重型商用車(chē)電控硅油風(fēng)扇控制策略?xún)?yōu)化研究

畢道坤，劉威亞，陸增俊，唐榮江，粘權(quán)鑫

(1.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司商用車(chē)技術(shù)中心，廣西 柳州 545000；2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000)

近年來(lái)我國(guó)物流業(yè)快速發(fā)展，商用車(chē)運(yùn)輸市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，客戶(hù)對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的要求也日益提高，同時(shí)國(guó)家出臺(tái)相關(guān)法規(guī)，對(duì)商用車(chē)的排放標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了越來(lái)越嚴(yán)格的規(guī)定[1]。為了滿(mǎn)足這些要求，汽車(chē)制造商一直在尋求各種方法減少排放并提高燃油效率。其中重要的方法之一是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，風(fēng)扇作為冷卻系統(tǒng)的主要耗功件，對(duì)其進(jìn)行精確控制顯得相當(dāng)重要[2-3]。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)方式主要采用了以下幾種方式：機(jī)械式、液壓式、磁/電流變離合器式和電控硅油離合器式[4]。其中電控硅油離合器在大型卡車(chē)(例如重型商用車(chē))中應(yīng)用最為廣泛[5]，它主要由主動(dòng)軸、線(xiàn)圈、工作腔、儲(chǔ)油腔等組成[6]，并由發(fā)動(dòng)機(jī)直接提供動(dòng)力[7]，其可以達(dá)到精確、迅速的調(diào)節(jié)控制[8]，因此具有降低發(fā)動(dòng)機(jī)損耗和排放、減小噪聲等優(yōu)點(diǎn)。張波濤等[9]研究了多種風(fēng)扇對(duì)車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)果表明，電控硅油風(fēng)扇具有明顯的節(jié)油性能。要長(zhǎng)東[10]通過(guò)采用電控硅油離合器，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度不同而變化的無(wú)級(jí)控制策略，減少發(fā)動(dòng)機(jī)低溫時(shí)冷卻系統(tǒng)徒勞的燃油消耗，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫節(jié)約燃油。

但是以上傳統(tǒng)硅油風(fēng)扇離合器在控制策略上仍存在一些缺點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)扇占用了較多的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，增加了油耗。如：發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到風(fēng)扇離合器開(kāi)啟的條件時(shí)，風(fēng)扇則全速運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻系統(tǒng)的冷卻性能瞬間提升，水溫下降幅度較大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中水溫波動(dòng)較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的精確控制。原始空調(diào)控制方式為ON-OFF模式，若空調(diào)處于開(kāi)啟狀態(tài)，則風(fēng)扇一直保持全速運(yùn)轉(zhuǎn)，未考慮空調(diào)的實(shí)際工作狀態(tài)，且未考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等因素的協(xié)同作用。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與空調(diào)工作狀態(tài)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速協(xié)同控制的策略。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的同時(shí)達(dá)到降低風(fēng)扇功耗，減少燃油消耗的目的。

1 電控硅油風(fēng)扇協(xié)同控制策略?xún)?yōu)化

1.1 風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制及影響因素

1.1.1 控制原理

重型商用車(chē)風(fēng)扇控制一般采用PID控制[11]，PID控制是基于對(duì)偏差“過(guò)去”、“現(xiàn)在”和“未來(lái)”信息估計(jì)的一種線(xiàn)性控制算法[12]。常見(jiàn)模擬PID控制的輸出u(t)是系統(tǒng)誤差分別經(jīng)過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)處理后線(xiàn)性結(jié)合的關(guān)系，表達(dá)式如下：

(1)

式中：kp為比例增益；e(t)為系統(tǒng)誤差；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間。

其傳遞函數(shù)形式通常為

(2)

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常采用增量式PID控制算法。這時(shí)，控制器的輸出與輸入之間的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式中：Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…；u(kT)為第k次采樣輸出值，e(kT)為第k次采樣輸出偏差值，e(kT-T)為第k-1次采樣輸出偏差值。

在重型商用車(chē)風(fēng)扇控制系統(tǒng)中輸入量主要有發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、空調(diào)開(kāi)關(guān)、緩速器油溫、散熱器溫度等。各變量進(jìn)入到PID系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)最終獲得輸出量，由此對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行控制。

1.1.2 風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速影響因素

本研究主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和空調(diào)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各方面都具有較大的影響，如發(fā)動(dòng)機(jī)壽命、可靠性以及燃油消耗等。所以，適宜的冷卻水溫不僅有利于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的提高，而且可提高經(jīng)濟(jì)性。以往水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響是，當(dāng)水溫較高時(shí)風(fēng)扇就全速運(yùn)轉(zhuǎn)。這種模式的控制策略顯然增加了不必要的做功，進(jìn)而增加了油耗。

將電控硅油風(fēng)扇離合器的控制策略更改為90～98 ℃的無(wú)級(jí)調(diào)速閉環(huán)控制，一方面提高風(fēng)扇初開(kāi)、全速運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度，另一方面閉環(huán)的無(wú)級(jí)調(diào)速控制可使水溫穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定溫度。

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系的一般原則是：低水溫對(duì)應(yīng)低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，高水溫對(duì)應(yīng)高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)設(shè)定初值，再在樣車(chē)上進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。最終獲得樣車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速關(guān)系

空調(diào)對(duì)風(fēng)扇的影響也是不可忽視的一部分[13]，傳統(tǒng)對(duì)空調(diào)的判斷僅為是否開(kāi)啟，未開(kāi)啟對(duì)風(fēng)扇沒(méi)有影響，開(kāi)啟后風(fēng)扇全速運(yùn)行，并未考慮空調(diào)實(shí)際的工作狀態(tài)，未能做到對(duì)空調(diào)影響因素更細(xì)致的劃分。

已知空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)將低壓的氣態(tài)制冷劑由低壓區(qū)抽取并壓縮為高壓氣態(tài)制冷劑后，送至空調(diào)冷凝器進(jìn)行散熱。經(jīng)過(guò)散熱后，制冷劑冷卻變?yōu)橐簯B(tài)，且壓力進(jìn)一步升高，呈現(xiàn)為高壓液態(tài)。空調(diào)制冷負(fù)荷越高，制冷劑壓力越高，所需求的散熱量也越高。整車(chē)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速直接導(dǎo)致冷凝器處空氣的流量變化，即影響了冷凝器的換熱量。如無(wú)法滿(mǎn)足散熱需求，則會(huì)導(dǎo)致制冷劑壓力過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)異常和損壞。

現(xiàn)考慮空調(diào)制冷劑壓力，根據(jù)冷凝器臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車(chē)試驗(yàn)，設(shè)定制冷劑壓力與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 空調(diào)制冷劑壓力與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速關(guān)系

1.2 風(fēng)扇協(xié)同控制策略

本研究中，對(duì)電控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制采用閉環(huán)PID控制，依據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，其中u(t)為控制器輸出，即t時(shí)刻PID控制器對(duì)風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的修正量。e(t)為控制器輸入，即t時(shí)刻的風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速與t時(shí)刻的風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，如式(4)所示。

e(t)=Vcal(t)-Vact(t)。

(4)

式中：Vcal(t)為t時(shí)刻風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速；Vact(t)為t時(shí)刻的風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速，由傳感器讀取。

最后，再依據(jù)式(5)得出風(fēng)扇要達(dá)到的轉(zhuǎn)速：

(5)

圖1 電控硅油風(fēng)扇控制原理

表3 風(fēng)扇控制占空比PWM設(shè)定 %

比例控制將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)；而比例系數(shù)太小，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)動(dòng)作遲緩。積分調(diào)節(jié)作用為消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[14]，因?yàn)橹灰姓`差，積分調(diào)節(jié)就會(huì)起作用，直至無(wú)誤差后積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)部分輸出一常值。微分調(diào)節(jié)能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生朝前的控制作用，避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)，改善系統(tǒng)在調(diào)解過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。研究中通過(guò)對(duì)比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行調(diào)整，觀察PID控制器對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制效果，不斷優(yōu)化控制參數(shù)，達(dá)到對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的快速、穩(wěn)定控制。

1.3 電控硅油風(fēng)扇相應(yīng)標(biāo)定

在進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)之前，為驗(yàn)證PID控制器系數(shù)的合理性，須要進(jìn)行標(biāo)定。利用標(biāo)定軟件(CANape)對(duì)空調(diào)制冷劑壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)輸入數(shù)值的超越控制，對(duì)風(fēng)扇的受控情況進(jìn)行監(jiān)控和記錄。

圖2示出手動(dòng)發(fā)送風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 300 r/min時(shí)，風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。曲線(xiàn)表明，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速能快速變化至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并保持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速±80 r/min的范圍內(nèi)。說(shuō)明PID控制器的系數(shù)設(shè)定合理，能使風(fēng)扇保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

通過(guò)超越控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水溫，進(jìn)行風(fēng)扇控制動(dòng)態(tài)標(biāo)定和驗(yàn)證。通過(guò)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)可知，風(fēng)扇在7.5 s左右的時(shí)間可以達(dá)到目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定在風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

2 油耗試驗(yàn)

試驗(yàn)采用同一臺(tái)車(chē)，以同樣的速度行駛相同的路段，第一次行駛樣車(chē)不做任何改動(dòng)，第二次行駛采用改進(jìn)的風(fēng)扇控制策略。觀察兩次行駛在相同工況下的油耗情況，樣車(chē)參數(shù)及試驗(yàn)條件如表4所示。兩次行駛僅風(fēng)扇控制策略不同，其他均相同。由于油耗試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法保證樣車(chē)兩次行駛過(guò)程中天氣溫度、風(fēng)速等自然條件相同，導(dǎo)致行駛路況有差異。所以引入一臺(tái)控制車(chē)，跟隨樣車(chē)進(jìn)行行駛，然后依據(jù)下式在油耗計(jì)算時(shí)消除因自然條件導(dǎo)致的誤差。

(6)

表4 樣車(chē)試驗(yàn)參數(shù)

式中：x1為原樣車(chē)在路況1行駛下的油耗；x2為改進(jìn)樣車(chē)在路況2行駛下的油耗；y1為控制樣車(chē)在路況1行駛下的油耗；y2為控制樣車(chē)在路況2行駛下的油耗。

在車(chē)輛行駛過(guò)程中采用控制器記錄發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇全開(kāi)信號(hào)等，如圖3至圖6所示。

圖3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫時(shí)序圖

從圖4可以看出，改進(jìn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制策略后，風(fēng)扇全開(kāi)的時(shí)間大大降低，風(fēng)扇的平均轉(zhuǎn)速也大大降低，且控制更加穩(wěn)定。改進(jìn)前，風(fēng)扇受空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況影響較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較低的情況下頻繁達(dá)到全開(kāi)狀態(tài)。改進(jìn)后，風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)基本與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫趨勢(shì)一致，全開(kāi)狀態(tài)大大降低，且可以滿(mǎn)足空調(diào)系統(tǒng)的冷卻需求。

圖4 空調(diào)制冷劑壓力狀態(tài)

圖5示出在控制策略改進(jìn)后，由于協(xié)同控制策略限制了盲目提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使得發(fā)動(dòng)機(jī)水溫有所升高，但水溫仍保持在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的適宜溫度。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫分布圖

從圖6可以看出，協(xié)同控制策略相比改進(jìn)前，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在低轉(zhuǎn)速區(qū)間(0～400 r/min)提高了75%，在高轉(zhuǎn)速區(qū)間(1 200～1 800 r/min)降低了30.3%。這是由于對(duì)空調(diào)的無(wú)級(jí)調(diào)速以及水溫因素影響的優(yōu)化減少了風(fēng)扇全速運(yùn)行的時(shí)間，使得控制策略改進(jìn)后風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速占比較大。

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分布圖

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。樣車(chē)在改進(jìn)前后試驗(yàn)中維持在近乎相同的車(chē)速。采用改進(jìn)后的控制策略，風(fēng)扇平均轉(zhuǎn)速僅為改進(jìn)前原車(chē)方案的30%左右。依據(jù)式(6)計(jì)算油耗，油耗節(jié)約了3.2%。證實(shí)了改進(jìn)策略在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提下，對(duì)節(jié)約燃油的有效性。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中電控硅油風(fēng)扇離合器控制策略進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)，并利用PID算法將二者進(jìn)行協(xié)同控制。一是，將發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)風(fēng)扇的控制改為了90～98 ℃的無(wú)級(jí)調(diào)速閉環(huán)控制，重新制定了冷卻水溫與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速的匹配，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況下降低了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。二是，將空調(diào)工作狀態(tài)作為影響風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速的因素之一，不同的制冷劑壓力對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

經(jīng)實(shí)車(chē)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)風(fēng)扇控制策略的有效性。與原始策略相比，在控制平均水溫近似相同的情況下，改進(jìn)后的策略較大地降低了風(fēng)扇的平均轉(zhuǎn)速，油耗可節(jié)省3%左右。