電子風扇和電子節溫器聯合控制策略研究

程振徐，倪計民，郝真真，馬信元，王琦瑋

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

車用發動機性能和設計水平的不斷提高、能源危機的出現以及排放法規的嚴苛要求使得冷卻系統的作用不僅僅是冷卻發動機，更需要在車輛起動、行駛、停機等各個工作階段，滿足排放性、經濟性、動力性、舒適性、可靠性、耐久性等綜合性要求[1-2]。智能化是兼顧各種問題和需求的關鍵技術，是發動機冷卻系統發展的必然趨勢，因此非常有必要對發動機冷卻系統進行智能化研究[3-5]。1981年美國的一項專利首次提出了電子風扇[6]。R. Clemente[7]首次在越野卡車上使用由電動機帶動的電子風扇。EMP公司[8]設計了采用無刷電機驅動的電子風扇，相比于有刷電機，無刷電機具有無磨損、效率高、空載電流小、結構緊湊、使用壽命長等優點。2001年，法雷奧、里卡多和戴姆勒克萊斯勒等公司[9]聯合開發了42 V-14 V雙電壓系統，該系統在提高電能轉換效率的同時實現了電子風扇的無級變速。國外公司對電子節溫器做了很多研究，實現了冷卻液流量的智能控制[10-12]。國內方面，韓曉峰等[13]通過對PWM冷卻風扇控制策略的研究發現，該控制策略能夠保證整車熱平衡性能和空調性能。孔祥強等[14]提出了一種可快速精確控制目標溫度的控制策略來解決太陽能熱泵的控制問題。謝輝等[15]通過研究電動風扇和電動水泵功率分配對熱管理系統運行總能耗的影響規律，提出了風扇和水泵功率分配控制策略，該控制策略可有效減少水溫控制的波動，降低系統控制能耗。

可以發現，目前大部分研究是單獨針對電子節溫器或者電子風扇的控制策略，而電子節溫器的開啟與電子風扇的開啟互為影響，因此有必要對電子節溫器與電子風扇聯合控制策略進行研究分析。本研究通過分析冷卻液溫度對發動機燃油消耗率的影響來確定冷卻液目標溫度，以此為基礎來制定電子風扇和電子節溫器的聯合控制策略，并在該聯合控制策略中加入電子風扇轉速脈譜圖來提高控制精度，研究該聯合控制策略對風扇耗功的影響，以及電子風扇轉速脈譜圖的引入對風扇轉速和冷卻液溫度的影響。

1 電子風扇轉速脈譜圖的研究

風扇轉速脈譜圖的加入使得電子風扇能夠針對發動機工況的改變預先設置一個風扇轉速，然后使用PID控制器對風扇轉速進一步調節，這使得整個控制系統既能做到及時響應，又能精確地控制冷卻液溫度并減少冷卻風扇的耗功。

1.1 冷卻風扇轉速與冷卻空氣流量的匹配

通過風扇和散熱器性能試驗可分別得到風扇的靜壓流量曲線和散熱器阻力流量曲線，將這兩個曲線放在同一坐標下即可得到冷卻風扇匹配工況點(見圖1)。在圖1中定位散熱器風阻曲線與風扇的靜壓-流量-轉速萬有特性交點，由此可獲得該冷卻風扇在發動機冷卻系統工作時其實際運行工況點的轉速和流量。

圖1 冷卻風扇匹配工況點

由此數據可建立冷卻空氣流量qa與風扇轉速nf的關系式：

qa=-1.103 5×10-8×nf2+
6.674 2×10-4×nf-0.136 187。

(1)

利用式(1)計算電子風扇轉速和冷卻空氣流量的試驗值與回歸值，相對誤差范圍在[-1.06%，1.01%]。根據式(1)繪制的風扇轉速和流量的關系見圖2。

圖2 冷卻風扇轉速和空氣流量關系

將風扇在各轉速下的匹配工況點呈現在風扇的流量和效率關系圖中，通過各轉速下的冷卻空氣流量做一條垂直于橫坐標軸的直線，該直線與對應轉速下風扇流量和效率曲線的交點就是風扇在工況點下的效率值(見圖3)。

圖3 冷卻風扇流量和效率關系

風扇在各轉速下的效率見表1。 由該表可知，風扇的效率隨著風扇轉速的升高呈現先升高后下降的趨勢，但整體保持在風扇的高效率區間。由此可知，風扇在冷卻系統中的工作點處于風扇的高效率區間，即風扇在保證散熱量的前提下在風扇的高效率區間運行，減小了風扇的功耗。

表1 風扇各轉速下的效率

1.2 電子風扇供風量及轉速脈譜圖的確定

冷卻空氣的需求量可通過熱平衡方程求得：

(2)

式中：qa為冷卻空氣流量；Qw為冷卻系統的散熱量；Cpa為冷卻空氣的比定壓熱容；ρa為冷卻空氣的密度；Δta為散熱器空氣側進出口溫差。

對發動機進行熱平衡試驗，得出冷卻液在試驗工況內所帶走的熱量(見表2)，其中負荷率25%，50%，75%，100%下發動機的冷卻液散熱量分別記為Q1，Q2，Q3，Q4。

表2 部分工況下冷卻液散熱量

根據發動機冷卻液散熱量及式(2)可以求得各工況下發動機散熱所需要的風扇供風量(見表3)，其中負荷率25%，50%，75%，100%下的風扇供風量分別記為V1，V2，V3，V4。

由1.1節和1.2節中確定的風扇轉速和流量關系以及發動機全工況下的風扇供風量，就可確定發動機全工況下的風扇轉速(見表4)，其中負荷率25%，50%，75%，100%下的風扇轉速分別記為n1，n2，n3，n4。將表4數據導入到商用軟件Matlab中，即可得到發動機全工況下的風扇轉速脈譜圖(見圖4)。

表3 部分工況下風扇供風量

表4 部分工況下的風扇轉速

圖4 發動機全工況下風扇轉速脈譜圖

2 發動機冷卻液目標溫度的研究

發動機冷卻液溫度對發動機經濟性、排放性以及可靠性有著重要影響，本研究選取發動機出口冷卻液溫度作為控制電子風扇和電子節溫器的目標值。

利用發動機熱平衡試驗對5種不同發動機出口冷卻液溫度(80 ℃，85 ℃，90 ℃，95 ℃，100 ℃)下的燃油消耗率進行分析，單純考慮燃油經濟性，得到各工況下最低的燃油消耗率所對應的冷卻液溫度(見表5)，其中將25%，50%，75%，100%負荷率工況下的發動機冷卻液目標溫度記為T1，T2，T3，T4。

表5 發動機冷卻液目標溫度

從表5中可以發現，在低轉速3 000 r/min、中低負荷25%，50%和75%工況下，最低的燃油消耗率對應的冷卻液溫度均是95 ℃，而在100%負荷時平均燃油消耗率對應的最低冷卻液溫度為85 ℃，考慮到冷卻液溫度的連續性和發動機的實際運行情況中低轉速低負荷占據較大比例這一因素，將發動機冷卻液目標溫度設置為95 ℃。

3 仿真模型的建立

利用GT-COOL軟件建立冷卻系統一維仿真模型，并依據制定的電子風扇和電子節溫器控制策略，通過改進的電子風扇和電子節溫器仿真模型，將原車冷卻系統仿真模型改為基于聯合控制策略的冷卻系統一維仿真模型。

3.1 原車一維仿真模型的建立

調用GT-COOL軟件中相應的模塊來建立冷卻系統一維仿真計算模型(見圖5)。

圖5 冷卻系統仿真模型

試驗用發動機為四沖程、自然吸氣、電噴發動機，其主要技術參數見表6。

表6 發動機主要技術參數

發動機在各轉速下的冷卻液流量試驗值與仿真值對比見表7。由表7可知，試驗值與仿真值的誤差在5%以內，因此可以認為基于GT-COOL軟件建立的發動機冷卻系統模型符合目標發動機的基本情況，可用于仿真分析計算。

表7 冷卻液流量試驗值與仿真值對比

3.2 電子風扇和電子節溫器控制策略制定

圖6示出電子節溫器和電子風扇聯合控制策略邏輯圖，其中T為發動機冷卻液溫度。控制策略的核心為充分利用節溫器對大小循環流量的控制來實現對目標冷卻液溫度的控制。當電子節溫器處于全開狀態并且溫度還繼續上升時，通過控制電子風扇的轉速來控制冷卻液溫度。

圖6 電子節溫器和電子風扇聯合控制策略邏輯圖

3.3 基于聯合控制策略的一維仿真模型建立

基于上述聯合控制策略，在GT-COOL軟件中對電子風扇和電子水泵進行重新建模。圖7示出改進后的電子風扇模型，電子風扇轉速的控制量由PID控制器進行調節。圖8示出電子節溫器球閥仿真模型，電子節溫器中對流量的調節使用GT-COOL軟件中的球閥模型來等效替代原模型中的閥門。用改進后的電子風扇和電子水泵代替原仿真系統中的相關部件，則可建立新的冷卻系統一維仿真模型。

圖7 改進后的電子風扇仿真模型

圖8 電子節溫器球閥仿真模型

4 聯合控制策略對冷卻系統的影響

電子風扇在運轉的過程中損耗的能量很大，需要研究聯合控制策略的運用能否優化風扇的工作時間，進而節省風扇的耗功。本研究在聯合控制策略中引入了電子風扇轉速脈譜圖，需要研究其能否提高風扇轉速和冷卻液溫度的控制精度和響應速度。

4.1 控制策略對風扇耗功的影響

利用改進后的模型對各工況下電子風扇轉速進行仿真計算，包括6種轉速(1 500，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000 r/min)、4種負荷率(25%，50%，75%，100%)共24種工況。仿真計算結果見表8，其中，風扇轉速1和風扇轉速2分別代表優化前和優化后的風扇轉速。

表8 優化前后仿真結果對比

從表8中可以看出，聯合控制策略下，只有序號5和序號6兩種工況下優化后的風扇的耗功大于原機風扇耗功，這是因為在高轉速、高負荷的工況下，為了使冷卻液溫度維持在目標值附近(原機在該工況下發動機出口冷卻液溫度要高于后制定的冷卻液目標溫度95 ℃)，在電子節溫器全開的狀況下只能采取增加風扇轉速的方法來增大散熱量。其他工況下電子風扇的轉速都低于或等于原機風扇的轉速，也就是說相對于95 ℃為發動機冷卻液目標溫度，原機大多數時間運行在過冷狀態中，這一過冷狀態將會對發動機燃油消耗率以及排放產生一定程度的負面影響。綜上分析，通過聯合控制策略，可以有效地降低風扇功耗，達到節能減排的目標。

4.2 風扇轉速脈譜圖對控制策略的影響

本研究引入了風扇轉速脈譜圖來制定電子風扇和電子節溫器的聯合控制策略，基于改進后的仿真模型，分別在有/無風扇轉速脈譜圖的情況下進行仿真計算。發動機在3 000 r/min，50%負荷工況下的計算結果見圖9和圖10。

圖9示出風扇脈譜圖對風扇轉速的影響。由圖9可以看出，當冷卻液溫度達到目標值后，由于脈譜圖的存在，風扇的轉速直接跳到了預置轉速附近，然后由PID控制器進一步調節，直到冷卻液溫度穩定在目標值附近。而單獨采用PID控制的風扇，其轉速的上升需要一個過程，冷卻液溫度的調節時間更長，波動也更大。

圖9 風扇脈譜圖對風扇轉速的影響

圖10示出風扇脈譜圖對發動機冷卻液溫度的影響。由圖10可見，當控制策略加入脈譜圖后，冷卻液溫度超過目標值后可在97 s左右回到目標值，且溫度波動較小，僅為5.2 ℃；當控制策略不加入脈譜圖時，冷卻液溫度超過目標值后則在173 s左右回到目標值，且溫度波動較大，達到14.5 ℃。由以上分析可知，風扇轉速脈譜圖的存在使得冷卻系統對冷卻液溫度的控制精度更高，響應更快。發動機在3 000 r/min，50%負荷工況下工作時，增加電子風扇轉速脈譜圖后，冷卻液溫度波動降低了9.3 ℃，溫度調整時間減少了76 s。

圖10 風扇脈譜圖對冷卻液溫度的影響

綜上所述，電子風扇與電子節溫器聯合控制策略能夠在發動機低速低負荷工況下，單獨依靠電子節溫器對冷卻液流量進行合理控制，達到調節冷卻液溫度的任務。而在高速高負荷下，通過電子節溫器和電子風扇的聯合控制，以及風扇轉速脈譜圖的使用，使得該智能冷卻系能夠迅速響應，并有效控制冷卻液溫度。

5 結論

a) 根據風扇和散熱器的性能試驗，得到電子風扇在發動機全工況下的理論轉速脈譜圖，這可以為電子風扇控制策略的制定提供依據；

b) 根據發動機實際運行過程的需求及冷卻液溫度對油耗的影響，將冷卻液目標溫度定為95 ℃；

c) 對24種工況下的聯合控制策略研究表明，聯合控制策略可以精確控制風扇轉速，降低風扇功耗；

d) 風扇轉速脈譜圖的引入使得風扇轉速能夠迅速達到工作點附近，減少了冷卻液溫度的波動和調節時間。