汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統研制

彭菊生，潘法寶（.湖州職業技術學院機電與汽車工程學院，浙江 湖州　33000；.湖州全程車品汽車銷售有限公司，浙江 湖州　33000）

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汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統研制

彭菊生1，潘法寶2
（1.湖州職業技術學院機電與汽車工程學院，浙江 湖州313000；2.湖州全程車品汽車銷售有限公司，浙江 湖州313000）

摘要：探討電動冷卻風扇的控制需求和策略，通過采用分體式控制，開發出汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統，并通過發動機熱平衡測試、燃油經濟性測試以及實際車內噪聲測試，證明采用的方法和開發的系統是有效可行。

關鍵詞：電動冷卻風扇；智能控制；風扇控制器

發動機工作溫度過高或者過低，不但會使燃料消耗量增加，也會導致發動機磨損增加，使用壽命受到影響，所以發動機只有在合適的溫度范圍工作才能發揮最大效能。要讓發動機運轉在合適的溫度范圍，必須對冷卻系統的風扇進行控制，而電動冷卻風扇的控制最重要的是控制風扇電機。如何生產出高效節能的汽車發動機電動冷卻風扇，己成為汽車企業技術攻關的當務之急，而生產出高效節能的汽車發動機電動冷卻風扇關鍵在冷卻風扇控制系統上。本文對汽車發動機電動冷卻風扇智能控制技術進行研究分析。

1　電動冷卻風扇的控制需求和控制策略

以前汽車發動機冷卻系統風扇由發動機直接驅動［1］，發動機轉速決定了冷卻強度，風扇轉速不能根據冷卻液溫度進行自動調節，使得發動機溫度無法控制在最佳溫度范圍內，對發動機的工作影響非常大，這種剛性連接的冷卻風扇所需要的功率占發動機功率的3％～ 5％，小功率發動機甚至超過10％，導致燃油消耗非常驚人。剛性連接的風扇直接受發動機轉速的影響，通常設計散熱能力以發動機最大熱負荷為參照標準，但實際運行，發動機低速運轉時，冷卻系溫度被強制散熱，造成發動機溫度過低，冬季發動機升溫困難的現象。在現代汽車上，發動機冷卻系統普遍采用了電動冷卻風扇，冷卻風扇的轉速能根據冷卻液的溫度自動調節，從而將冷卻液溫度控制在汽車發動機工作的最佳范圍。電動冷卻風扇的高速低速運轉方式有很多種，有的采用電阻降壓方式獲得低速，有的采用電子占空比調速方式獲得低速，有的采用兩個電子扇串聯方式獲得低速，高速則在電機兩端直接加上蓄電池電壓。

本文采用目標液溫控制策略［1］，目標溫度由發動機負荷和發動機轉速計算得出，研究表明發動機負荷與水溫必須一致，合適的水溫能提高發動機性能。部分負荷時溫度高一些 （95～105℃），有利于發動機提高性能、降低油耗和降低有害物質排放；全負荷時溫度低一些 （85～95℃）。由于進氣加熱作用小，能增加動力輸出，利于提高功率。而車速越低和外界溫度越高其設置的目標水溫就要適當降低2～5℃。冷卻風扇轉速控制的目的是使實際水溫更接近目標水溫。

2　電動風扇的控制單元硬件設計

本系統采用分體式控制，即指脫離發動機，由外部的電子控制模塊來完成驅動風扇，以達到冷卻系統使發動機適度冷卻的目的，這個外部的電子控制模塊就是汽車電動冷卻風扇控制器［2］。電動冷卻風扇控制

器可以解決以下問題：①熔斷絲盒燒壞了不用換；②發動機線路燒壞了不用換；③風扇線束燒壞了還是不用換；④降低風扇啟動溫度；⑤減少了線路接插件，使線路電力損耗降低，恢復風扇正常轉速，提升空調制冷效果。

本系統風扇采用直流電機驅動，具有良好的起動性以及耐久性。控制策略上采用以目標水溫度和空調壓力為主導的冷卻風扇，能夠實現風扇的多極控制，包括低速與高速，相當于家用電風扇的快慢擋。風扇電機采用微機控制。使得硬件電路比較簡單，用少量芯片就可完成很多功能，易于通用化，維修相對容易，成本也較低。主要的硬件包括：冷卻液溫度傳感器、空調壓力傳感器和風扇控制器等。系統連接原理圖如圖1所示。

圖1　系統連接原理圖

3　電控冷卻風扇的系統軟件設計

本系統的軟件設計將基于Microchip公司 （美國微芯科技公司）的PIC16F716控制芯片，本系統風扇電機的轉速控制電壓信號由兩路命令通道給出，可以使冷卻風扇得到最直接的冷卻信息，實現對汽車發動機及時且可靠的冷卻。兩路命令通道分別是水溫與空調壓力。在發動機上安裝有水溫傳感器，它把感受到的溫度傳輸給汽車電動冷卻風扇控制器，控制器得到傳感器的溫度報告，當溫度達到設定值時，如溫度達到108℃ECU就會打開低速，溫度達到115℃打開高速。不管是打開了高速還是低速，都要等溫度降低到90℃，ECU才會關閉風扇。當空調打開，壓縮機開始工作，空調管道壓力開始升高，空調壓力傳感器把壓力報告給汽車電動冷卻風扇控制器，壓力達到設定值時，如壓力達到1 MPa以上時，ECU打開低速，壓力達到1.4 MPa以上，ECU打開高速。這兩個通道的信號先到先得的原則，誰的通道滿足開啟要求，風扇即刻工作。

4　電控冷卻風扇系統的測試

為了驗證上述設計的可行性，以及控制策略的合理性，我們開發了這套電控冷卻風扇系統 （圖2），在發動機熱平衡試驗系統上進行了發動機熱平衡試驗，然后裝在別克君威車上測試了燃油經濟性和車內噪聲［3］。

圖2　電控冷卻風扇系統

4.1發動機熱平衡測試

本系統在發動機熱平衡試驗系統上進行了穩態工況熱平衡試驗。穩態工況發動機熱平衡試驗是在發動機性能試驗中，保持發動機工況穩定，當發動機冷卻系統、潤滑系統、進排氣系統溫度達到穩定時，測量各系統熱量分配情況［4］。主要測試了本系統進水和出水處的溫度，進水溫度最高到93.7℃，出水溫度最高到101.8℃，滿足設計指標要求。

4.2燃油經濟性測試

將該系統裝在別克君威2.0上測試燃油經濟性，在一般道路上沒裝該系統時的油耗是10.8 L／100 km，裝了一個月以后，測得的實際平均油耗是10.5L／100km，綜合油耗降低0.3L／100km。

4.3車內噪聲測試

別克君威2.0在裝該系統之后，在一條平直無車的公路上用數字聲級計HS5633B測試，如圖3所示，測得改裝冷卻系統前后車內噪聲如圖4所示，車內噪聲值低約0.2～0.8dB（A）。

圖3　車內噪聲測試

5　結論

通過本系統的研究，可得如下結論：①研究表明發動機負荷與水溫必須一致，合適的水溫能提高發動機性能，所以本系統采用目標液溫控制策略，目標溫度由發動機負荷和發動機轉速計算得出。②綜合運用風扇智能控制理論與方法進行了電動風扇控制單元硬件和軟件設計，并成功開發出汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統。這套系統采用分體式控制，使得維修簡單，性能可靠，表明該設計方案的實用性。③不但將汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統裝在發動機熱平衡試驗系統上進行了發動機熱平衡試驗，而且裝在別克君威車上測試了燃油經濟性和車內噪聲，測試結果顯示該系統能夠保證發動機熱平衡，并且經濟性和NVH性能尤為突出。充分表明采用的方法和開發的系統是有效可行的，研究工作是成功的。

圖4　別克君威2.0車內噪聲測試改裝冷卻系統前后比較

參考文獻：

［1］郭新民，邢娟，袁燕利，等．汽車發動機電動冷卻風扇控制系統的研究［J］．汽車電器，1996（5）：13-14．

［2］劉陽．以目標水溫為主導的冷卻風扇控制策略［J］．汽車維修，2009（12）：20-22．

［3］朱鵬．新型汽車發動機冷卻風扇智能控制系統的設計［D］．上海大學．2008．

［4］韓曉峰，張士路，翁銳，等．車用PWM冷卻風扇控制策略試驗研究［J］．內燃機與動力裝置，2014，31（6）：8-9．

［5］俞小莉，李婷．發動機熱平衡仿真研究現狀與發展趨勢［J］．車用發動機，2005，159（5）：1-5．

（編輯心翔）

中圖分類號：U463.851

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0067－03

收稿日期：2015-12-22；修回日期：2016-01-11

基金項目：2014年高等學校訪問工程師校企合作項目 （FG2014102）資助。

作者簡介：彭菊生 （1983－），男，江西吉安人，碩士，研究方向為車輛先進制造技術，郵箱：40803857@qq.com。

Development of Intelligent Control System of Automobile Engine Electric Cooling Fan

PENG Ju-sheng1，PAN Fa-bao2
（1.School of mechanical and electrical engineering，Huzhou Vocational and Technical College，Huzhou 313000，China；2.Huzhou Quancheng Automotive Supplies Company，Huzhou 313000，China）

Abstract：This paper discusses the controlling demand and strategies of the electric cooling fan.The intelligent control system of engine electric cooling fan is developed based on separate control.Through the engine thermal balance test，fuel economic efficiency test and actual interior noisy test，the system and method it takes are applicable.

Key words：electric cooling fan；intelligent control；fan controller