PWM風(fēng)扇控制策略驗(yàn)證方法研究

黃冠鑫，李康勇

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院試驗(yàn)認(rèn)證部整車臺(tái)架科，廣東 廣州 511434）

前言

冷卻風(fēng)扇是整車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要組成部分，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器等關(guān)鍵總成在最適溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的必備工具。隨著動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，各動(dòng)力總成對(duì)工作環(huán)境的控制要求越來(lái)越精細(xì)，而機(jī)械式、皮帶式散熱風(fēng)扇的控制邏輯比較簡(jiǎn)單，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車精細(xì)復(fù)雜的控制需求，可以實(shí)現(xiàn)智能PWM調(diào)速的汽車電子散熱風(fēng)扇正在得到越來(lái)越多的運(yùn)用。為了保證各單元處在良好的工作狀態(tài)，PWM風(fēng)扇需要通過(guò)多信號(hào)調(diào)整功率來(lái)控制溫度，策略較為復(fù)雜。如何評(píng)估PWM風(fēng)扇控制策略的優(yōu)劣就比較重要。本文提出一種PWM風(fēng)扇控制策略的驗(yàn)證方法，結(jié)合實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證。

1 問(wèn)題提出

PWM風(fēng)扇關(guān)聯(lián)信號(hào)較多，尤其混合動(dòng)力車型，不僅有空調(diào)制冷劑壓力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等信號(hào)，還有新能源車電驅(qū)動(dòng)、電池、電控等三電系統(tǒng)溫度等信號(hào)。目前各個(gè)信號(hào)相關(guān)的控制邏輯之間的關(guān)聯(lián)性及其組合之后的策略是否最優(yōu)無(wú)法得知，需要通過(guò)驗(yàn)證才能確定。為此，需要設(shè)計(jì)一種 PWM風(fēng)扇控制策略的驗(yàn)證方法。

2 PWM風(fēng)扇控制原理

2.1 PWM風(fēng)扇簡(jiǎn)介

PWM為Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制法）的簡(jiǎn)稱，是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，通過(guò)控制電壓脈沖的寬度和脈沖列的周期，達(dá)到變壓變頻及控制和消除諧波的目的一種控制技術(shù)[1]。簡(jiǎn)單的PWM控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 PWM控制框圖

PWM風(fēng)扇通過(guò)調(diào)制控制器內(nèi)部開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)改變輸出端（電機(jī)）的高頻方波的占空比，其與電機(jī)兩端的平均電壓成正比：占空比越大，平均電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制[2]。

2.2 控制策略

PWM風(fēng)扇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。ECU根據(jù)當(dāng)前整車各系統(tǒng)工作狀態(tài)的信號(hào)，如空調(diào)制冷劑壓力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等，查詢預(yù)先標(biāo)定的占空比并將其發(fā)送給PWM控制器，然后通過(guò)PWM控制器對(duì)PWM風(fēng)扇進(jìn)行控制，同時(shí)PWM風(fēng)扇控制器將風(fēng)扇工作狀態(tài)信息反饋給ECU，以便ECU對(duì)風(fēng)扇工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，一旦風(fēng)扇出現(xiàn)故障，ECU可以采取相應(yīng)的措施，避免發(fā)生其他問(wèn)題。

圖2 PWM風(fēng)扇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制策略驗(yàn)證方法研究

3.1 試驗(yàn)環(huán)境條件

PWM風(fēng)扇區(qū)別于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制風(fēng)扇的優(yōu)勢(shì)在于可無(wú)極調(diào)速，可以通過(guò)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)需求提供風(fēng)量，達(dá)到降低能耗、延長(zhǎng)使用壽命的效果。在極高溫或極低溫情況下，空調(diào)負(fù)荷較高或者較低，風(fēng)扇請(qǐng)求的占空比一直處于較高或沒(méi)有的狀態(tài)，與兩級(jí)開(kāi)關(guān)控制風(fēng)扇功能相近，無(wú)法評(píng)估PWM控制策略的優(yōu)劣。環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和日照等環(huán)境條件需要按照夏季比較常見(jiàn)氣候狀況進(jìn)行設(shè)定，可參考QCT 658-2009《汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗(yàn)方法》。

3.2 空調(diào)負(fù)荷

空調(diào)的負(fù)荷是PWM風(fēng)扇的重要控制信號(hào)，而空調(diào)負(fù)荷受空調(diào)模式設(shè)定影響，因此空調(diào)模式設(shè)定對(duì)于策略驗(yàn)證方法非常重要。空調(diào)模式設(shè)定主要包括溫度設(shè)定和內(nèi)外氣循環(huán)設(shè)定。

空調(diào)溫度的設(shè)定需考慮大多數(shù)人感受最舒適的溫度進(jìn)行設(shè)定，以此來(lái)模擬PWM風(fēng)扇在客戶日常使用的性能表現(xiàn)情況，大部分汽車企業(yè)以25℃作為最適宜溫度。

影響空調(diào)負(fù)荷另一個(gè)很重要的空調(diào)模式是內(nèi)外氣循環(huán)設(shè)定，圖3為在平坦路各車速下內(nèi)外循環(huán)PWM風(fēng)扇占空比情況，因此在設(shè)計(jì)驗(yàn)證工況時(shí)需要對(duì)考慮車輛內(nèi)外循環(huán)PWM風(fēng)扇的具體表現(xiàn)進(jìn)行分別驗(yàn)證。

圖3 內(nèi)外循環(huán)PWM風(fēng)扇占空比

3.3 車速

車輛在行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生迎面風(fēng)，通過(guò)散熱器和冷凝器參與到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的冷卻工作中。不同車速下迎面風(fēng)速不一樣，導(dǎo)致制冷劑及其他冷卻介質(zhì)的冷卻效果也不一樣，最終決定PWM風(fēng)扇需求風(fēng)量的大小。在確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)正常工作的前提下，為了降低風(fēng)扇工作的能耗，PMW風(fēng)扇會(huì)根據(jù)不同車速修正工作狀態(tài)。故需要評(píng)估PWM風(fēng)扇占空比在不同車速下的具體表現(xiàn)，圖4為推薦的工況車速。

圖4 推薦車速工況

3.4 道路負(fù)荷

同車速下進(jìn)風(fēng)量和空調(diào)制冷能力一樣，但不同的動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池產(chǎn)生相應(yīng)的輸出功率和扭矩，其發(fā)熱量也隨之改變，進(jìn)而改變各冷卻介質(zhì)的熱負(fù)荷，最終改變風(fēng)扇占空比。改變動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷可以通過(guò)改變道路坡度實(shí)現(xiàn)。為了評(píng)估各道路負(fù)荷下PWM風(fēng)扇占空比情況，可以設(shè)定通過(guò)車速恒定坡度連續(xù)變化工況進(jìn)行驗(yàn)證。圖5為某款車在40km/h車速不同坡度下發(fā)動(dòng)機(jī)水溫請(qǐng)求風(fēng)扇占空比情況。

圖5 不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)水溫請(qǐng)求PWM風(fēng)扇占空比情況

4 應(yīng)用情況

綜合上述理論及實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果形成了PWM風(fēng)扇控制策略驗(yàn)證方法，并對(duì)新能源車A和傳統(tǒng)車B進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，見(jiàn)表1和表2，結(jié)果能真實(shí)反映出PWM風(fēng)扇在各工況下的真實(shí)表現(xiàn)，并暴露出設(shè)計(jì)問(wèn)題。PWM風(fēng)扇策略關(guān)聯(lián)多個(gè)系統(tǒng)，這些問(wèn)題的后續(xù)優(yōu)化解決需要結(jié)合各系統(tǒng)性能綜合考慮。

表1為某款新能源混動(dòng)車型PWM風(fēng)扇控制策略測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）怠速空調(diào)請(qǐng)求風(fēng)扇占空比高（90%）；（2）控制器水溫和電池水溫請(qǐng)求占空比較低（10%）；（3）高速平坦路行駛請(qǐng)求風(fēng)扇占空比較高（42%）。

表1 某款新能源車PWM風(fēng)扇策略驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

表2為某款傳統(tǒng)車PWM風(fēng)扇控制策略測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）怠速空調(diào)請(qǐng)求風(fēng)扇占空比高（90%）；（2）高速平坦路行駛請(qǐng)求風(fēng)扇占空比較高（25%）。

表2 某款傳統(tǒng)車PWM風(fēng)扇策略驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

文章在了解 PWM 風(fēng)扇控制原理和策略目的的基礎(chǔ)上，研究了PWM 冷卻風(fēng)扇控制策略評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法。通過(guò)新能源車和傳統(tǒng)車分別實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)果能真實(shí)反映出PWM風(fēng)扇在各工況下的真實(shí)表現(xiàn)，并暴露出策略設(shè)計(jì)問(wèn)題。

[1] 牟亦頡.基于PWM控制的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)研究.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016年09期.

[2] 汪金德,高煒.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制器的綜合參數(shù)測(cè)試.[M]儀表技術(shù),2016年07期.