一種乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)

王靜中 宋宏利 張俊生 韓橙

摘要：文章從軟硬件部分簡述了乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)的整體架構，重點介紹了熱管理控制閥的特性結構以及控制程序中的主要功能模塊;通過分析整車實驗數據更直觀的體現出熱管理控制閥控制系統(tǒng)可以有效的控制水溫和快速暖機的能力，根據發(fā)動機最佳工作溫度范圍的特性，說明此套系統(tǒng)可以讓乘用車起到節(jié)能減排的作用;此外智能化是熱管理系統(tǒng)的關鍵技術和發(fā)展趨勢。

Abstract： This paper briefly describes the overall structure of the control system of passenger vehicle thermal management control valve from the hardware and software part， and mainly introduces the characteristic structure of the thermal management control valve and the main function modules in the control program. Through the analysis of the vehicle experimental data， the thermal management control valve control system can effectively control the water temperature and the ability to warm the engine quickly. According to the characteristics of the optimal operating temperature range of the engine， it shows that this system can make passenger vehicles play a role in energy conservation and emission reduction.In addition， intellectualization is the key technology and development trend of thermal management system.

關鍵詞：熱管理系統(tǒng);熱管理控制閥;控制程序;智能化

Key words： thermal management system;thermal management control valve;control program;intelligent

中圖分類號：U464.138? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0025-04

1? 背景和意義

隨著汽車這種交通工具的日益普及，它所涉及的能源及環(huán)境問題也越來越被大家所重視，如何節(jié)能減排是一個永遠圍繞著它的實際問題。所以要讓汽車發(fā)動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，只有在最佳溫度下工作，發(fā)動機才能最省油，原油才可以發(fā)揮出最高的效益，這樣就降低了能耗，提高了效率，達到了節(jié)能減排的目的。

目前有些汽車的發(fā)動機通過節(jié)溫器來控制冷卻液的大小循環(huán)。但是節(jié)溫器的開關方式很單一，開關間隙是根據節(jié)溫器感溫體內石蠟的融化程度所決定的，所以不能精確控制開關間隙。這樣冷卻液的流量分配就不能人為可控，水溫控制不精確。并且控制條件就只有冷卻液溫度這一個變量，控制策略簡單不全面。

而乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)可以讓熱管理控制閥根據發(fā)動機冷卻液溫度、發(fā)動機進氣溫度、發(fā)動機轉速、發(fā)動機負荷、扭矩、車速、控制閥當前角度等這些實時變量，精確的控制球閥的轉動角度來進行大小循環(huán)分配冷卻液流量，使發(fā)動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍。一套優(yōu)秀的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)可以使發(fā)動機在工作循環(huán)時保持在最佳溫度，讓發(fā)動機在最佳溫度下工作才最省油、最穩(wěn)定、最能發(fā)揮其效能。

2? 發(fā)動機熱管理系統(tǒng)簡述

發(fā)動機熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)圍繞著發(fā)動機展開，工作重點是保證發(fā)動機正常有效運轉，同時盡量減小該系統(tǒng)運行所消耗的功率，達到發(fā)動機熱效率最大化。主要工作對象有冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)。

發(fā)動機熱管理系統(tǒng)是將發(fā)動機中所有涉及到傳熱的系統(tǒng)當作一個大的綜合系統(tǒng)進行考慮，以期望能得到發(fā)動機各個熱流系統(tǒng)的精確邊界參數。

恰當的熱管理系統(tǒng)可以改善發(fā)動機的運行環(huán)境，提高發(fā)動機的使用壽命，降低發(fā)動機的燃油消耗，改善發(fā)動機排放[1]。

冷卻系統(tǒng)：

冷卻系統(tǒng)與上述的每個系統(tǒng)幾乎都有關系，它是整個熱管理系統(tǒng)的核心部分。冷卻液從發(fā)動機中吸熱量過大將會造成發(fā)動機有效功率降低，從而增大單位功率的燃油消耗率。另外冷卻液從發(fā)動機中吸熱量過大會造成燃燒室的壁面溫度過低，這對發(fā)動機的燃燒也是極為不利的，對汽油機來說燃燒室壁溫太低不利于著火，會造成排放中CO和CH含量增高，對柴油機來說則會引起工作粗暴[2]。

冷卻液從發(fā)動機中吸熱量過小也同樣存在問題。因為發(fā)動機燃燒室的金屬材料都有一個溫度的承受范圍，特別是對于運動副來說，過高的溫度會降低金屬的強度，從而導致運動副拉傷甚至損壞。

冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的溫差也不宜過大，以免在冷卻液溫度偏高時冷卻腔的某些部位發(fā)生過度沸騰甚至膜態(tài)沸騰，從而造成發(fā)動機散熱率降低而引發(fā)過熱。

因此根據發(fā)動機的運行情況適當的調節(jié)冷卻液的溫度是很有必要的，在發(fā)動機中水泵的轉速和發(fā)動機的轉速成正比關系難以改變。水溫的調節(jié)主要是通過熱管理控制閥和散熱器及風扇來調節(jié)的。

熱管理控制閥通過程序智能的調節(jié)球閥轉動角度實現精確的大小循環(huán)分水量，散熱器主要是通過控制流過散熱器的空氣流速來決定散熱器的散熱量，空氣流速的調節(jié)是通過散熱器風扇來實現的。

3? 乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)介紹

乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)是一種基于整車發(fā)動機平臺的試驗用控制系統(tǒng)，根據不同的熱管理系統(tǒng)需求和整車節(jié)能減排目標，此套系統(tǒng)可以進行整車耐久試驗和整車油耗排放試驗;還可以驗證和優(yōu)化熱管理控制策略。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)是在實際乘用車的系統(tǒng)上稍加改進，主要是替換加入熱管理控制閥這個功能部件，并且最終可以對熱管理控制閥進行標定控制以及實時獲取和應用整個系統(tǒng)各項數據的功能。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)結構組成如下，硬件部分主要包括：熱管理控制器、熱管理控制閥、風扇控制器、風扇、散熱器、溫度采集模塊、溫度傳感器、OBD接口、PC、整車發(fā)動機平臺;軟件部分主要包括：標定控制程序、上位機軟件。結構框圖如圖1所示，圖2為熱管理控制閥實際安裝位置。

3.1 熱管理控制閥產品介紹

本項目試驗用熱管理控制閥的結構組成如圖3所示。主要由電子執(zhí)行器和閥這兩個關鍵部件組成;圖4為熱管理控制閥實物圖。

3.2 標定控制程序原理介紹

3.2.1 程序原理結構

程序原理結構如圖5所示，它包含了6個子功能模塊，分別是三通閥角度采集模塊、發(fā)動機進出口冷卻液溫度采集模塊、三通閥目標角度控制模塊、三通閥電機控制模塊、發(fā)動機信息采集模塊、目標水溫控制模塊。

3.2.2 主要子功能模塊介紹

3.2.2.1 三通閥角度采集模塊

此功能模塊的作用是實時讀取熱管理控制閥的當前角度。角度通過SENT協(xié)議發(fā)出后轉換成CAN協(xié)議進行解析讀取。模塊內部結構如圖6所示。

3.2.2.2 三通閥目標角度控制模塊

此功能模塊的作用是按照熱管理控制策略，將匯集到的數據進行分析、計算、查表、PID控制，最后得到所需要的目標角度值。模塊內部結構如圖7所示。

3.2.2.3 三通閥電機控制模塊

此功能模塊的作用是將三通閥當前實際角度值和計算得出的目標角度值進行分析PID計算，然后對電子執(zhí)行器內的電機作PWM控制，使電機帶動球閥轉動到目標角度。模塊內部結構如圖8所示。

4? 乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)工作原理及優(yōu)點

4.1 系統(tǒng)工作原理

此套系統(tǒng)中熱管理控制器為控制核心，由它管理和控制系統(tǒng)中其他部件的狀態(tài)，而控制器的控制邏輯則是根據控制策略所寫的程序所決定?？刂破髦苯舆B接熱管理控制閥，通過CAN線連接風扇控制器、溫度采集模塊和OBD接口，它自身還可以通過CAN線和PC連接通訊，進行讀取信息和標定的工作。

控制器通過CAN線接收OBD接口采到的發(fā)動機信息和控制閥的當前角度，通過比較目標水溫和發(fā)動機冷卻液溫度進行PID控制，其中還有根據車速、進氣溫度、發(fā)動機轉速、發(fā)動機負荷等變量以及控制風扇運行程序所組成的邏輯運算，最終得到一個可以控制水溫的精確的控制閥目標角度;然后比較控制閥當前角度和目標角度的差值PID控制執(zhí)行器電機的轉動使閥角度轉到目標角度，最終使冷卻液溫度穩(wěn)定在目標溫度附近。

4.2 控制系統(tǒng)優(yōu)點

相比于傳統(tǒng)節(jié)溫器，熱管理控制閥控制系統(tǒng)在控制水溫方面更精確、更靈活、更智能，可以根據每臺發(fā)動機的差異性來制定目標溫度控制水溫。

5? 熱管理控制閥控制系統(tǒng)整車實驗分析

5.1 試驗背景意義

目前乘用車熱管理技術的研究手段主要是試驗研究，因為其真實可靠。試驗平臺是進行研究和開發(fā)的基礎設施，充分利用好試驗平臺的優(yōu)勢可以找出或驗證各種熱管理對象的熱負荷特性、熱管理系統(tǒng)的流動與傳熱特性以及外部環(huán)境與車輛熱量傳遞的規(guī)律。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)依托整車發(fā)動機平臺，可以研究熱管理系統(tǒng)中各部件的工作特性，進行發(fā)動機各種工況下的熱性能試驗研究。

此次實驗中將整車發(fā)動機側的節(jié)溫器替換為熱管理控制閥并結合控制系統(tǒng)驗證其可靠性和耐久性，以及通過分析系統(tǒng)采集到的各項數據比較熱管理控制閥和節(jié)溫器在冷卻系統(tǒng)中的性能差異。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)通過整車發(fā)動機平臺還可以驗證和優(yōu)化控制策略，從而方便制定不同的熱管理系統(tǒng)控制策略。

5.2 熱管理控制閥水溫控制曲線

圖9為在城市工況下的水溫控制曲線，可以看到冷卻液溫度控制在目標水溫附近。整個控制過程包含了40km/h、60km/h、80km/h三種不同的車速情況。

5.3 熱管理控制閥溫升曲線

圖10為使用了熱管理控制閥控制系統(tǒng)后的溫升曲線，從66℃水溫到105℃目標溫度只用了327秒，暖機時間要優(yōu)于使用傳統(tǒng)節(jié)溫器的時間。

6? 發(fā)展趨勢

隨著計算機技術及發(fā)動機電控技術的發(fā)展。采用電子驅動及控制的冷卻水泵、風扇、節(jié)溫器等部件可以通過傳感器和計算機芯片根據實際的發(fā)動機溫度控制運行，提供最佳的冷卻介質流量，實現熱管理系統(tǒng)控制智能化，降低了能耗，提高了效率[3][4]。

智能化熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關鍵技術是熱管理系統(tǒng)與發(fā)動機運行的匹配技術以及系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的選擇問題。系統(tǒng)仿真分析表明，熱管理系統(tǒng)效率很大程度上依賴于系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，控制對象包括水泵轉速、電控節(jié)溫器（熱管理控制閥）閥門開度以及冷卻風扇轉速等[5]?？梢愿鶕嚢l(fā)動機實際工作和試驗情況，依據系統(tǒng)優(yōu)化原則來制定智能化電控熱管理系統(tǒng)控制策略。使發(fā)動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，縮短暖機和駕駛艙升溫時間。提高發(fā)動機后冷卻和駕駛室加熱能力。

7? 結論

結合整車實驗數據，我們能夠直觀的感受到熱管理控制閥控制系統(tǒng)可以靈活有效的控制冷卻液溫度使其穩(wěn)定在目標溫度附近，讓發(fā)動機在最佳溫度范圍內工作，并且還可以快速暖機。綜上所述熱管理控制閥控制系統(tǒng)是可以讓乘用車起到節(jié)能減排的效果的。此外，智能化是熱管理技術的關鍵和發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1]漆杰，童元，趙少鋒，王文.汽車熱管理系統(tǒng)淺析[J].汽車實用技術，2017（19）：113-115，131.

[2]薛海亮，劉瑞軍.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的改進[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2016（04）：59-62.

[3]張數平.汽車發(fā)動機冷卻的控制技術研究[J].工程技術，2016（02）：200-202.

[4]朱游兵.汽車發(fā)動機冷卻的控制技術研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（04）：81.

[5]李波，阮仁宇，等.整車熱管理技術及應用分析[J].汽車實用技術，2016（12）：202-204.