汽車發(fā)動機電動冷卻風扇智能控制系統(tǒng)設計*

余海洋，曹志良，劉紹波

（重慶工商職業(yè)學院汽車工程學院，重慶401520）

汽車發(fā)動機電動冷卻風扇智能控制系統(tǒng)設計*

余海洋，曹志良，劉紹波*

（重慶工商職業(yè)學院汽車工程學院，重慶401520）

針對汽車發(fā)動機風扇冷卻存在的問題，基于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的工作原理，探討了電動冷卻風扇的控制需求和策略，設計了冷卻風扇智能控制系統(tǒng)。建立了AMEsim仿真模型，仿真分析了不同工況下發(fā)動機冷卻液的溫度變化，電動機轉(zhuǎn)速在2 000 r/min、2 500 r/min、2 800 r/min時，發(fā)動機出口冷卻液溫度分別為80℃、82℃和85℃。設計了控制系統(tǒng)測試實驗，在進水溫度最高93.7℃條件下，出水最高溫度101.8℃，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠保證發(fā)動機熱平衡，控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定的控制效果。關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；電動冷卻風扇；AMEsim仿真；智能控制系統(tǒng)

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們對于汽車性能的要求也越來越高，而作為汽車核心結(jié)構(gòu)的發(fā)動機部分，其性能好壞直接影響汽車的穩(wěn)定性和動力性。汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性有很大影響。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率的不斷提高，對冷卻系統(tǒng)的要求越來越高［1］，汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)包括水循環(huán)冷卻和電動風扇冷卻，本文主要針對電動風扇冷卻進行研究。

近年來，美國、德國、日本及瑞典等汽車發(fā)達國家開始對發(fā)動機冷卻風扇溫控系統(tǒng)展開研究，國內(nèi)學者也逐漸重視該方面的研究，哈爾濱工業(yè)大學進行過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的智能控制研究，提出了在汽車上采用電機無級變速控制冷卻風扇的冷卻控制系統(tǒng)；青島大學也研制出了一種發(fā)動機風扇溫度控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)。但該方面的研究還存在一定問題，脫離發(fā)動機的獨立電動風扇控制系統(tǒng)還不成熟。結(jié)合已有的研究成果，基于改變散熱器的空氣量來控制冷卻效果的電動風扇冷卻原理，設計了汽車發(fā)動機電動冷卻風扇智能控制系統(tǒng)，采用先進的電子控制技術(shù)，通過NTC溫度傳感器采集發(fā)動機冷卻介質(zhì)的溫度值，溫度信號反饋給控制系統(tǒng)后，經(jīng)過控制算法的計算和處理控制風扇的轉(zhuǎn)速值，通過微處理器來控制直流電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)發(fā)動機電動冷卻風扇的實時控制［2］。

1 風扇冷卻系統(tǒng)的控制策略

發(fā)動機冷卻風扇的控制主要是對冷卻風量的實時調(diào)節(jié)，冷卻風扇的轉(zhuǎn)速與進風量成正比關(guān)系，而風量與風速又成正比關(guān)系［3-4］。在汽車發(fā)動機穩(wěn)定運行的條件下，散熱風扇提供的風速與單位時間的散熱量成正比，而散熱量又與冷卻液的溫度差成正比。基于此散熱原理，設計了智能控制系統(tǒng)的控制策略（圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)的控制原理圖

汽車駕駛?cè)烁鶕?jù)需求和實際情況對控制系統(tǒng)設置一個溫度值，在汽車發(fā)動機工作的情況下，NTC溫度傳感器會檢測實際溫度與設定值誤差并提供反饋，反饋信號及時反饋到PID溫度控制器中，控制器以消除二者間的偏差為目的，經(jīng)過控制算法的計算，提供冷卻風扇轉(zhuǎn)速控制風扇的電動機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整被控參數(shù)，使其始終向著設定值的方向變化。

由于采用了NTC溫度傳感器來實時監(jiān)測水溫的變化，并將檢測值反饋到控制器實時比較，使設定溫度與實際水溫能夠緊密地聯(lián)系在一起，因此本系統(tǒng)構(gòu)成的是帶有負反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)模型及仿真

根據(jù)汽車發(fā)動機冷卻風扇控制系統(tǒng)的工作原理［5-6］，基于AMEsim多領(lǐng)域建模與仿真軟件，建立該控制系統(tǒng)的仿真模型，參照汽車發(fā)動機的實際參數(shù)，仿真分析不同工況下冷卻風扇控制系統(tǒng)的冷卻效果，仿真模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動機冷卻風扇控制系統(tǒng)仿真模型

2.1 穩(wěn)定工況下的仿真分析

控制系統(tǒng)的設定溫度值為20℃，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，汽車的行駛速度為45 km/h，路況為平坦的公路，仿真分析發(fā)動機不同出口位置冷卻液的溫度變化，如圖3所示。

圖3 發(fā)動機和散熱器出口處冷卻液溫度變化曲線

由圖3可知，發(fā)動機出口的溫度在0～80 s時呈線性增長的趨勢，隨后出現(xiàn)60 s左右的波動，最后溫度趨于穩(wěn)定；散熱器的出口溫度在0～80 s時溫度沒有變化，這是由于這段時間發(fā)動機冷卻系統(tǒng)處于小循環(huán)階段，散熱器還沒有發(fā)揮作用，在80 s～120 s內(nèi)，系統(tǒng)開始進入大循環(huán)階段，散熱器開始發(fā)揮作用，此時在冷卻風扇的調(diào)節(jié)下，系統(tǒng)溫度最后趨于穩(wěn)定。

2.2 不同工況下的仿真分析

控制系統(tǒng)的設定溫度值為20℃，汽車的行駛速度為45 km/h，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速分別設定為2 000 r/min、2 500 r/min、2 800 r/min。經(jīng)過仿真分析，可以得到發(fā)動機冷卻液出口處的溫度，如圖4～圖6所示。

圖4 轉(zhuǎn)速在2 000 r/min時發(fā)動機出口處冷卻液溫度

圖5 轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時發(fā)動機出口處冷卻液溫度

圖6 轉(zhuǎn)速在2 800 r/min時發(fā)動機出口處冷卻液溫度

由圖4～圖6可知，汽車發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機出口處冷卻液溫度基本趨勢一致，但峰值和曲線變化率有所不同，轉(zhuǎn)速越高，曲線的變化率越大，并且最后溫度的穩(wěn)定值也越高。驗證了控制策略的控制原理，同時仿真結(jié)果也表明，該控制策略的控制效果比較好。

3 控制系統(tǒng)的軟硬件設計

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設計

如圖7所示，本系統(tǒng)采用分體式控制，即指脫離了發(fā)動機，由外部的電子控制模塊來完成驅(qū)動風扇，以達到冷卻系統(tǒng)使發(fā)動機適度冷卻的目的［7］，這個外部的電子控制模塊就是汽車電動冷卻風扇控制器［2］。電動冷卻風扇控制器可以解決以下問題：保險盒燒壞了不用換；發(fā)動機線路燒壞了不用換；風扇線束燒壞了也不用換；降低風扇啟動溫度；減少了線路接插件，使線路電力損耗降低，恢復風扇正常轉(zhuǎn)速，提升空調(diào)制冷效果。

圖7 硬件設計原理圖

本系統(tǒng)風扇采用直流電機驅(qū)動，具有良好的起動性以及耐久性。系統(tǒng)組成包括輸入模塊、輸出模塊以及通訊總線等，其中輸入模塊包括溫度信號采樣電路、風扇電源電壓采樣電路、輸入PWM信號采樣電路、控制系統(tǒng)供電電源電路、時鐘輸入電路、兩個風扇電機的負載采樣電路；輸出模塊包括：兩個風扇電機的PWM驅(qū)動電路和故障信息傳遞電路［8］。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計將基于Microchip公司的PICl6F716控制芯片，本系統(tǒng)風扇電機的轉(zhuǎn)速控制電壓信號有兩路命令通道給出，可以使得冷卻風扇得到最直接的冷卻信息，實現(xiàn)對汽車發(fā)動機及時且可靠的冷卻，系統(tǒng)連接原理圖如圖8所示。已知發(fā)動機冷卻液溫度在70℃～95℃范圍內(nèi)為最佳［9］，不同工況下，根據(jù)冷卻液溫度的改變，控制不同的執(zhí)行部件，控制冷卻液溫度在合理范圍，控制邏輯如下：

（1）水溫低于70℃時，冷卻風扇關(guān)閉，導風板關(guān)閉，節(jié)溫器打開；

（2）水溫在70℃～80℃時，冷卻風扇關(guān)閉，導風板關(guān)閉，節(jié)溫器關(guān)閉；

（3）水溫在80℃～95℃時，冷卻風扇關(guān)閉，導風板打開，節(jié)溫器關(guān)閉；

（4）水溫高于95℃時，冷卻風扇打開，導風板打開，節(jié)溫器關(guān)閉。

圖8 軟件系統(tǒng)原理圖

4 控制系統(tǒng)的測試實驗

為了驗證上述設計的可行性，以及控制策略的合理性，我們開發(fā)了這套電控冷卻風扇系統(tǒng)，在發(fā)動機熱平衡試驗系統(tǒng)上進行了發(fā)動機熱平衡試驗，然后裝在某車型車上測試了燃油經(jīng)濟性和車內(nèi)噪聲［10］。發(fā)動機工作溫度過高或者過低不但會使燃料消耗量增加，也會導致發(fā)動機磨損增加，使用壽命受到影響，所以試驗汽車發(fā)動機的燃油性也是檢驗冷卻風扇智能控制的一個方面。

4.1 發(fā)動機熱平衡測試

本文在發(fā)動機熱平衡試驗系統(tǒng)上進行了穩(wěn)態(tài)工況熱平衡試驗，穩(wěn)態(tài)工況發(fā)動機熱平衡試驗是在發(fā)動機性能試驗中，保持發(fā)動機工況穩(wěn)定，當發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)溫度達到穩(wěn)定時，測量各系統(tǒng)熱量分配情況［11］，我們主要測試了進水和出水處的溫度，進水溫度最高到93.7℃，出水溫度最高到101.8℃，滿足設計指標要求。

4.2 燃油經(jīng)濟性測試

本文將該系統(tǒng)裝在某車型車上測試了燃油經(jīng)濟性，在一般道路上沒裝該系統(tǒng)時的油耗是10.8 L/100 km，裝了一個月以后，測得的平均油耗是10.5 L/100 km，綜合油耗要低0.3 L/100 km。

5 結(jié)論

（1）基于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的原理，設計了電動風扇冷卻智能控制系統(tǒng)，包括硬件和軟件部分，建立了發(fā)動機風扇冷卻系統(tǒng)的仿真模型，得出發(fā)動機冷卻液與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

（2）本文不但將汽車發(fā)動機電動冷卻風扇智能控制系統(tǒng)裝在發(fā)動機熱平衡試驗系統(tǒng)上進行了發(fā)動機熱平衡試驗，而且裝在別克君威車上測試了燃油經(jīng)濟性，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠保證發(fā)動機熱平衡。

［1］朱鵬.新型汽車發(fā)動機冷卻風扇智能控制系統(tǒng)的設計［M］.上海：上海大學，2008.

［2］Matteo L.I3.I.New and Adv Anted Cooling System Concept for Small Cars.Vehicle Thermal Management Systems，VTMS 6，20x3，P685-694.

［3］劉陽.以目標水溫為主導的冷卻風扇控制策略［J］.汽車維修，2009（12）：20-21.

［4］張士路，翁銳，趙強.車用PWM冷卻風扇控制策略試驗研究［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2014（6）：8-9.

［5］王忠良.電子控制冷卻風扇［J］.汽車電器，2011（5）：27-30.

［6］雷良玉，周曉軍.基于虛擬樣機技術(shù)的汽車平順性仿真分析［J］.傳感器技術(shù)學報，2006，19（6）：89-93.

［7］干海群.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配設計及動態(tài)特性仿真［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學，2007.

［8］王新源，高平，郭新民，等.汽車發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)的研究［J］.內(nèi)燃機工程，2001，22（1）：15-16.

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［10］黃暉，馬翠英.發(fā)動機冷卻風扇容積效率計算方法的研究［J］.農(nóng)機化研究，2006（6）：217-220.

［11］俞小莉，李婷.發(fā)動機熱平衡仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.車用發(fā)動機，2005，159（5）：1-5.

余海洋（1981-），男，湖北隨州，漢，大學本科，講師，工程師，研究方向為汽車發(fā)動機電子控制技術(shù)；

曹志良（1976-），男，四川內(nèi)江，漢，碩士，副教授，研究方向為汽車發(fā)動機電子控制技術(shù)；

劉紹波（1976-），男，重慶大足，漢，博士，教授，研究方向為汽車發(fā)動機電子控制技術(shù)，jiaoyouef@163.com。

Design of Intelligent Control System for Electric Cooling Fan of Automobile Engine*

YU Haiyang，CAO Zhiliant，LIU Shaobo*
（Career Academy，Chongqing，Chongqing 401520，China）

Aiming at the problem of fan cooling in automobile engine，based on the working principle of engine cool?ing system，the control requirement and strategy of the electric cooling fan is discussed.The intelligent control sys?tem of cooling fan and the hardware and software of the control unit of the electric fan are designed.AMEsim simula?tion model is established.The temperature change of engine coolant under different working conditions is simulated and analyzed.When at the motor speeds 2 000 r/min，2 500 r/min，2 800 r/min，the cooling liquid temperatures of the engine outlet are 80°，82°and 85°respectively by the designed control system，test experiment is made under the input maximum temperature of 93.7°，the output maximum water temperature is 101.8℃.The test results show that the system can ensure the engine thermal balance，control system has a stable control effect.

automobile engine；AMEsim simulation；intelligent control system

U464.138

A

1005-9490（2016）06-1512-04

8520B

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.044

項目來源：2014年重慶教育委員會科研課題項目（KJ1403806）

2015-12-14 修改日期：2016-02-20