混合動力汽車散熱風(fēng)扇的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

陳樂 王三剛

摘 要：在汽車散熱風(fēng)扇的發(fā)展過程中，電子風(fēng)扇作為散熱風(fēng)扇中可控、高效的代表被提出，但是由于傳統(tǒng)能源汽車的特性未能廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在隨著混合動力汽車迅速的發(fā)展，混合動力散熱系統(tǒng)中運(yùn)用電子風(fēng)扇的比重也在加大。本文介紹了混合動力汽車與散熱風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電子風(fēng)扇在散熱風(fēng)扇中的優(yōu)勢。電子風(fēng)扇的智能化也是其未來的發(fā)展的主要方向。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車;電子散熱風(fēng)扇;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年上半年，中國汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2.5億輛，其中私家車有1.98億輛。國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2019年全球CO2雖然與2018年持平，但是使用石油所排放的CO2有明顯增加。說明汽車CO2排放占總CO2排放的比例有所增加，由汽車排放造成的環(huán)境污染依舊在加重。

因傳統(tǒng)燃油汽車的大量使用，導(dǎo)致環(huán)境污染與能源問題日益嚴(yán)峻，自二十世紀(jì)三十年代以來，以蓄電池作為能量儲備單元的EV電動車技術(shù)、燃料電池技術(shù)、氫能源技術(shù)、太陽能技術(shù)等新能源技術(shù)的研究與創(chuàng)新就從未間斷過。但是依舊會在某些能源領(lǐng)域里遇到技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致該能源不能被廣泛的應(yīng)用于汽車中。就目前技術(shù)發(fā)展成熟度而言，較為可行且能被大規(guī)模制造的就是混合動力汽車。

1 混合動力汽車及散熱風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，如何提高能源利用效率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，尋求替代能源等問題已成為全社會亟待解決的普遍問題。在國家提出“以人為本、全面協(xié)調(diào)和可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀”后，企業(yè)對注重環(huán)境保護(hù)、開發(fā)清潔能源和建設(shè)新一代的綠色汽車工業(yè)等發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行研究和建設(shè)，大力發(fā)展混合動力汽車技術(shù)是減少排放和提高能源效率是最為可行的方法?；旌蟿恿ζ嚕℉ybird Electrical Vehicle）是目前最具產(chǎn)業(yè)化和市場化前景的節(jié)能車型之一，混合動力汽車出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，但是受制于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的限制，研究進(jìn)展十分緩慢，未有量產(chǎn)車型進(jìn)入大眾的視野，直至90年代才有功能較為全面的樣車面世?；旌蟿恿ζ嚀碛袃商讋恿ο到y(tǒng)，既保證降低油耗與污染物排放，還可以保持車輛的續(xù)航里程。與傳動動力汽車相比較，混合動力汽車可以保證電池有足夠的電能儲備，用來驅(qū)動電機(jī)輔助車輛工作，使得汽車加速過程更加平滑;減速過程回收動能，提高車輛的經(jīng)濟(jì)性;同時(shí)，混合動力汽車的發(fā)動機(jī)可以在電動機(jī)的輔助工作中或電動機(jī)獨(dú)自承擔(dān)動力輸出的情況下使發(fā)動機(jī)長時(shí)間保持在最佳效率區(qū)間運(yùn)行，提高發(fā)動機(jī)的壽命。

混合動力系統(tǒng)是將原動機(jī)、電動機(jī)、能量儲存裝置（蓄電池）按照某種組合方式連接而形成的動力系統(tǒng)，大致可以分為三類：串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是借助發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)將電能儲存至電池后電池向電動機(jī)供電，使電動機(jī)獨(dú)自驅(qū)動車輛的系統(tǒng)。由于電池處于發(fā)電機(jī)與電動機(jī)之間，起到功率平衡的作用。當(dāng)汽車處于減速、短時(shí)停車等工況時(shí)，電動機(jī)所需功率小于發(fā)電機(jī)輸出功率，控制器向電池內(nèi)充電;當(dāng)汽車處于加速、爬坡等工況時(shí)，控制器控制電池向外輸出電能，與發(fā)電機(jī)一起滿足電動機(jī)所需功率。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可以使發(fā)動機(jī)長時(shí)間工作在最佳效率區(qū)間;結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活;缺點(diǎn)是系統(tǒng)工作效率低下;能量二次轉(zhuǎn)換損耗較大，使得油耗成為該系統(tǒng)的弱點(diǎn)。也正因?yàn)槿绱?，過去串聯(lián)混合動力系統(tǒng)大多數(shù)用于大型車輛中。該系統(tǒng)代表車型有：寶馬i3增程版、廣汽傳祺GA5增程版。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)與驅(qū)動橋通過機(jī)械傳統(tǒng)的方式進(jìn)行連接，汽車可以由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動或各自單獨(dú)驅(qū)動。相比于串聯(lián)式發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)輸出的能量利用率得到提高，從而提高車輛經(jīng)濟(jì)性。另一方面電動機(jī)可單獨(dú)工作驅(qū)動車輛，可以使各行駛工況的運(yùn)行與切換更加順暢，起到“增峰平谷”的作用。但是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)也直接參與汽車的動力輸出，就會使得發(fā)動機(jī)很難一直在最佳的工作范圍內(nèi)運(yùn)行，導(dǎo)致污染物排放稍高于串聯(lián)式混動系統(tǒng)。由于并聯(lián)式混動系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)、電動機(jī)都參與動力輸出，就需要設(shè)計(jì)動力復(fù)合裝置，導(dǎo)致并聯(lián)式混動系統(tǒng)構(gòu)成變得較為復(fù)雜。比亞迪秦100就是基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的混合動力汽車。

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)充分繼承了串聯(lián)式與并聯(lián)式混動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠使發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)之間進(jìn)行更多的匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了混動汽車在各種工況下均工作在最優(yōu)狀態(tài)中，更容易使發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性得到優(yōu)化。這種更加完善的混合動力系統(tǒng)需要的動力裝置會變得更加復(fù)雜，但是該混動系統(tǒng)能夠?qū)⑷加推嚺c電動車的優(yōu)勢都較好的發(fā)揮出來。世界各大公司隨著豐田Prius的出現(xiàn)將混連式混合動力汽車列為了開發(fā)重點(diǎn)。代表車型：比亞迪宋Pro DM版、豐田PriusⅢPHEV。

1.2 散熱風(fēng)扇的發(fā)展背景及現(xiàn)狀

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇和水泵均是發(fā)動機(jī)通過皮帶以一定的傳動比驅(qū)動，散熱系統(tǒng)通常按照最大散熱需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種風(fēng)扇驅(qū)動方式最大的問題就是不能通過發(fā)動機(jī)工況的變化調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷情況下散熱不足，而高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷的情況下散熱過度，造成燃油經(jīng)濟(jì)性降低又不能達(dá)到較好的散熱效果;同時(shí)因需考慮發(fā)動機(jī)的布置使得散熱器的安裝位置受到限制。為了解決散熱風(fēng)扇存在的問題，逐漸出現(xiàn)了根據(jù)發(fā)動機(jī)溫度調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制冷卻強(qiáng)度的新設(shè)計(jì)。如電子風(fēng)扇，硅油式風(fēng)扇等。

1.2.1 液力驅(qū)動式風(fēng)扇

液力驅(qū)動式風(fēng)扇于20世紀(jì)80年代中期由德國、美國、日本、瑞典等國家進(jìn)行研發(fā)。根據(jù)冷卻水溫度，環(huán)境溫度，通風(fēng)量等參數(shù)，在發(fā)動機(jī)工作情況時(shí)獨(dú)立地驅(qū)動所述柱塞液壓泵，通過控制液壓泵排量調(diào)整冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動模式可以根據(jù)冷卻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在不同的負(fù)載條件顯著提高冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。使發(fā)動機(jī)可以節(jié)省能源并有效降低風(fēng)扇的噪音。但是其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的成本也是其未得到廣泛使用的重要原因。

1.2.2 硅油式風(fēng)扇

硅油風(fēng)扇以高粘度的硅油為介質(zhì)，通過硅油的粘性剪切力傳遞扭矩。當(dāng)?shù)蜏囟葧r(shí)，硅油不會流動，風(fēng)扇離合器分離，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)扇基本處于怠速; 當(dāng)溫度升高時(shí)，硅油的粘度會結(jié)合風(fēng)扇離合器。使風(fēng)扇和水泵一起工作以調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)溫度。

在發(fā)動機(jī)啟動時(shí)，冷卻系統(tǒng)溫度較低，硅油離合器分離，風(fēng)扇在低轉(zhuǎn)速工況下空轉(zhuǎn)，不僅減少發(fā)動機(jī)能量的消耗，也降低了冷起動時(shí)的發(fā)動機(jī)排放。但是硅油式風(fēng)扇也有局限性：例如，與機(jī)械風(fēng)扇相同，依舊是以一定的傳動比工作、散熱器和風(fēng)扇的布置依舊存在限制。為克服傳統(tǒng)硅油式風(fēng)扇的不足電子硅油式風(fēng)扇出現(xiàn)了。

電子硅油式風(fēng)扇是通過ECU采集冷卻水溫信號，根據(jù)控制策略進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)控制調(diào)節(jié)受控風(fēng)扇中作為傳動介質(zhì)的硅油的流量，達(dá)到無級變速的要求。

電子硅油離合器可以根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的需要實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)扇速度，降低冷卻風(fēng)扇的能耗。另外，硅油離合器的咬合和切斷是一個靈活而緩慢變化的過程，可以降低由風(fēng)扇速度急劇增加所導(dǎo)致的風(fēng)噪的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)：與機(jī)械風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)相比，電子硅油離合器風(fēng)扇可降低發(fā)動機(jī)油耗4.2%。

1.2.3 磁/電流變離合器式冷卻風(fēng)扇

磁/電流變離合器式冷卻風(fēng)扇簡稱電磁式風(fēng)扇，是在曲軸與風(fēng)扇之間添加了一種離合器，稱為電磁式風(fēng)扇離合器。發(fā)動機(jī)ECU收集并處理冷卻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號后，根據(jù)設(shè)定的控制程序輸出相應(yīng)電流，控制磁流線型風(fēng)扇電磁線圈的截止電流大小。電磁線圈通電后，磁流變液中的懸浮粒子在磁場的作用下被磁化，沿磁場方向相互施加引力形成鏈狀，產(chǎn)生了可變磁流變液剪切力。目的是使驅(qū)動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，改變風(fēng)扇速度。

磁流變離合器式風(fēng)扇擁有結(jié)構(gòu)緊湊、可控性好、工作噪聲小、響應(yīng)快、冷啟動性能好等優(yōu)點(diǎn)，離合器傳遞的扭矩可以由外加磁場連續(xù)調(diào)控。因磁流變液體在風(fēng)扇中流動，提高了離合器的散熱性，延長了磁流變液體的使用壽命。風(fēng)扇需要根據(jù)發(fā)動機(jī)位置進(jìn)行布置也是其難以解決的問題，但不可否認(rèn)的是磁/電流變離合器式冷卻風(fēng)扇也是解決風(fēng)扇驅(qū)動問題的有效途徑。

1.2.4 電子風(fēng)扇

在20世紀(jì)80年代，為減少風(fēng)扇能量消耗，提出了電子風(fēng)扇的方案。這種風(fēng)扇不再通過發(fā)動機(jī)曲軸提供驅(qū)動力，而是利用電機(jī)帶動風(fēng)扇。在發(fā)動機(jī)ECU收集到發(fā)動機(jī)工況和冷卻水溫等信息經(jīng)過處理后根據(jù)通知策略的要求控制電動風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，節(jié)省了發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的能量損失，減少了發(fā)動機(jī)暖機(jī)時(shí)間并降低了傳動損失。

由于電子風(fēng)扇的驅(qū)動方式從根本發(fā)生了改變，讓風(fēng)扇和散熱器的安裝位置十分靈活;并且具有明顯的節(jié)能效果;但是由于傳統(tǒng)汽車搭載的為12V電源，風(fēng)扇的功率受到了嚴(yán)重的限制。導(dǎo)致其使用范圍受到制約。

2 混合動力汽車電子風(fēng)扇的優(yōu)勢分析

在2000年時(shí)，電子風(fēng)扇就已經(jīng)開始應(yīng)用于家用乘用車中，但是受功率的限制一直不能適用于所有車輛和工程機(jī)械。但是隨著新能源汽車的快速發(fā)展，同時(shí)發(fā)展起來的也有電子風(fēng)扇散熱技術(shù)。將從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、燃油經(jīng)濟(jì)性兩個方面探究在混合動力汽車平臺下電子風(fēng)扇相比于其他類型風(fēng)扇的優(yōu)勢。由于電子硅油式風(fēng)扇與電磁式風(fēng)扇均屬于離合器風(fēng)扇，所以將這兩種風(fēng)扇統(tǒng)歸為一類進(jìn)行分析。

2.1 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對比

離合器式風(fēng)扇均是在傳統(tǒng)風(fēng)扇的基礎(chǔ)上增加了電控系統(tǒng)和離合器等部件，而液力驅(qū)動式風(fēng)扇需要在發(fā)動機(jī)上添加一個分動箱與液壓驅(qū)動系統(tǒng)，大大增加了散熱風(fēng)扇的復(fù)雜程度。但是電子風(fēng)扇中電機(jī)與風(fēng)扇本體高度集成，在實(shí)現(xiàn)同等散熱需求的同時(shí)體積小巧，易于布置和安裝。

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性對比

以上三種風(fēng)扇均可以實(shí)現(xiàn)無極變速，相比于傳統(tǒng)皮帶定傳動比的風(fēng)扇據(jù)能夠達(dá)到節(jié)油要求，但是由于離合器式風(fēng)扇與液壓驅(qū)動式風(fēng)扇的動力源均為發(fā)動機(jī)，而電子風(fēng)扇由電機(jī)直接驅(qū)動，不會影響發(fā)動機(jī)動力輸出。而燃油經(jīng)濟(jì)性對比由表1、2可以得出結(jié)論：

根據(jù)以上分析計(jì)算，在某平臺皮卡項(xiàng)目中，使其工作在NEDC工況下，發(fā)動機(jī)硅油風(fēng)扇能耗為 0.17L/100km～0.31 L/100km，PWM風(fēng)扇能耗0.00125L/100km;匹配PWM風(fēng)扇后，在 NEDC 循環(huán)工況下，整車節(jié)油 0.17L/100km～0.31 L/100km 之間。由此數(shù)據(jù)可知在混合動力汽車中電子風(fēng)扇相對于離合器式風(fēng)扇的燃油經(jīng)濟(jì)性同樣會提高。

3 混合動力汽車電子風(fēng)扇發(fā)展趨勢

20年前，電子風(fēng)扇在汽車上的應(yīng)用由于車載電池、風(fēng)扇發(fā)展的局限，只能裝載在小型乘用車中，并且風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和與車輛散熱系統(tǒng)匹配中也遇到了許多難題。但是新能源車輛目前正在進(jìn)行快速的發(fā)展，電子風(fēng)扇應(yīng)用于汽車的瓶頸被突破，使得電子風(fēng)扇迅速在各類新能源車輛中進(jìn)行普及。隨著汽車智能化、電子集成化水平越來越高。對于發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中參數(shù)的監(jiān)控越加詳細(xì)，電子風(fēng)扇對于散熱系統(tǒng)的優(yōu)化對于整個車輛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性提高起到更加重要的作用。

隨著國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)要求車企在研發(fā)車輛的過程中在保證發(fā)動機(jī)功率達(dá)到要求的同時(shí)，需要使用更多機(jī)內(nèi)和機(jī)外排放凈化技術(shù)。而混合動力汽車在保證車輛經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)又會造成在停機(jī)再啟動、減速斷油工況下的排放控制性能降低。電子風(fēng)扇的應(yīng)用對控制進(jìn)風(fēng)量、維持三效催化轉(zhuǎn)化器溫度起到了重要的作用。這也是電子風(fēng)扇能夠在未來應(yīng)用于更多汽車中的重要原因。

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