PWM風(fēng)扇對(duì)整車(chē)油耗及噪聲影響的研究

雷發(fā)兵 王端營(yíng)

摘 要：本文通過(guò)對(duì)BOSCH UP8系統(tǒng)PWM風(fēng)扇控制邏輯的研究，調(diào)整PWM風(fēng)扇在不同工況下輸出的占空比，并與兩級(jí)電子風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明PWM風(fēng)扇在油耗、噪聲水平等方面，均優(yōu)于傳統(tǒng)的兩級(jí)電子風(fēng)扇。

關(guān)鍵詞：PWM風(fēng)扇;控制邏輯;油耗;噪聲

1 前言

在整車(chē)上，為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，需要配備冷卻風(fēng)扇。常見(jiàn)的車(chē)用冷卻風(fēng)扇，有傳統(tǒng)的兩級(jí)風(fēng)扇以及目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛的PWM風(fēng)扇。PWM風(fēng)扇又稱(chēng)無(wú)極變速風(fēng)扇，可以根據(jù)冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車(chē)輛行駛速度等的需求，線性控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的兩級(jí)風(fēng)扇，由于只有高低速兩個(gè)檔位，在某些工況下會(huì)出現(xiàn)冷卻不足或冷卻過(guò)量的現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的兩級(jí)風(fēng)扇相比，PWM風(fēng)扇能將發(fā)動(dòng)機(jī)溫度保持在發(fā)動(dòng)機(jī)最佳熱效率溫度，可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。另外，相比兩級(jí)風(fēng)扇而言，PWM風(fēng)扇其運(yùn)行噪音較低。本文基于BOSCH UP8系統(tǒng)PWM風(fēng)扇控制邏輯，對(duì)比PWM風(fēng)扇與兩級(jí)風(fēng)扇對(duì)整車(chē)油耗及噪聲的影響。

2 車(chē)用PWM風(fēng)扇控制原理

車(chē)用PWM風(fēng)扇控制原理如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECM，根據(jù)整車(chē)的工作狀態(tài)信號(hào)（空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)、車(chē)速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、空調(diào)壓力信號(hào)等），通過(guò)計(jì)算得到合適的占空比，并發(fā)送給PWM風(fēng)扇控制器，PWM 風(fēng)扇控制器根據(jù)接收到的占空比，來(lái)控制PWM 風(fēng)扇電機(jī)，從而對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊也通過(guò)控制器對(duì)PWM風(fēng)扇狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)PWM風(fēng)扇出現(xiàn)故障時(shí)，ECM能及時(shí)采取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，以免引起更?yán)重的問(wèn)題。[1]

3 BOSCH UP8系統(tǒng)風(fēng)扇控制邏輯

車(chē)載冷卻風(fēng)扇的主要作用是控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，防止水溫過(guò)高而損壞發(fā)動(dòng)機(jī);另外，在空調(diào)開(kāi)啟的時(shí)候，冷卻風(fēng)扇也用于控制空調(diào)壓力，防止空調(diào)系統(tǒng)因壓力過(guò)高而損壞。[2]因此，在設(shè)計(jì)風(fēng)扇控制邏輯時(shí)，要設(shè)置空調(diào)關(guān)閉和空調(diào)開(kāi)啟兩種狀態(tài)，主要依據(jù)的信號(hào)有車(chē)速、水溫、空調(diào)壓力、空調(diào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3.1 空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)

空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下，冷卻風(fēng)扇的主要作用是控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。另外，車(chē)輛在行駛過(guò)程中，不同車(chē)速下發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)的進(jìn)風(fēng)量不一樣，也會(huì)對(duì)風(fēng)扇冷卻效果有影響。因此要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、車(chē)速設(shè)置不同的占空比。如表1所示，橫坐標(biāo)x代表發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，縱坐標(biāo)y代表車(chē)速。

3.2 空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)

空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下，風(fēng)扇不僅要控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，同時(shí)要將空調(diào)壓力控制在安全范圍。此時(shí)，要根據(jù)空調(diào)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、車(chē)速三者來(lái)設(shè)置占空比，是一個(gè)三維表格。為簡(jiǎn)化工作量，我們通過(guò)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的低壓L、中壓M、高壓H的閥值，將空調(diào)壓力細(xì)分為四個(gè)等級(jí)。如圖2：

將空調(diào)壓力分為P

3.3 占空比最終輸出

通過(guò)以上控制邏輯，在空調(diào)開(kāi)啟或者空調(diào)關(guān)閉兩種狀態(tài)，ECU都會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、車(chē)速、空調(diào)壓力輸出一組占空比信號(hào)，再對(duì)占空比信號(hào)進(jìn)行濾波計(jì)算，最終輸出占空比信號(hào)給PWM風(fēng)扇控制器，控制器控制風(fēng)扇電機(jī)以對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。[3]

4 油耗測(cè)試

4.1 車(chē)型選擇

某在研車(chē)型，4缸1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)，7座乘用車(chē)，整備質(zhì)量1485KG，匹配BOSCH UP8系統(tǒng)及PWM冷卻風(fēng)扇。

4.2 試驗(yàn)方法

參考兩級(jí)風(fēng)扇的特性，通過(guò)設(shè)置ECU輸出的PWM信號(hào)，可以將PWM風(fēng)扇模擬成兩級(jí)風(fēng)扇。為方便對(duì)比，使用同一臺(tái)車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)都安排同一個(gè)司機(jī)操作。在整車(chē)轉(zhuǎn)轂上，分別進(jìn)行以下試驗(yàn)：

4.2.1 勻速工況行駛

分別取速度點(diǎn)30km/h、70km/h、110km/h進(jìn)行勻速油耗測(cè)試;每個(gè)速度點(diǎn)進(jìn)行2次試驗(yàn)，第1次試驗(yàn)以常規(guī)的PWM數(shù)據(jù)設(shè)置進(jìn)行試驗(yàn);第2次試驗(yàn)，修改PWM輸入，將PWM風(fēng)扇模擬成兩級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)。保證轉(zhuǎn)鼓設(shè)置的阻力、坡度、風(fēng)量完全一致，每次試驗(yàn)持續(xù)30min，使用碳平衡法進(jìn)行油耗結(jié)果計(jì)算。

4.2.2 WLTC循環(huán)行駛

采用WLTC工況進(jìn)行試驗(yàn)，按Ι型試驗(yàn)要求先做預(yù)處理，預(yù)處理后充分浸車(chē)，中間不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)前需要保證每次蓄電池電壓一致（大于12.3V）。隨后分別做2次試驗(yàn)。第1次試驗(yàn)，以常規(guī)的PWM數(shù)據(jù)設(shè)置進(jìn)行試驗(yàn);第2次試驗(yàn)，修改PWM輸入，將PWM風(fēng)扇模擬成兩級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)排放分析儀進(jìn)行排放物結(jié)果計(jì)算，并使用碳平衡法進(jìn)行油耗結(jié)果計(jì)算。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

各工況下油耗試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在各試驗(yàn)工況下，PWM風(fēng)扇油耗普遍比兩級(jí)風(fēng)扇油耗低。尤其是在WLTC循環(huán)中，節(jié)油率可達(dá)1.9%。

5 噪聲測(cè)試

5.1 車(chē)型選擇

選用搭載PWM冷卻風(fēng)扇及兩級(jí)冷卻風(fēng)扇的車(chē)型各1臺(tái)，均匹配BOSCH UP8系統(tǒng)。

5.2 試驗(yàn)方法

采用分貝儀測(cè)量風(fēng)扇運(yùn)行噪聲，保證分貝儀測(cè)量點(diǎn)與風(fēng)扇的距離一致。為排除試驗(yàn)工況、車(chē)輛散差等影響，采用通過(guò)ECU數(shù)據(jù)控制占空比的方法，控制風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。PWM風(fēng)扇從開(kāi)始運(yùn)行到全速運(yùn)行整個(gè)階段，都測(cè)量運(yùn)行噪聲;兩級(jí)風(fēng)扇分別控制低速風(fēng)扇、高速風(fēng)扇運(yùn)行，測(cè)量其運(yùn)行噪聲。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如圖3，藍(lán)色曲線是兩級(jí)風(fēng)扇分別開(kāi)啟低速、高速風(fēng)扇的噪音，可以看到在高速風(fēng)扇開(kāi)啟的瞬間，噪音有一個(gè)明顯的階躍。圖中紅色曲線是PWM風(fēng)扇在不同占空比下的噪音值。可以看出，在大部分工況下，PWM風(fēng)扇的噪聲值都小于兩級(jí)風(fēng)扇。

6 結(jié)論

本文對(duì)基于BOSCH UP8系統(tǒng)的PWM風(fēng)扇控制策略進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PWM風(fēng)扇的控制，并且將PWM風(fēng)扇與傳統(tǒng)兩級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行油耗、噪聲測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明搭載PWM風(fēng)扇的車(chē)型在油耗、噪聲水平等方面，均優(yōu)于搭載傳統(tǒng)兩級(jí)風(fēng)扇的車(chē)型，具有較好的經(jīng)濟(jì)性、NVH性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴倩.基于PWM 控制的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程.

[2]郭文松，胡俊等.基于單級(jí)PWM 風(fēng)扇的某車(chē)型節(jié)油策略研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2016.

[3]韓曉峰，張士路等.車(chē)用PWM冷卻風(fēng)扇控制策略實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2014（6）：8-9，44.