重型商用車電控硅油風扇控制策略優化研究

畢道坤，劉威亞，陸增俊，唐榮江，粘權鑫

(1.東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西 柳州 545000；2.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541000)

近年來我國物流業快速發展，商用車運輸市場不斷擴大，客戶對運輸車輛燃油經濟性的要求也日益提高，同時國家出臺相關法規，對商用車的排放標準也進行了越來越嚴格的規定[1]。為了滿足這些要求，汽車制造商一直在尋求各種方法減少排放并提高燃油效率。其中重要的方法之一是改進發動機冷卻系統，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[2-3]。

目前，發動機冷卻風扇的驅動方式主要采用了以下幾種方式：機械式、液壓式、磁/電流變離合器式和電控硅油離合器式[4]。其中電控硅油離合器在大型卡車(例如重型商用車)中應用最為廣泛[5]，它主要由主動軸、線圈、工作腔、儲油腔等組成[6]，并由發動機直接提供動力[7]，其可以達到精確、迅速的調節控制[8]，因此具有降低發動機損耗和排放、減小噪聲等優點。張波濤等[9]研究了多種風扇對車輛燃油經濟性的影響，結果表明，電控硅油風扇具有明顯的節油性能。要長東[10]通過采用電控硅油離合器，實現了風扇轉速隨發動機冷卻水溫度不同而變化的無級控制策略，減少發動機低溫時冷卻系統徒勞的燃油消耗，同時提高發動機的水溫節約燃油。

但是以上傳統硅油風扇離合器在控制策略上仍存在一些缺點，導致風扇占用了較多的發動機動力，增加了油耗。如：發動機水溫達到風扇離合器開啟的條件時，風扇則全速運轉，冷卻系統的冷卻性能瞬間提升，水溫下降幅度較大，導致發動機運行過程中水溫波動較大，無法實現發動機水溫的精確控制。原始空調控制方式為ON-OFF模式，若空調處于開啟狀態，則風扇一直保持全速運轉，未考慮空調的實際工作狀態，且未考慮與發動機水溫等因素的協同作用。

針對以上問題，提出一種發動機水溫與空調工作狀態對風扇轉速協同控制的策略。在保證發動機散熱的同時達到降低風扇功耗，減少燃油消耗的目的。

1 電控硅油風扇協同控制策略優化

1.1 風扇目標轉速控制及影響因素

1.1.1 控制原理

重型商用車風扇控制一般采用PID控制[11]，PID控制是基于對偏差“過去”、“現在”和“未來”信息估計的一種線性控制算法[12]。常見模擬PID控制的輸出u(t)是系統誤差分別經過各個環節處理后線性結合的關系，表達式如下：

(1)

式中：kp為比例增益；e(t)為系統誤差；Ti為積分時間；Td為微分時間。

其傳遞函數形式通常為

(2)

在數字控制系統中，通常采用增量式PID控制算法。這時，控制器的輸出與輸入之間的關系如式(3)所示。

(3)

式中：Kp、Ti、Td分別為比例系數、積分時間常數和微分時間常數；T為采樣周期；k為采樣序號，k=0，1，2，…；u(kT)為第k次采樣輸出值，e(kT)為第k次采樣輸出偏差值，e(kT-T)為第k-1次采樣輸出偏差值。

在重型商用車風扇控制系統中輸入量主要有發動機水溫、空調開關、緩速器油溫、散熱器溫度等。各變量進入到PID系統中，經過各個環節最終獲得輸出量，由此對風扇進行控制。

1.1.2 風扇目標轉速影響因素

本研究主要考慮發動機水溫和空調對風扇轉速的影響。發動機水溫對發動機各方面都具有較大的影響，如發動機壽命、可靠性以及燃油消耗等。所以，適宜的冷卻水溫不僅有利于發動機動力性能的提高，而且可提高經濟性。以往水溫對發動機的影響是，當水溫較高時風扇就全速運轉。這種模式的控制策略顯然增加了不必要的做功，進而增加了油耗。

將電控硅油風扇離合器的控制策略更改為90～98 ℃的無級調速閉環控制，一方面提高風扇初開、全速運轉的溫度，另一方面閉環的無級調速控制可使水溫穩定運行在設定溫度。

發動機水溫和風扇轉速關系的一般原則是：低水溫對應低風扇轉速，高水溫對應高風扇轉速。根據以往試驗結果及經驗設定初值，再在樣車上進行驗證和調整。最終獲得樣車的發動機水溫與風扇轉速的關系，如表1所示。

表1 發動機水溫與風扇目標轉速關系

空調對風扇的影響也是不可忽視的一部分[13]，傳統對空調的判斷僅為是否開啟，未開啟對風扇沒有影響，開啟后風扇全速運行，并未考慮空調實際的工作狀態，未能做到對空調影響因素更細致的劃分。

已知空調系統工作時，空調壓縮機將低壓的氣態制冷劑由低壓區抽取并壓縮為高壓氣態制冷劑后，送至空調冷凝器進行散熱。經過散熱后，制冷劑冷卻變為液態，且壓力進一步升高，呈現為高壓液態。空調制冷負荷越高，制冷劑壓力越高，所需求的散熱量也越高。整車風扇轉速直接導致冷凝器處空氣的流量變化，即影響了冷凝器的換熱量。如無法滿足散熱需求，則會導致制冷劑壓力過高，進而導致系統異常和損壞。

現考慮空調制冷劑壓力，根據冷凝器臺架試驗和實車試驗，設定制冷劑壓力與風扇目標轉速的對應關系，如表2所示。

表2 空調制冷劑壓力與風扇目標轉速關系

1.2 風扇協同控制策略

本研究中，對電控硅油風扇轉速的控制采用閉環PID控制，依據式(1)進行計算，其中u(t)為控制器輸出，即t時刻PID控制器對風扇目標轉速控制的修正量。e(t)為控制器輸入，即t時刻的風扇目標轉速與t時刻的風扇實際轉速的偏差，如式(4)所示。

e(t)=Vcal(t)-Vact(t)。

(4)

式中：Vcal(t)為t時刻風扇目標轉速；Vact(t)為t時刻的風扇實際轉速，由傳感器讀取。

最后，再依據式(5)得出風扇要達到的轉速：

(5)

圖1 電控硅油風扇控制原理

表3 風扇控制占空比PWM設定 %

比例控制將加快系統的響應速度，但過大的比例系數會導致系統產生超調，并產生振蕩，甚至使系統不穩；而比例系數太小，會導致調節動作遲緩。積分調節作用為消除系統的穩態誤差[14]，因為只要有誤差，積分調節就會起作用，直至無誤差后積分調節停止，積分調節部分輸出一常值。微分調節能預測誤差變化的趨勢，產生朝前的控制作用，避免被控量的嚴重超調，改善系統在調解過程中的動態特性。研究中通過對比例系數、積分時間常數、微分時間常數進行調整，觀察PID控制器對風扇轉速的控制效果，不斷優化控制參數，達到對風扇轉速的快速、穩定控制。

1.3 電控硅油風扇相應標定

在進行實車試驗之前，為驗證PID控制器系數的合理性，須要進行標定。利用標定軟件(CANape)對空調制冷劑壓力、發動機水溫、發動機轉速、風扇目標轉速等參數進行手動輸入數值的超越控制，對風扇的受控情況進行監控和記錄。

圖2示出手動發送風扇目標轉速1 300 r/min時，風扇實際轉速的變化過程。曲線表明，風扇轉速能快速變化至目標轉速，并保持在目標轉速±80 r/min的范圍內。說明PID控制器的系數設定合理，能使風扇保持平穩運轉。

圖2 風扇轉速變化曲線

通過超越控制發動機轉速和水溫，進行風扇控制動態標定和驗證。通過風扇的轉速變化曲線可知，風扇在7.5 s左右的時間可以達到目標控制轉速，并穩定在風扇目標轉速。

2 油耗試驗

試驗采用同一臺車，以同樣的速度行駛相同的路段，第一次行駛樣車不做任何改動，第二次行駛采用改進的風扇控制策略。觀察兩次行駛在相同工況下的油耗情況，樣車參數及試驗條件如表4所示。兩次行駛僅風扇控制策略不同，其他均相同。由于油耗試驗時間較長，無法保證樣車兩次行駛過程中天氣溫度、風速等自然條件相同，導致行駛路況有差異。所以引入一臺控制車，跟隨樣車進行行駛，然后依據下式在油耗計算時消除因自然條件導致的誤差。

(6)

表4 樣車試驗參數

式中：x1為原樣車在路況1行駛下的油耗；x2為改進樣車在路況2行駛下的油耗；y1為控制樣車在路況1行駛下的油耗；y2為控制樣車在路況2行駛下的油耗。

在車輛行駛過程中采用控制器記錄發動機水溫、風扇轉速、風扇全開信號等，如圖3至圖6所示。

圖3 風扇轉速與發動機水溫時序圖

從圖4可以看出，改進風扇轉速控制策略后，風扇全開的時間大大降低，風扇的平均轉速也大大降低，且控制更加穩定。改進前，風扇受空調系統運行情況影響較大，在發動機水溫較低的情況下頻繁達到全開狀態。改進后，風扇運行狀態基本與發動機水溫趨勢一致，全開狀態大大降低，且可以滿足空調系統的冷卻需求。

圖4 空調制冷劑壓力狀態

圖5示出在控制策略改進后，由于協同控制策略限制了盲目提高風扇轉速，使得發動機水溫有所升高，但水溫仍保持在發動機工作的適宜溫度。

圖5 發動機水溫分布圖

從圖6可以看出，協同控制策略相比改進前，風扇轉速在低轉速區間(0～400 r/min)提高了75%，在高轉速區間(1 200～1 800 r/min)降低了30.3%。這是由于對空調的無級調速以及水溫因素影響的優化減少了風扇全速運行的時間，使得控制策略改進后風扇低轉速占比較大。

圖6 風扇轉速分布圖

試驗結果如表5所示。樣車在改進前后試驗中維持在近乎相同的車速。采用改進后的控制策略，風扇平均轉速僅為改進前原車方案的30%左右。依據式(6)計算油耗，油耗節約了3.2%。證實了改進策略在保證發動機正常工作的前提下，對節約燃油的有效性。

表5 試驗結果

3 結束語

本研究針對發動機冷卻系統中電控硅油風扇離合器控制策略進行了兩點改進，并利用PID算法將二者進行協同控制。一是，將發動機水溫對風扇的控制改為了90～98 ℃的無級調速閉環控制，重新制定了冷卻水溫與風扇目標轉速的匹配，在發動機正常工作的情況下降低了風扇轉速。二是，將空調工作狀態作為影響風扇目標轉速的因素之一，不同的制冷劑壓力對應不同的風扇目標轉速。

經實車對比試驗，驗證了改進風扇控制策略的有效性。與原始策略相比，在控制平均水溫近似相同的情況下，改進后的策略較大地降低了風扇的平均轉速，油耗可節省3%左右。