汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统研制

彭菊生，潘法宝（.湖州职业技术学院机电与汽车工程学院，浙江 湖州　33000；.湖州全程车品汽车销售有限公司，浙江 湖州　33000）



汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统研制

彭菊生1，潘法宝2
（1.湖州职业技术学院机电与汽车工程学院，浙江 湖州313000；2.湖州全程车品汽车销售有限公司，浙江 湖州313000）

摘要：探讨电动冷却风扇的控制需求和策略，通过采用分体式控制，开发出汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统，并通过发动机热平衡测试、燃油经济性测试以及实际车内噪声测试，证明采用的方法和开发的系统是有效可行。

关键词：电动冷却风扇；智能控制；风扇控制器

发动机工作温度过高或者过低，不但会使燃料消耗量增加，也会导致发动机磨损增加，使用寿命受到影响，所以发动机只有在合适的温度范围工作才能发挥最大效能。要让发动机运转在合适的温度范围，必须对冷却系统的风扇进行控制，而电动冷却风扇的控制最重要的是控制风扇电机。如何生产出高效节能的汽车发动机电动冷却风扇，己成为汽车企业技术攻关的当务之急，而生产出高效节能的汽车发动机电动冷却风扇关键在冷却风扇控制系统上。本文对汽车发动机电动冷却风扇智能控制技术进行研究分析。

1　电动冷却风扇的控制需求和控制策略

以前汽车发动机冷却系统风扇由发动机直接驱动［1］，发动机转速决定了冷却强度，风扇转速不能根据冷却液温度进行自动调节，使得发动机温度无法控制在最佳温度范围内，对发动机的工作影响非常大，这种刚性连接的冷却风扇所需要的功率占发动机功率的3％～ 5％，小功率发动机甚至超过10％，导致燃油消耗非常惊人。刚性连接的风扇直接受发动机转速的影响，通常设计散热能力以发动机最大热负荷为参照标准，但实际运行，发动机低速运转时，冷却系温度被强制散热，造成发动机温度过低，冬季发动机升温困难的现象。在现代汽车上，发动机冷却系统普遍采用了电动冷却风扇，冷却风扇的转速能根据冷却液的温度自动调节，从而将冷却液温度控制在汽车发动机工作的最佳范围。电动冷却风扇的高速低速运转方式有很多种，有的采用电阻降压方式获得低速，有的采用电子占空比调速方式获得低速，有的采用两个电子扇串联方式获得低速，高速则在电机两端直接加上蓄电池电压。

本文采用目标液温控制策略［1］，目标温度由发动机负荷和发动机转速计算得出，研究表明发动机负荷与水温必须一致，合适的水温能提高发动机性能。部分负荷时温度高一些 （95～105℃），有利于发动机提高性能、降低油耗和降低有害物质排放；全负荷时温度低一些 （85～95℃）。由于进气加热作用小，能增加动力输出，利于提高功率。而车速越低和外界温度越高其设置的目标水温就要适当降低2～5℃。冷却风扇转速控制的目的是使实际水温更接近目标水温。

2　电动风扇的控制单元硬件设计

本系统采用分体式控制，即指脱离发动机，由外部的电子控制模块来完成驱动风扇，以达到冷却系统使发动机适度冷却的目的，这个外部的电子控制模块就是汽车电动冷却风扇控制器［2］。电动冷却风扇控制

器可以解决以下问题：①熔断丝盒烧坏了不用换；②发动机线路烧坏了不用换；③风扇线束烧坏了还是不用换；④降低风扇启动温度；⑤减少了线路接插件，使线路电力损耗降低，恢复风扇正常转速，提升空调制冷效果。

本系统风扇采用直流电机驱动，具有良好的起动性以及耐久性。控制策略上采用以目标水温度和空调压力为主导的冷却风扇，能够实现风扇的多极控制，包括低速与高速，相当于家用电风扇的快慢挡。风扇电机采用微机控制。使得硬件电路比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，易于通用化，维修相对容易，成本也较低。主要的硬件包括：冷却液温度传感器、空调压力传感器和风扇控制器等。系统连接原理图如图1所示。

图1　系统连接原理图

3　电控冷却风扇的系统软件设计

本系统的软件设计将基于Microchip公司 （美国微芯科技公司）的PIC16F716控制芯片，本系统风扇电机的转速控制电压信号由两路命令通道给出，可以使冷却风扇得到最直接的冷却信息，实现对汽车发动机及时且可靠的冷却。两路命令通道分别是水温与空调压力。在发动机上安装有水温传感器，它把感受到的温度传输给汽车电动冷却风扇控制器，控制器得到传感器的温度报告，当温度达到设定值时，如温度达到108℃ECU就会打开低速，温度达到115℃打开高速。不管是打开了高速还是低速，都要等温度降低到90℃，ECU才会关闭风扇。当空调打开，压缩机开始工作，空调管道压力开始升高，空调压力传感器把压力报告给汽车电动冷却风扇控制器，压力达到设定值时，如压力达到1 MPa以上时，ECU打开低速，压力达到1.4 MPa以上，ECU打开高速。这两个通道的信号先到先得的原则，谁的通道满足开启要求，风扇即刻工作。

4　电控冷却风扇系统的测试

为了验证上述设计的可行性，以及控制策略的合理性，我们开发了这套电控冷却风扇系统 （图2），在发动机热平衡试验系统上进行了发动机热平衡试验，然后装在别克君威车上测试了燃油经济性和车内噪声［3］。

图2　电控冷却风扇系统

4.1发动机热平衡测试

本系统在发动机热平衡试验系统上进行了稳态工况热平衡试验。稳态工况发动机热平衡试验是在发动机性能试验中，保持发动机工况稳定，当发动机冷却系统、润滑系统、进排气系统温度达到稳定时，测量各系统热量分配情况［4］。主要测试了本系统进水和出水处的温度，进水温度最高到93.7℃，出水温度最高到101.8℃，满足设计指标要求。

4.2燃油经济性测试

将该系统装在别克君威2.0上测试燃油经济性，在一般道路上没装该系统时的油耗是10.8 L／100 km，装了一个月以后，测得的实际平均油耗是10.5L／100km，综合油耗降低0.3L／100km。

4.3车内噪声测试

别克君威2.0在装该系统之后，在一条平直无车的公路上用数字声级计HS5633B测试，如图3所示，测得改装冷却系统前后车内噪声如图4所示，车内噪声值低约0.2～0.8dB（A）。

图3　车内噪声测试

5　结论

通过本系统的研究，可得如下结论：①研究表明发动机负荷与水温必须一致，合适的水温能提高发动机性能，所以本系统采用目标液温控制策略，目标温度由发动机负荷和发动机转速计算得出。②综合运用风扇智能控制理论与方法进行了电动风扇控制单元硬件和软件设计，并成功开发出汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统。这套系统采用分体式控制，使得维修简单，性能可靠，表明该设计方案的实用性。③不但将汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统装在发动机热平衡试验系统上进行了发动机热平衡试验，而且装在别克君威车上测试了燃油经济性和车内噪声，测试结果显示该系统能够保证发动机热平衡，并且经济性和NVH性能尤为突出。充分表明采用的方法和开发的系统是有效可行的，研究工作是成功的。

图4　别克君威2.0车内噪声测试改装冷却系统前后比较

参考文献：

［1］郭新民，邢娟，袁燕利，等．汽车发动机电动冷却风扇控制系统的研究［J］．汽车电器，1996（5）：13-14．

［2］刘阳．以目标水温为主导的冷却风扇控制策略［J］．汽车维修，2009（12）：20-22．

［3］朱鹏．新型汽车发动机冷却风扇智能控制系统的设计［D］．上海大学．2008．

［4］韩晓峰，张士路，翁锐，等．车用PWM冷却风扇控制策略试验研究［J］．内燃机与动力装置，2014，31（6）：8-9．

［5］俞小莉，李婷．发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势［J］．车用发动机，2005，159（5）：1-5．

（编辑心翔）

中图分类号：U463.851

文献标识码：A

文章编号：1003－8639（2016）05－0067－03

收稿日期：2015-12-22；修回日期：2016-01-11

基金项目：2014年高等学校访问工程师校企合作项目 （FG2014102）资助。

作者简介：彭菊生 （1983－），男，江西吉安人，硕士，研究方向为车辆先进制造技术，邮箱：40803857@qq.com。

Development of Intelligent Control System of Automobile Engine Electric Cooling Fan

PENG Ju-sheng1，PAN Fa-bao2
（1.School of mechanical and electrical engineering，Huzhou Vocational and Technical College，Huzhou 313000，China；2.Huzhou Quancheng Automotive Supplies Company，Huzhou 313000，China）

Abstract：This paper discusses the controlling demand and strategies of the electric cooling fan.The intelligent control system of engine electric cooling fan is developed based on separate control.Through the engine thermal balance test，fuel economic efficiency test and actual interior noisy test，the system and method it takes are applicable.

Key words：electric cooling fan；intelligent control；fan controller