電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器聯(lián)合控制策略研究

程振徐，倪計(jì)民，郝真真，馬信元，王琦瑋

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)性能和設(shè)計(jì)水平的不斷提高、能源危機(jī)的出現(xiàn)以及排放法規(guī)的嚴(yán)苛要求使得冷卻系統(tǒng)的作用不僅僅是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，更需要在車輛起動(dòng)、行駛、停機(jī)等各個(gè)工作階段，滿足排放性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、舒適性、可靠性、耐久性等綜合性要求[1-2]。智能化是兼顧各種問(wèn)題和需求的關(guān)鍵技術(shù)，是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此非常有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行智能化研究[3-5]。1981年美國(guó)的一項(xiàng)專利首次提出了電子風(fēng)扇[6]。R. Clemente[7]首次在越野卡車上使用由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的電子風(fēng)扇。EMP公司[8]設(shè)計(jì)了采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子風(fēng)扇，相比于有刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)具有無(wú)磨損、效率高、空載電流小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。2001年，法雷奧、里卡多和戴姆勒克萊斯勒等公司[9]聯(lián)合開發(fā)了42 V-14 V雙電壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)在提高電能轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電子風(fēng)扇的無(wú)級(jí)變速。國(guó)外公司對(duì)電子節(jié)溫器做了很多研究，實(shí)現(xiàn)了冷卻液流量的智能控制[10-12]。國(guó)內(nèi)方面，韓曉峰等[13]通過(guò)對(duì)PWM冷卻風(fēng)扇控制策略的研究發(fā)現(xiàn)，該控制策略能夠保證整車熱平衡性能和空調(diào)性能?？紫閺?qiáng)等[14]提出了一種可快速精確控制目標(biāo)溫度的控制策略來(lái)解決太陽(yáng)能熱泵的控制問(wèn)題。謝輝等[15]通過(guò)研究電動(dòng)風(fēng)扇和電動(dòng)水泵功率分配對(duì)熱管理系統(tǒng)運(yùn)行總能耗的影響規(guī)律，提出了風(fēng)扇和水泵功率分配控制策略，該控制策略可有效減少水溫控制的波動(dòng)，降低系統(tǒng)控制能耗。

可以發(fā)現(xiàn)，目前大部分研究是單獨(dú)針對(duì)電子節(jié)溫器或者電子風(fēng)扇的控制策略，而電子節(jié)溫器的開啟與電子風(fēng)扇的開啟互為影響，因此有必要對(duì)電子節(jié)溫器與電子風(fēng)扇聯(lián)合控制策略進(jìn)行研究分析。本研究通過(guò)分析冷卻液溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響來(lái)確定冷卻液目標(biāo)溫度，以此為基礎(chǔ)來(lái)制定電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器的聯(lián)合控制策略，并在該聯(lián)合控制策略中加入電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖來(lái)提高控制精度，研究該聯(lián)合控制策略對(duì)風(fēng)扇耗功的影響，以及電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的引入對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度的影響。

1 電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的研究

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的加入使得電子風(fēng)扇能夠針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的改變預(yù)先設(shè)置一個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，然后使用PID控制器對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)一步調(diào)節(jié)，這使得整個(gè)控制系統(tǒng)既能做到及時(shí)響應(yīng)，又能精確地控制冷卻液溫度并減少冷卻風(fēng)扇的耗功。

1.1 冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與冷卻空氣流量的匹配

通過(guò)風(fēng)扇和散熱器性能試驗(yàn)可分別得到風(fēng)扇的靜壓流量曲線和散熱器阻力流量曲線，將這兩個(gè)曲線放在同一坐標(biāo)下即可得到冷卻風(fēng)扇匹配工況點(diǎn)(見圖1)。在圖1中定位散熱器風(fēng)阻曲線與風(fēng)扇的靜壓-流量-轉(zhuǎn)速萬(wàn)有特性交點(diǎn)，由此可獲得該冷卻風(fēng)扇在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作時(shí)其實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和流量。

圖1 冷卻風(fēng)扇匹配工況點(diǎn)

由此數(shù)據(jù)可建立冷卻空氣流量qa與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速nf的關(guān)系式：

qa=-1.103 5×10-8×nf2+
6.674 2×10-4×nf-0.136 187。

(1)

利用式(1)計(jì)算電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和冷卻空氣流量的試驗(yàn)值與回歸值，相對(duì)誤差范圍在[-1.06%，1.01%]。根據(jù)式(1)繪制的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和流量的關(guān)系見圖2。

圖2 冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和空氣流量關(guān)系

將風(fēng)扇在各轉(zhuǎn)速下的匹配工況點(diǎn)呈現(xiàn)在風(fēng)扇的流量和效率關(guān)系圖中，通過(guò)各轉(zhuǎn)速下的冷卻空氣流量做一條垂直于橫坐標(biāo)軸的直線，該直線與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇流量和效率曲線的交點(diǎn)就是風(fēng)扇在工況點(diǎn)下的效率值(見圖3)。

圖3 冷卻風(fēng)扇流量和效率關(guān)系

風(fēng)扇在各轉(zhuǎn)速下的效率見表1。 由該表可知，風(fēng)扇的效率隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，但整體保持在風(fēng)扇的高效率區(qū)間。由此可知，風(fēng)扇在冷卻系統(tǒng)中的工作點(diǎn)處于風(fēng)扇的高效率區(qū)間，即風(fēng)扇在保證散熱量的前提下在風(fēng)扇的高效率區(qū)間運(yùn)行，減小了風(fēng)扇的功耗。

表1 風(fēng)扇各轉(zhuǎn)速下的效率

1.2 電子風(fēng)扇供風(fēng)量及轉(zhuǎn)速脈譜圖的確定

冷卻空氣的需求量可通過(guò)熱平衡方程求得：

(2)

式中：qa為冷卻空氣流量；Qw為冷卻系統(tǒng)的散熱量；Cpa為冷卻空氣的比定壓熱容；ρa(bǔ)為冷卻空氣的密度；Δta為散熱器空氣側(cè)進(jìn)出口溫差。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，得出冷卻液在試驗(yàn)工況內(nèi)所帶走的熱量(見表2)，其中負(fù)荷率25%，50%，75%，100%下發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液散熱量分別記為Q1，Q2，Q3，Q4。

表2 部分工況下冷卻液散熱量

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液散熱量及式(2)可以求得各工況下發(fā)動(dòng)機(jī)散熱所需要的風(fēng)扇供風(fēng)量(見表3)，其中負(fù)荷率25%，50%，75%，100%下的風(fēng)扇供風(fēng)量分別記為V1，V2，V3，V4。

由1.1節(jié)和1.2節(jié)中確定的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和流量關(guān)系以及發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下的風(fēng)扇供風(fēng)量，就可確定發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(見表4)，其中負(fù)荷率25%，50%，75%，100%下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別記為n1，n2，n3，n4。將表4數(shù)據(jù)導(dǎo)入到商用軟件Matlab中，即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖(見圖4)。

表3 部分工況下風(fēng)扇供風(fēng)量

表4 部分工況下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度的研究

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放性以及可靠性有著重要影響，本研究選取發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度作為控制電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器的目標(biāo)值。

利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)對(duì)5種不同發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度(80 ℃，85 ℃，90 ℃，95 ℃，100 ℃)下的燃油消耗率進(jìn)行分析，單純考慮燃油經(jīng)濟(jì)性，得到各工況下最低的燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度(見表5)，其中將25%，50%，75%，100%負(fù)荷率工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度記為T1，T2，T3，T4。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速3 000 r/min、中低負(fù)荷25%，50%和75%工況下，最低的燃油消耗率對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度均是95 ℃，而在100%負(fù)荷時(shí)平均燃油消耗率對(duì)應(yīng)的最低冷卻液溫度為85 ℃，考慮到冷卻液溫度的連續(xù)性和發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況中低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷占據(jù)較大比例這一因素，將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度設(shè)置為95 ℃。

3 仿真模型的建立

利用GT-COOL軟件建立冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，并依據(jù)制定的電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器控制策略，通過(guò)改進(jìn)的電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器仿真模型，將原車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型改為基于聯(lián)合控制策略的冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。

3.1 原車一維仿真模型的建立

調(diào)用GT-COOL軟件中相應(yīng)的模塊來(lái)建立冷卻系統(tǒng)一維仿真計(jì)算模型(見圖5)。

圖5 冷卻系統(tǒng)仿真模型

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程、自然吸氣、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的冷卻液流量試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比見表7。由表7可知，試驗(yàn)值與仿真值的誤差在5%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為基于GT-COOL軟件建立的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型符合目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本情況，可用于仿真分析計(jì)算。

表7 冷卻液流量試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

3.2 電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器控制策略制定

圖6示出電子節(jié)溫器和電子風(fēng)扇聯(lián)合控制策略邏輯圖，其中T為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度?？刂撇呗缘暮诵臑槌浞掷霉?jié)溫器對(duì)大小循環(huán)流量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)冷卻液溫度的控制。當(dāng)電子節(jié)溫器處于全開狀態(tài)并且溫度還繼續(xù)上升時(shí)，通過(guò)控制電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)控制冷卻液溫度。

圖6 電子節(jié)溫器和電子風(fēng)扇聯(lián)合控制策略邏輯圖

3.3 基于聯(lián)合控制策略的一維仿真模型建立

基于上述聯(lián)合控制策略，在GT-COOL軟件中對(duì)電子風(fēng)扇和電子水泵進(jìn)行重新建模。圖7示出改進(jìn)后的電子風(fēng)扇模型，電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制量由PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖8示出電子節(jié)溫器球閥仿真模型，電子節(jié)溫器中對(duì)流量的調(diào)節(jié)使用GT-COOL軟件中的球閥模型來(lái)等效替代原模型中的閥門。用改進(jìn)后的電子風(fēng)扇和電子水泵代替原仿真系統(tǒng)中的相關(guān)部件，則可建立新的冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。

圖7 改進(jìn)后的電子風(fēng)扇仿真模型

圖8 電子節(jié)溫器球閥仿真模型

4 聯(lián)合控制策略對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響

電子風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中損耗的能量很大，需要研究聯(lián)合控制策略的運(yùn)用能否優(yōu)化風(fēng)扇的工作時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省風(fēng)扇的耗功。本研究在聯(lián)合控制策略中引入了電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖，需要研究其能否提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度的控制精度和響應(yīng)速度。

4.1 控制策略對(duì)風(fēng)扇耗功的影響

利用改進(jìn)后的模型對(duì)各工況下電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真計(jì)算，包括6種轉(zhuǎn)速(1 500，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000 r/min)、4種負(fù)荷率(25%，50%，75%，100%)共24種工況。仿真計(jì)算結(jié)果見表8，其中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2分別代表優(yōu)化前和優(yōu)化后的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

表8 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

從表8中可以看出，聯(lián)合控制策略下，只有序號(hào)5和序號(hào)6兩種工況下優(yōu)化后的風(fēng)扇的耗功大于原機(jī)風(fēng)扇耗功，這是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速、高負(fù)荷的工況下，為了使冷卻液溫度維持在目標(biāo)值附近(原機(jī)在該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度要高于后制定的冷卻液目標(biāo)溫度95 ℃)，在電子節(jié)溫器全開的狀況下只能采取增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方法來(lái)增大散熱量。其他工況下電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速都低于或等于原機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，也就是說(shuō)相對(duì)于95 ℃為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度，原機(jī)大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在過(guò)冷狀態(tài)中，這一過(guò)冷狀態(tài)將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以及排放產(chǎn)生一定程度的負(fù)面影響。綜上分析，通過(guò)聯(lián)合控制策略，可以有效地降低風(fēng)扇功耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

4.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖對(duì)控制策略的影響

本研究引入了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖來(lái)制定電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器的聯(lián)合控制策略，基于改進(jìn)后的仿真模型，分別在有/無(wú)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的情況下進(jìn)行仿真計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min，50%負(fù)荷工況下的計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10。

圖9示出風(fēng)扇脈譜圖對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響。由圖9可以看出，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到目標(biāo)值后，由于脈譜圖的存在，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速直接跳到了預(yù)置轉(zhuǎn)速附近，然后由PID控制器進(jìn)一步調(diào)節(jié)，直到冷卻液溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。而單獨(dú)采用PID控制的風(fēng)扇，其轉(zhuǎn)速的上升需要一個(gè)過(guò)程，冷卻液溫度的調(diào)節(jié)時(shí)間更長(zhǎng)，波動(dòng)也更大。

圖9 風(fēng)扇脈譜圖對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響

圖10示出風(fēng)扇脈譜圖對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的影響。由圖10可見，當(dāng)控制策略加入脈譜圖后，冷卻液溫度超過(guò)目標(biāo)值后可在97 s左右回到目標(biāo)值，且溫度波動(dòng)較小，僅為5.2 ℃；當(dāng)控制策略不加入脈譜圖時(shí)，冷卻液溫度超過(guò)目標(biāo)值后則在173 s左右回到目標(biāo)值，且溫度波動(dòng)較大，達(dá)到14.5 ℃。由以上分析可知，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的存在使得冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻液溫度的控制精度更高，響應(yīng)更快。發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min，50%負(fù)荷工況下工作時(shí)，增加電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖后，冷卻液溫度波動(dòng)降低了9.3 ℃，溫度調(diào)整時(shí)間減少了76 s。

圖10 風(fēng)扇脈譜圖對(duì)冷卻液溫度的影響

綜上所述，電子風(fēng)扇與電子節(jié)溫器聯(lián)合控制策略能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷工況下，單獨(dú)依靠電子節(jié)溫器對(duì)冷卻液流量進(jìn)行合理控制，達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻液溫度的任務(wù)。而在高速高負(fù)荷下，通過(guò)電子節(jié)溫器和電子風(fēng)扇的聯(lián)合控制，以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的使用，使得該智能冷卻系能夠迅速響應(yīng)，并有效控制冷卻液溫度。

5 結(jié)論

a) 根據(jù)風(fēng)扇和散熱器的性能試驗(yàn)，得到電子風(fēng)扇在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下的理論轉(zhuǎn)速脈譜圖，這可以為電子風(fēng)扇控制策略的制定提供依據(jù)；

b) 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的需求及冷卻液溫度對(duì)油耗的影響，將冷卻液目標(biāo)溫度定為95 ℃；

c) 對(duì)24種工況下的聯(lián)合控制策略研究表明，聯(lián)合控制策略可以精確控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，降低風(fēng)扇功耗；

d) 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的引入使得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速能夠迅速達(dá)到工作點(diǎn)附近，減少了冷卻液溫度的波動(dòng)和調(diào)節(jié)時(shí)間。