基于节能的重型商用车风扇精确控制策略研究

张文博，杨志刚，辛乾



基于节能的重型商用车风扇精确控制策略研究

张文博，杨志刚，辛乾

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

随着市场对车辆燃油经济性的要求不断提升，降低发动机附件功耗变得越来越重要。而风扇作为发动机主要能耗附件，优化其控制策略对降低发动机附件功耗从而降低车辆油耗有积极意义；同时对风扇的精确控制影响车辆整体冷却性能表现。

燃油经济性；风扇控制

前言

随着我国物流业的飞速发展，物流市场日趋繁荣，客户对运输车辆燃油经济性的要求也日益提高。减小发动机冷却系统耗功原件的功率损耗也越来越得到人们的重视，风扇作为冷却系统的主要耗功件，对其进行精确控制显得相当重要[1]。同时风扇的控制策略直接影响发动机的实际工作温度，从而对发动机热效率产生一定影响[2-3]。

而目前普遍配套的电控硅油离合器风扇相比电磁离合器风扇可控性更强，这就对控制策略的准确性和合理性提出更高要求。

1 相关整车性能

风扇控制策略除直接影响车辆经济性外，还影响以下整车性能，需在控制策略制订时充分考虑：

1.1 可靠性

风扇控制策略直接影响冷却系统工作可靠性，进而影响整车可靠性。

1.2 噪声水平

在进行车外噪声试验时，风扇噪声占较大比重，故风扇的设计及控制策略的制订对噪声水平有一定影响。

1.3 安全性

对于加装缓速器车型，缓速器要求冷却系统能够长时间稳定的工作，否则将会导致缓速器自我保护而降低制动力矩，从而影响整车安全性。

2 控制逻辑

电控硅油离合器冷却系统是一个典型的闭环控制系统，其主要组成见下图：

图1 电控硅油离合器风扇冷却系统简图

控制器是电控硅油离合器冷却系统的中枢，控制和协调整个系统的运行状态。控制器的基本原理是对传感器采集到的发动机水温、中冷器气温、空调制冷剂压力、缓速器开关量、发动机负荷、车速、发动机制动状态、环境温度和大气压力信号进行综合分析后，发出指令控制电控总成的线圈通断电，进而控制电控硅油离合器耦合程度并控制风扇转速。

2.1 控制逻辑说明

风扇控制主要包含风扇转速需求计算模块及控制驱动模块两大部分，分别介绍如下：

2.1.1 风扇转速需求计算模块

风扇转速需求计算需综合考虑以下因素：

（1）发动机制动

当激活发动机制动时，风扇按预先标定的转速运行，从而增加发动机制动的阻力功率。为增加制动效果，风扇转速按理论最高转速标定（即发动机额定转速×风扇速比）。

（2）发动机负荷

当发动机负载大于高负载阈值（暂定80%），且车速小于最低车速阈值（低于30km/h触发，高于35km/h退出）时，认为车辆当前运行工况苛刻，冷却系统需提供很大的散热量，此时需求风扇按最高转速工作，即将基于负载率的风扇转速设定为风扇理论最高转速（即发动机额定转速×风扇速比）。

（3）冷却液温度

随着海拔升高，大气压力下降，空气密度下降，对冷却风扇的体积流量产生负面影响，为平衡该影响，在确定由冷却液温度决定的风扇转速时，对根据温度-转速曲线获得的需求转速乘以一个与环境气压相关的修正系数。

根据KULI仿真计算结果，推荐的修正系数如下：

表1 大气压力-转速修正系数

由于风扇转速需求与环境温度密切相关，为减少风扇功耗，按照常温状态（<25℃触发）及高温状态（≥28℃触发）分别制定风扇转速需求。对于某车型，制定的冷却液温度-风扇转速曲线见下表：

表2 冷却液温度-风扇转速

上表中环境温度小于25℃的曲线按环境温度28℃设置，环境温度大于28℃的曲线按环境温度40℃设置。WP13节温器初开温度为83℃，全开为92℃，故在高温环境下风扇与节温器基本同步开启。当处于常温状态时，可将开启温度推迟2℃。这样可适当提高发动机运行时的冷却液平均温度，对发动机燃油消耗率表现带来有利影响。

（4）进气温度(中冷后温度)

不同的进气温度需求不同的最低风扇转速，中冷器温升满足标准要求，一般要求在40℃环境下温升不大于30℃。

表3 进气温度-风扇转速

同时，风扇转速器的设定还应该考虑空调开启时冷凝器的散热需求，以及缓速器开启时冷却液温度控制的需求。

不同发动机转速对应不同的风扇最低、最高转速，计算出的转速需求应修正为在此转速范围内。基于发动机转速的风扇最低、最高转速限值需通过试验获得。

此外对风扇转速传感器故障时应按风扇100%转速输出转速需求，避免冷却液温度过高。

2.1.2 风扇控制模块

目前普遍采用的是以风扇转速设定值及其与当前转速的偏差为输入，以PWM信号为输出的闭环PID控制方法。

电控硅油风扇离合器电控部分示意图如图下：

电控硅油离合器是依靠硅油高粘度特性传递扭矩的装置，通过控制阀片与进油孔的相对位置调整进油孔的开闭，从而控制硅油的流动路线，实现对电控硅油离合器分离或耦合的控制，同时在电控总成上安装有测速传感器，可以实时监测风扇转速。

图2 电控硅油风扇离合器电控部分示意图

图3 电控硅油风扇离合器电控部分示意图

风扇控制模块中包含一个典型PID控制器所包含的比例、积分和微分模块，三者的数值与风扇前馈值相加作为PWM输出信号。当检测到风扇转速传感器故障时，三个控制模块的输出均会切换为0%；最终输出的占空比由前馈值决定，该值处于0%~100%之间。

为了适应快速调节的需求，上图还包括一个参数设置模块，对控制器的Kp、Ki参数进行了分组设计，实现了控制参数的在线整定，提高了系统的适应性。

4 结论

本文对冷却风扇的输入参数进行了梳理，新增了环境温度、大气压力作为控制参数，并制定相应的控制策略，在降低风扇功耗的同时提升了车辆冷却系统的环境适应性。预计可实现节油1%~2%。

[1] G,Gantore,F.Paltrinieri,F.Perini,et al.A Lumped Parameter Approach for Simulation of ICE Cooling Systems [C].SAE Paper 2009-01- 2760.

[2] 卢广峰,郭新民,孙运柱.汽车发动机冷却系统的发展与现状[J].农机化研究,2002（2）:129:131.

[3] 杨小强,蔡立艮,赵立强.热管理技术在工程车辆中的应用研究[J].中国工程机械学报,2006,4（1）:61-63.

Research on Accurate Control Strategy of Heavy Duty Commercial Vehicle Fan Based on Energy Saving

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Xin Qian

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

As the market demand for fuel economy of vehicles continues to increase, reducing engine accessory power consumption is becoming increasingly important.The fan is the main energy consumption component of the engine. Optimizing the fan control strategy has a positive effect on reducing the engine accessory power consumption and the fuel consumption, at the same time, the precise control of the fan effects the overall cooling performance of the vehicle.

fuel economy; fan control

A

1671-7988(2018)18-219-03

U462

A

1671-7988(2018)18-219-03

CLC NO.: U462

张文博，男，硕士研究生，主要研究方向为车辆燃油经济性。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.074