汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统设计余海洋;曹志良;刘绍波【摘要】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 2000 r/min,2500 r/min,2800 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.%针对汽车发动机风扇冷却存在的问题,基于发动机冷却系统的工作原理,探讨了电动冷却风扇的控制需求和策略,设计了冷却风扇智能控制系统.建立了AMEsim仿真模型,仿真分析了不同工况下发动机冷却液的温度变化,电动机转速在2000 r/min、2500 r/min、2800r/min时,发动机出口冷却液温度分别为80℃、82℃和85℃.设计了控制系统测试实验,在进水温度最高93.7℃条件下,出水最高温度101.8℃,测试结果显示该系统能够保证发动机热平衡,控制系统具有稳定的控制效果.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2016(039)006【总页数】4页(P1512-1515)【关键词】汽车发动机;电动冷却风扇;AMEsim仿真;智能控制系统【作者】余海洋;曹志良;刘绍波【作者单位】重庆工商职业学院汽车工程学院,重庆401520;重庆工商职业学院汽车工程学院,重庆401520;重庆工商职业学院汽车工程学院,重庆401520【正文语种】中文【中图分类】U464.138随着汽车行业的快速发展，人们对于汽车性能的要求也越来越高，而作为汽车核心结构的发动机部分，其性能好坏直接影响汽车的稳定性和动力性。
汽车发动机冷却系统是发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大影响。
随着发动机转速和功率的不断提高，对冷却系统的要求越来越高［1］，汽车发动机冷却系统包括水循环冷却和电动风扇冷却，本文主要针对电动风扇冷却进行研究。
近年来，美国、德国、日本及瑞典等汽车发达国家开始对发动机冷却风扇温控系统展开研究，国内学者也逐渐重视该方面的研究，哈尔滨工业大学进行过发动机冷却系统的智能控制研究，提出了在汽车上采用电机无级变速控制冷却风扇的冷却控制系统；青岛大学也研制出了一种发动机风扇温度控制液压驱动系统。
但该方面的研究还存在一定问题，脱离发动机的独立电动风扇控制系统还不成熟。
结合已有的研究成果，基于改变散热器的空气量来控制冷却效果的电动风扇冷却原理，设计了汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统，采用先进的电子控制技术，通过NTC温度传感器采集发动机冷却介质的温度值，温度信号反馈给控制系统后，经过控制算法的计算和处理控制风扇的转速值，通过微处理器来控制直流电机的转速，从而实现发动机电动冷却风扇的实时控制［2］。
发动机冷却风扇的控制主要是对冷却风量的实时调节，冷却风扇的转速与进风量成正比关系，而风量与风速又成正比关系［3-4］。
在汽车发动机稳定运行的条件下，散热风扇提供的风速与单位时间的散热量成正比，而散热量又与冷却液的温度差成正比。
基于此散热原理，设计了智能控制系统的控制策略（图1所示）。
汽车驾驶人根据需求和实际情况对控制系统设置一个温度值，在汽车发动机工作的情况下，NTC温度传感器会检测实际温度与设定值误差并提供反馈，反馈信号及时反馈到PID温度控制器中，控制器以消除二者间的偏差为目的，经过控制算法的计算，提供冷却风扇转速控制风扇的电动机的转速来调整被控参数，使其始终向着设定值的方向变化。
由于采用了NTC温度传感器来实时监测水温的变化，并将检测值反馈到控制器实时比较，使设定温度与实际水温能够紧密地联系在一起，因此本系统构成的是带有负反馈的闭环调节控制系统。
根据汽车发动机冷却风扇控制系统的工作原理［5-6］，基于AMEsim多领域建模与仿真软件，建立该控制系统的仿真模型，参照汽车发动机的实际参数，仿真分析不同工况下冷却风扇控制系统的冷却效果，仿真模型如图2所示。
2.1 稳定工况下的仿真分析控制系统的设定温度值为20℃，发动机的转速为3 000 r/min，汽车的行驶速度为45 km/h，路况为平坦的公路，仿真分析发动机不同出口位置冷却液的温度变化，如图3所示。
由图3可知，发动机出口的温度在0～80 s时呈线性增长的趋势，随后出现60 s左右的波动，最后温度趋于稳定；散热器的出口温度在0～80 s时温度没有变化，这是由于这段时间发动机冷却系统处于小循环阶段，散热器还没有发挥作用，在80 s～120 s内，系统开始进入大循环阶段，散热器开始发挥作用，此时在冷却风扇的调节下，系统温度最后趋于稳定。
2.2 不同工况下的仿真分析控制系统的设定温度值为20℃，汽车的行驶速度为45 km/h，发动机的转速分别设定为2 000 r/min、2 500 r/min、2 800 r/min。
经过仿真分析，可以得到发动机冷却液出口处的温度，如图4～图6所示。
由图4～图6可知，汽车发动机在不同转速下，发动机出口处冷却液温度基本趋势一致，但峰值和曲线变化率有所不同，转速越高，曲线的变化率越大，并且最后温度的稳定值也越高。
验证了控制策略的控制原理，同时仿真结果也表明，该控制策略的控制效果比较好。
3.1 控制系统的硬件设计如图7所示，本系统采用分体式控制，即指脱离了发动机，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［7］，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：保险盒烧坏了不用换；发动机线路烧坏了不用换；风扇线束烧坏了也不用换；降低风扇启动温度；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。
系统组成包括输入模块、输出模块以及通讯总线等，其中输入模块包括温度信号采样电路、风扇电源电压采样电路、输入PWM信号采样电路、控制系统供电电源电路、时钟输入电路、两个风扇电机的负载采样电路；输出模块包括：两个风扇电机的PWM驱动电路和故障信息传递电路［8］。
3.2 控制系统的软件设计本系统的软件设计将基于Microchip公司的PICl6F716控制芯片，本系统风扇电机的转速控制电压信号有两路命令通道给出，可以使得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，系统连接原理图如图8所示。
已知发动机冷却液温度在70℃～95℃范围内为最佳［9］，不同工况下，根据冷却液温度的改变，控制不同的执行部件，控制冷却液温度在合理范围，控制逻辑如下：（1）水温低于70℃时，冷却风扇关闭，导风板关闭，节温器打开；（2）水温在70℃～80℃时，冷却风扇关闭，导风板关闭，节温器关闭；（3）水温在80℃～95℃时，冷却风扇关闭，导风板打开，节温器关闭；（4）水温高于95℃时，冷却风扇打开，导风板打开，节温器关闭。
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，在发动机热平衡试验系统上进行了发动机热平衡试验，然后装在某车型车上测试了燃油经济性和车内噪声［10］。
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，所以试验汽车发动机的燃油性也是检验冷却风扇智能控制的一个方面。
4.1 发动机热平衡测试本文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［11］，我们主要测试了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 燃油经济性测试本文将该系统装在某车型车上测试了燃油经济性，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，测得的平均油耗是10.5 L/100 km，综合油耗要低0.3 L/100 km。
（1）基于发动机冷却系统的原理，设计了电动风扇冷却智能控制系统，包括硬件和软件部分，建立了发动机风扇冷却系统的仿真模型，得出发动机冷却液与其转速的关系。
（2）本文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，测试结果显示该系统能够保证发动机热平衡。
曹志良（1976-），男，四川内江，汉，硕士，副教授，研究方向为汽车发动机电子控制技术；刘绍波（1976-），男，重庆大足，汉，博士，教授，研究方向为汽车发动机电子控制技术，*****************。
【相关文献】［1］朱鹏.新型汽车发动机冷却风扇智能控制系统的设计［M］.上海：上海大学，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］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）：20-21.［4］张士路，翁锐，赵强.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（6）：8-9.［5］王忠良.电子控制冷却风扇［J］.汽车电器，2011（5）：27-30.［6］雷良玉，周晓军.基于虚拟样机技术的汽车平顺性仿真分析［J］.传感器技术学报，2006，19（6）：89-93.［7］干海群.发动机冷却系统匹配设计及动态特性仿真［D］.镇江：江苏大学，2007.［8］王新源，高平，郭新民，等.汽车发动机智能冷却系统的研究［J］.内燃机工程，2001，22（1）：15-16.［9］吴占雄，王友钊.基于80C51单片机的智能PID控制器的设计与实现［J］.电子器件，2006，19（3）：972-975.［10］黄晖，马翠英.发动机冷却风扇容积效率计算方法的研究［J］.农机化研究，2006（6）：217-220.［11］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.余海洋（1981-），男，湖北随州，汉，大学本科，讲师，工程师，研究方向为汽车发动机电子控制技术；。