two kinds of control circuit are offered and their advantages and disadvantages are analyzed.The test and validation of the samples indicate the two kinds of control circuit have reached the technical requirements，which can be applied in bulk in different car models.

cooling system；speed ad justing in resistance type；speed ad justing in series and parallel connection

U463.234.93

A

1003－8639（2014）06－0001－03

2013-09-02；

2013-12-26