PWM風扇控制策略驗證方法研究

黃冠鑫，李康勇

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院試驗認證部整車臺架科，廣東 廣州 511434）

前言

冷卻風扇是整車冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，是保證發(fā)動機、動力電池、驅(qū)動電機、電機控制器等關(guān)鍵總成在最適溫度下運轉(zhuǎn)的必備工具。隨著動力技術(shù)的發(fā)展，各動力總成對工作環(huán)境的控制要求越來越精細，而機械式、皮帶式散熱風扇的控制邏輯比較簡單，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車精細復雜的控制需求，可以實現(xiàn)智能PWM調(diào)速的汽車電子散熱風扇正在得到越來越多的運用。為了保證各單元處在良好的工作狀態(tài)，PWM風扇需要通過多信號調(diào)整功率來控制溫度，策略較為復雜。如何評估PWM風扇控制策略的優(yōu)劣就比較重要。本文提出一種PWM風扇控制策略的驗證方法，結(jié)合實車進行驗證。

1 問題提出

PWM風扇關(guān)聯(lián)信號較多，尤其混合動力車型，不僅有空調(diào)制冷劑壓力、車速、發(fā)動機水溫等信號，還有新能源車電驅(qū)動、電池、電控等三電系統(tǒng)溫度等信號。目前各個信號相關(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)無法得知，需要通過驗證才能確定。為此，需要設(shè)計一種 PWM風扇控制策略的驗證方法。

2 PWM風扇控制原理

2.1 PWM風扇簡介

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

圖1 PWM控制框圖

PWM風扇通過調(diào)制控制器內(nèi)部開關(guān)在一個周期內(nèi)的導通時間來改變輸出端（電機）的高頻方波的占空比，其與電機兩端的平均電壓成正比：占空比越大，平均電壓越高，電機轉(zhuǎn)速越高，以此實現(xiàn)對冷卻風扇的轉(zhuǎn)速控制[2]。

2.2 控制策略

PWM風扇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。ECU根據(jù)當前整車各系統(tǒng)工作狀態(tài)的信號，如空調(diào)制冷劑壓力、車速、發(fā)動機水溫等，查詢預先標定的占空比并將其發(fā)送給PWM控制器，然后通過PWM控制器對PWM風扇進行控制，同時PWM風扇控制器將風扇工作狀態(tài)信息反饋給ECU，以便ECU對風扇工作狀態(tài)進行判斷，一旦風扇出現(xiàn)故障，ECU可以采取相應(yīng)的措施，避免發(fā)生其他問題。

圖2 PWM風扇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制策略驗證方法研究

3.1 試驗環(huán)境條件

PWM風扇區(qū)別于傳統(tǒng)開關(guān)控制風扇的優(yōu)勢在于可無極調(diào)速，可以通過冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的實時需求提供風量，達到降低能耗、延長使用壽命的效果。在極高溫或極低溫情況下，空調(diào)負荷較高或者較低，風扇請求的占空比一直處于較高或沒有的狀態(tài)，與兩級開關(guān)控制風扇功能相近，無法評估PWM控制策略的優(yōu)劣。環(huán)境溫度、相對濕度和日照等環(huán)境條件需要按照夏季比較常見氣候狀況進行設(shè)定，可參考QCT 658-2009《汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能道路試驗方法》。

3.2 空調(diào)負荷

空調(diào)的負荷是PWM風扇的重要控制信號，而空調(diào)負荷受空調(diào)模式設(shè)定影響，因此空調(diào)模式設(shè)定對于策略驗證方法非常重要?？照{(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行設(shè)定，以此來模擬PWM風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)負荷另一個很重要的空調(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風扇占空比情況，因此在設(shè)計驗證工況時需要對考慮車輛內(nèi)外循環(huán)PWM風扇的具體表現(xiàn)進行分別驗證。

圖3 內(nèi)外循環(huán)PWM風扇占空比

3.3 車速

車輛在行駛時會產(chǎn)生迎面風，通過散熱器和冷凝器參與到發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的冷卻工作中。不同車速下迎面風速不一樣，導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風扇需求風量的大小。在確保發(fā)動機冷卻系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)正常工作的前提下，為了降低風扇工作的能耗，PMW風扇會根據(jù)不同車速修正工作狀態(tài)。故需要評估PWM風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 道路負荷

同車速下進風量和空調(diào)制冷能力一樣，但不同的動力系統(tǒng)負荷下發(fā)動機、動力電池產(chǎn)生相應(yīng)的輸出功率和扭矩，其發(fā)熱量也隨之改變，進而改變各冷卻介質(zhì)的熱負荷，最終改變風扇占空比。改變動力系統(tǒng)負荷可以通過改變道路坡度實現(xiàn)。為了評估各道路負荷下PWM風扇占空比情況，可以設(shè)定通過車速恒定坡度連續(xù)變化工況進行驗證。圖5為某款車在40km/h車速不同坡度下發(fā)動機水溫請求風扇占空比情況。

圖5 不同負荷下發(fā)動機水溫請求PWM風扇占空比情況

4 應(yīng)用情況

綜合上述理論及實際試驗結(jié)果形成了PWM風扇控制策略驗證方法，并對新能源車A和傳統(tǒng)車B進行實車驗證，見表1和表2，結(jié)果能真實反映出PWM風扇在各工況下的真實表現(xiàn)，并暴露出設(shè)計問題。PWM風扇策略關(guān)聯(lián)多個系統(tǒng)，這些問題的后續(xù)優(yōu)化解決需要結(jié)合各系統(tǒng)性能綜合考慮。

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

表1 某款新能源車PWM風扇策略驗證試驗結(jié)果

表2為某款傳統(tǒng)車PWM風扇控制策略測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個問題：（1）怠速空調(diào)請求風扇占空比高（90%）；（2）高速平坦路行駛請求風扇占空比較高（25%）。

表2 某款傳統(tǒng)車PWM風扇策略驗證試驗結(jié)果

5 結(jié)論

文章在了解 PWM 風扇控制原理和策略目的的基礎(chǔ)上，研究了PWM 冷卻風扇控制策略評價試驗方法。通過新能源車和傳統(tǒng)車分別實車驗證，結(jié)果能真實反映出PWM風扇在各工況下的真實表現(xiàn)，并暴露出策略設(shè)計問題。

[1] 牟亦頡.基于PWM控制的發(fā)動機冷卻風扇控制系統(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)動機冷卻風扇控制器的綜合參數(shù)測試.[M]儀表技術(shù),2016年07期.