PWM风扇控制策略验证方法研究

黄冠鑫，李康勇

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院试验认证部整车台架科，广东 广州 511434）

前言

冷却风扇是整车冷却系统的重要组成部分，是保证发动机、动力电池、驱动电机、电机控制器等关键总成在最适温度下运转的必备工具。随着动力技术的发展，各动力总成对工作环境的控制要求越来越精细，而机械式、皮带式散热风扇的控制逻辑比较简单，已经不能满足现代汽车精细复杂的控制需求，可以实现智能PWM调速的汽车电子散热风扇正在得到越来越多的运用。为了保证各单元处在良好的工作状态，PWM风扇需要通过多信号调整功率来控制温度，策略较为复杂。如何评估PWM风扇控制策略的优劣就比较重要。本文提出一种PWM风扇控制策略的验证方法，结合实车进行验证。

1 问题提出

PWM风扇关联信号较多，尤其混合动力车型，不仅有空调制冷剂压力、车速、发动机水温等信号，还有新能源车电驱动、电池、电控等三电系统温度等信号。目前各个信号相关的控制逻辑之间的关联性及其组合之后的策略是否最优无法得知，需要通过验证才能确定。为此，需要设计一种 PWM风扇控制策略的验证方法。

2 PWM风扇控制原理

2.1 PWM风扇简介

PWM为Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制法）的简称，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，通过控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期，达到变压变频及控制和消除谐波的目的一种控制技术[1]。简单的PWM控制系统框图如图1所示。

图1 PWM控制框图

PWM风扇通过调制控制器内部开关在一个周期内的导通时间来改变输出端（电机）的高频方波的占空比，其与电机两端的平均电压成正比：占空比越大，平均电压越高，电机转速越高，以此实现对冷却风扇的转速控制[2]。

2.2 控制策略

PWM风扇控制系统结构如图2所示。ECU根据当前整车各系统工作状态的信号，如空调制冷剂压力、车速、发动机水温等，查询预先标定的占空比并将其发送给PWM控制器，然后通过PWM控制器对PWM风扇进行控制，同时PWM风扇控制器将风扇工作状态信息反馈给ECU，以便ECU对风扇工作状态进行判断，一旦风扇出现故障，ECU可以采取相应的措施，避免发生其他问题。

图2 PWM风扇控制系统结构图

3 控制策略验证方法研究

3.1 试验环境条件

PWM风扇区别于传统开关控制风扇的优势在于可无极调速，可以通过冷却系统和空调系统的实时需求提供风量，达到降低能耗、延长使用寿命的效果。在极高温或极低温情况下，空调负荷较高或者较低，风扇请求的占空比一直处于较高或没有的状态，与两级开关控制风扇功能相近，无法评估PWM控制策略的优劣。环境温度、相对湿度和日照等环境条件需要按照夏季比较常见气候状况进行设定，可参考QCT 658-2009《汽车空调制冷系统性能道路试验方法》。

3.2 空调负荷

空调的负荷是PWM风扇的重要控制信号，而空调负荷受空调模式设定影响，因此空调模式设定对于策略验证方法非常重要。空调模式设定主要包括温度设定和内外气循环设定。

空调温度的设定需考虑大多数人感受最舒适的温度进行设定，以此来模拟PWM风扇在客户日常使用的性能表现情况，大部分汽车企业以25℃作为最适宜温度。

影响空调负荷另一个很重要的空调模式是内外气循环设定，图3为在平坦路各车速下内外循环PWM风扇占空比情况，因此在设计验证工况时需要对考虑车辆内外循环PWM风扇的具体表现进行分别验证。

图3 内外循环PWM风扇占空比

3.3 车速

车辆在行驶时会产生迎面风，通过散热器和冷凝器参与到发动机冷却系统和空调系统的冷却工作中。不同车速下迎面风速不一样，导致制冷剂及其他冷却介质的冷却效果也不一样，最终决定PWM风扇需求风量的大小。在确保发动机冷却系统与空调系统正常工作的前提下，为了降低风扇工作的能耗，PMW风扇会根据不同车速修正工作状态。故需要评估PWM风扇占空比在不同车速下的具体表现，图4为推荐的工况车速。

图4 推荐车速工况

3.4 道路负荷

同车速下进风量和空调制冷能力一样，但不同的动力系统负荷下发动机、动力电池产生相应的输出功率和扭矩，其发热量也随之改变，进而改变各冷却介质的热负荷，最终改变风扇占空比。改变动力系统负荷可以通过改变道路坡度实现。为了评估各道路负荷下PWM风扇占空比情况，可以设定通过车速恒定坡度连续变化工况进行验证。图5为某款车在40km/h车速不同坡度下发动机水温请求风扇占空比情况。

图5 不同负荷下发动机水温请求PWM风扇占空比情况

4 应用情况

综合上述理论及实际试验结果形成了PWM风扇控制策略验证方法，并对新能源车A和传统车B进行实车验证，见表1和表2，结果能真实反映出PWM风扇在各工况下的真实表现，并暴露出设计问题。PWM风扇策略关联多个系统，这些问题的后续优化解决需要结合各系统性能综合考虑。

表1为某款新能源混动车型PWM风扇控制策略测试结果，可以发现以下几个问题：（1）怠速空调请求风扇占空比高（90%）；（2）控制器水温和电池水温请求占空比较低（10%）；（3）高速平坦路行驶请求风扇占空比较高（42%）。

表1 某款新能源车PWM风扇策略验证试验结果

表2为某款传统车PWM风扇控制策略测试结果，可以发现以下几个问题：（1）怠速空调请求风扇占空比高（90%）；（2）高速平坦路行驶请求风扇占空比较高（25%）。

表2 某款传统车PWM风扇策略验证试验结果

5 结论

文章在了解 PWM 风扇控制原理和策略目的的基础上，研究了PWM 冷却风扇控制策略评价试验方法。通过新能源车和传统车分别实车验证，结果能真实反映出PWM风扇在各工况下的真实表现，并暴露出策略设计问题。

[1] 牟亦颉.基于PWM控制的发动机冷却风扇控制系统研究.现代制造技术与装备,2016年09期.

[2] 汪金德,高炜.汽车发动机冷却风扇控制器的综合参数测试.[M]仪表技术,2016年07期.