基于節能的重型商用車風扇精確控制策略研究

張文博，楊志剛，辛乾

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基于節能的重型商用車風扇精確控制策略研究

張文博，楊志剛，辛乾

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

隨著市場對車輛燃油經濟性的要求不斷提升，降低發動機附件功耗變得越來越重要。而風扇作為發動機主要能耗附件，優化其控制策略對降低發動機附件功耗從而降低車輛油耗有積極意義；同時對風扇的精確控制影響車輛整體冷卻性能表現。

燃油經濟性；風扇控制

前言

隨著我國物流業的飛速發展，物流市場日趨繁榮，客戶對運輸車輛燃油經濟性的要求也日益提高。減小發動機冷卻系統耗功原件的功率損耗也越來越得到人們的重視，風扇作為冷卻系統的主要耗功件，對其進行精確控制顯得相當重要[1]。同時風扇的控制策略直接影響發動機的實際工作溫度，從而對發動機熱效率產生一定影響[2-3]。

而目前普遍配套的電控硅油離合器風扇相比電磁離合器風扇可控性更強，這就對控制策略的準確性和合理性提出更高要求。

1 相關整車性能

風扇控制策略除直接影響車輛經濟性外，還影響以下整車性能，需在控制策略制訂時充分考慮：

1.1 可靠性

風扇控制策略直接影響冷卻系統工作可靠性，進而影響整車可靠性。

1.2 噪聲水平

在進行車外噪聲試驗時，風扇噪聲占較大比重，故風扇的設計及控制策略的制訂對噪聲水平有一定影響。

1.3 安全性

對于加裝緩速器車型，緩速器要求冷卻系統能夠長時間穩定的工作，否則將會導致緩速器自我保護而降低制動力矩，從而影響整車安全性。

2 控制邏輯

電控硅油離合器冷卻系統是一個典型的閉環控制系統，其主要組成見下圖：

圖1 電控硅油離合器風扇冷卻系統簡圖

控制器是電控硅油離合器冷卻系統的中樞，控制和協調整個系統的運行狀態。控制器的基本原理是對傳感器采集到的發動機水溫、中冷器氣溫、空調制冷劑壓力、緩速器開關量、發動機負荷、車速、發動機制動狀態、環境溫度和大氣壓力信號進行綜合分析后，發出指令控制電控總成的線圈通斷電，進而控制電控硅油離合器耦合程度并控制風扇轉速。

2.1 控制邏輯說明

風扇控制主要包含風扇轉速需求計算模塊及控制驅動模塊兩大部分，分別介紹如下：

2.1.1 風扇轉速需求計算模塊

風扇轉速需求計算需綜合考慮以下因素：

（1）發動機制動

當激活發動機制動時，風扇按預先標定的轉速運行，從而增加發動機制動的阻力功率。為增加制動效果，風扇轉速按理論最高轉速標定（即發動機額定轉速×風扇速比）。

（2）發動機負荷

當發動機負載大于高負載閾值（暫定80%），且車速小于最低車速閾值（低于30km/h觸發，高于35km/h退出）時，認為車輛當前運行工況苛刻，冷卻系統需提供很大的散熱量，此時需求風扇按最高轉速工作，即將基于負載率的風扇轉速設定為風扇理論最高轉速（即發動機額定轉速×風扇速比）。

（3）冷卻液溫度

隨著海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度下降，對冷卻風扇的體積流量產生負面影響，為平衡該影響，在確定由冷卻液溫度決定的風扇轉速時，對根據溫度-轉速曲線獲得的需求轉速乘以一個與環境氣壓相關的修正系數。

根據KULI仿真計算結果，推薦的修正系數如下：

表1 大氣壓力-轉速修正系數

由于風扇轉速需求與環境溫度密切相關，為減少風扇功耗，按照常溫狀態（<25℃觸發）及高溫狀態（≥28℃觸發）分別制定風扇轉速需求。對于某車型，制定的冷卻液溫度-風扇轉速曲線見下表：

表2 冷卻液溫度-風扇轉速

上表中環境溫度小于25℃的曲線按環境溫度28℃設置，環境溫度大于28℃的曲線按環境溫度40℃設置。WP13節溫器初開溫度為83℃，全開為92℃，故在高溫環境下風扇與節溫器基本同步開啟。當處于常溫狀態時，可將開啟溫度推遲2℃。這樣可適當提高發動機運行時的冷卻液平均溫度，對發動機燃油消耗率表現帶來有利影響。

（4）進氣溫度(中冷后溫度)

不同的進氣溫度需求不同的最低風扇轉速，中冷器溫升滿足標準要求，一般要求在40℃環境下溫升不大于30℃。

表3 進氣溫度-風扇轉速

同時，風扇轉速器的設定還應該考慮空調開啟時冷凝器的散熱需求，以及緩速器開啟時冷卻液溫度控制的需求。

不同發動機轉速對應不同的風扇最低、最高轉速，計算出的轉速需求應修正為在此轉速范圍內。基于發動機轉速的風扇最低、最高轉速限值需通過試驗獲得。

此外對風扇轉速傳感器故障時應按風扇100%轉速輸出轉速需求，避免冷卻液溫度過高。

2.1.2 風扇控制模塊

目前普遍采用的是以風扇轉速設定值及其與當前轉速的偏差為輸入，以PWM信號為輸出的閉環PID控制方法。

電控硅油風扇離合器電控部分示意圖如圖下：

電控硅油離合器是依靠硅油高粘度特性傳遞扭矩的裝置，通過控制閥片與進油孔的相對位置調整進油孔的開閉，從而控制硅油的流動路線，實現對電控硅油離合器分離或耦合的控制，同時在電控總成上安裝有測速傳感器，可以實時監測風扇轉速。

圖2 電控硅油風扇離合器電控部分示意圖

圖3 電控硅油風扇離合器電控部分示意圖

風扇控制模塊中包含一個典型PID控制器所包含的比例、積分和微分模塊，三者的數值與風扇前饋值相加作為PWM輸出信號。當檢測到風扇轉速傳感器故障時，三個控制模塊的輸出均會切換為0%；最終輸出的占空比由前饋值決定，該值處于0%~100%之間。

為了適應快速調節的需求，上圖還包括一個參數設置模塊，對控制器的Kp、Ki參數進行了分組設計，實現了控制參數的在線整定，提高了系統的適應性。

4 結論

本文對冷卻風扇的輸入參數進行了梳理，新增了環境溫度、大氣壓力作為控制參數，并制定相應的控制策略，在降低風扇功耗的同時提升了車輛冷卻系統的環境適應性。預計可實現節油1%~2%。

[1] G,Gantore,F.Paltrinieri,F.Perini,et al.A Lumped Parameter Approach for Simulation of ICE Cooling Systems [C].SAE Paper 2009-01- 2760.

[2] 盧廣峰,郭新民,孫運柱.汽車發動機冷卻系統的發展與現狀[J].農機化研究,2002（2）:129:131.

[3] 楊小強,蔡立艮,趙立強.熱管理技術在工程車輛中的應用研究[J].中國工程機械學報,2006,4（1）:61-63.

Research on Accurate Control Strategy of Heavy Duty Commercial Vehicle Fan Based on Energy Saving

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Xin Qian

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

As the market demand for fuel economy of vehicles continues to increase, reducing engine accessory power consumption is becoming increasingly important.The fan is the main energy consumption component of the engine. Optimizing the fan control strategy has a positive effect on reducing the engine accessory power consumption and the fuel consumption, at the same time, the precise control of the fan effects the overall cooling performance of the vehicle.

fuel economy; fan control

A

1671-7988(2018)18-219-03

U462

A

1671-7988(2018)18-219-03

CLC NO.: U462

張文博，男，碩士研究生，主要研究方向為車輛燃油經濟性。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.074