基于PWM控制的发动机冷却风扇改进

魏远飞，侯邦明



基于PWM控制的发动机冷却风扇改进

魏远飞，侯邦明

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

发动机冷却风扇是汽车发动机冷却系统的重要组成部分，基于PWM控制的发动机冷却风扇可以无级调速，从而在车辆运行中实现实时、动态、精准的风速控制。文章结合发动机冷却风扇失效的实际案例，分析研究了基于PWM控制的发动机冷却风扇失效的原因，并提出改进方案，通过效果验证，成功提供了发动机冷却风扇失效的解决方案。

PWM控制；冷却风扇；改进

1 引言

汽车发动机在高温工作环境下必须得到适度冷却，以使其保持在适宜温度下工作，才能满足发动机良好的工作性能、耐久性和废气排放的要求。随着动力技术的发展，各动力总成对工作环境的控制要求越来越精细，在汽车冷却风扇中，基于PWM控制的发动机冷却风扇由于具有实时、动态、精准的风速控制，在汽车冷却风扇中得到越来越广泛的应用。本文结合实际失效案例，对基于PWM控制的发动机冷却风扇的失效进行了分析和研究，提出并验证了改进方案。

2 基于PWM控制的发动机冷却风扇

PWM为Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制法）的简称，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，通过控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期，达到变压变频及控制和消除谐波的目的一种控制技术[1]。简单的PWM控制器系统框图如图1所示。基于PWM 控制的发动机冷却风扇通过调制控制器内部开关在一个周期内的导通时间来改变输出端（电机）的高频方波的占空比，其与电机两端的平均电压成正比：占空比越大，平均电压越高，电机转速越高，以此实现对冷却风扇的转速控制[2]。

如图2，为某车型基于PWM控制的发动机冷却风扇总成，其主风扇上直接带有一个基于PWM控制的冷却风扇控制器，分别对发动机冷却风扇的主冷却风扇和副冷却风扇进行无极调速控制。

图1 PWM控制系统框图

图2 基于PWM控制的发动机冷却风扇总成

基于PWM控制的发动机冷却风扇的控制策略是：如图3所示，ECU 根据当前整车各系统工作状态的信号，如空调制冷剂压力、车速、发动机水温等，从预先标定的MAP图中查询预先标定的占空比并将其发送给PWM控制器，PWM控制器接收到信号后，通过uC处理器将计算出输出PWM信号的占空比，把PWM波形变为可以直接驱动冷却风扇的控制信号，并通过MOSFET开关晶体管T8/T9实现对主风扇和副风扇的转速控制。

图3 基于PWM控制的冷却风扇控制器工作原理示意图

冷却风扇控制器接收到的PWM控制信号与发动机冷却风扇的转速对应关系：如图4所示，蓝色线是冷却风扇控制器接收到的来自发动机ECU的PWM控制信号占空比，紫色线是冷却风扇控制器输出的风扇实际转速。当kl87接通且无PWM信号或者PWM信号为0%时，发动机冷却风扇进入紧急模式，必须在10s后全速工作；当PWM信号占空比为10%时，发动机冷却风扇退出紧急模式；当PWM信号占空比为13%-85%时，发动机冷却风扇转速在15%-97%之间无极变速；当PWM信号占空比大于86%时，发动机冷却风扇以100%全速运行。

图4 PWM控制信号占空比与冷却风扇转速的对应关系

基于PWM控制的发动机冷却风扇具有以下特点：（1）、调速方式采用PWM无级调速，可以在车辆运行中实现实时、动态、精准的风速控制。（2）、转速控制的PWM信号由发动机ECU根据车辆环境和使用工况Map图给出，获得对汽车发动机及时且精确的冷却效果，从而更好的实现汽车发动机的燃油经济性。（3）、采用PWM控制器控制，系统控制方式由软件决定，可以融合故障检测程序，这样能够在冷却风扇运行中，及时地发现自身出现的各种故障，及时通知汽车发动机ECU预警，避免发生发动机因为水温过高抱死等风险。

3 基于PWM控制的发动机冷却风扇失效模式及机理分析

3.1 发动机冷却风扇的失效模式分析

在售后市场上不断出现带PWM控制器的发动机冷却风扇失效引起的用户抱怨，绝大部分都是因基于PWM控制的风扇控制器失效引起发动机冷却风扇不转或冷却风扇常转。如图5示，对大量售后市场返回的带PWM控制器的冷却风扇失效件进行统计分析，其主要故障模式是PWM风扇控制器失效，近90%的PWM风扇控制器失效的直接原因是PWM风扇控制器的MOSFET晶体管T8/T9失效。对失效PWM风扇控制器的MOSFET晶体管进行超声波（C-SAM）扫描分析发现，失效MOSFET是典型的EOS损伤。EOS，即Electrical Over Stress，通常是过电压或过电流产生的芯片过热，导致芯片硅融化及氧化层击穿及金属融化等失效。

图5 PWM风扇控制器的故障模式和失效分析

3.2 发动机冷却风扇的失效机理分析

如图6所示，当PWM控制信号控制MOSFET晶体管T8/T9导通时，汽车蓄电池给发动机冷却冷却风扇供电，冷却风扇开始工作，冷却风扇的转速取决于PWM控制信号的占空比。T8/T9为功率MOSFET晶体管，当冷却风扇工作时，通过冷却风扇的电流也会加载在MOSFET晶体管内，产生电流热应力，当加载在MOSFET管内的电流热应力超过MOSFET晶体管的规范要求时，将导致MOSFET晶体管EOS失效。

图6 T8/T9MOSFET晶体管的工作示意图

T8/T9作为MOSFET晶体管，其EOS失效的主要模式：一是因过电压EOS使晶体管内部氧化层击穿，造成漏极与源极之间短路；二是因过电流EOS使晶体管内部温度过高而局部熔化失效。

基于PWM控制的发动机冷却风扇失效的根本原因是PWM控制器的MOSFET晶体管T8/T9因EOS（过电压/过电流）引起的失效。因此，提高功率MOSFET的耐电压能力和耐电流能力可以提高PWM风扇控制器的鲁棒性。

3.3 发动机冷却风扇的堵转模拟分析

在汽车运行中，由于冷却风扇的老化，灰尘增加导致电机的负载增大，再或者是有杂物阻碍了风扇的转动，或者汽车涉水容易导致发动机冷却风扇的堵转。由于堵转时定子电流数值迅速增大，一般为额定电流的8-10倍，从而造成流过功率MOSFET的电流超过最大漏源电流ID，从而造成功率MOSFET的EOS失效。

如图7所示，为发动机冷却风扇的堵转模拟试验。通过测功机增加负载来模拟冷却风扇的堵转工况，主风扇电机正常工作时的电流为16A，当模拟堵转负载转矩增加至2.3Nm时，风扇总电流升至约90A，此时主电机停转；以后将负载解除，但风扇无法恢复正常运转，PWM控制器故障，拆下来分析确认功率MOSFET因EOS失效，与售后返回的故障件失效模式一致。

试验表明，为了汽车运行中的安全，要求发动机冷却风扇控制系统必须对电机堵转及时做出判断，及时关断电机并且保护电机［3］。因此，有必要在PWM风扇控制器中增加堵转保护功能。

4 基于PWM控制的发动机冷却风扇改进

4.1 基于PWM控制的发动机冷却风扇改进方案

根据分析，基于PWM控制的发动机冷却风扇失效的根本原因是EOS（过电压/过电流）引起的PWM控制器MOSFET晶体管T8/T9失效。针对该失效模式，确定PWM控制器在硬件和软件上同时进行改进，在硬件上将功率MOSFET原晶体管IRL2203N改为STP150NF55，提供功率MOSFET的鲁棒性；在软件上增加堵转保护功能，设计改进方案如表1：

表1 PWM控制器设计改进方案

4.2 功率MOSFET的最大漏电流ID提升

如图8所示，改进后的功率MOSFET（STP150NF55）的最大漏电流ID高于原有的功率MOSFET（IRL2203N），可以大大提高MOSFET的耐电流能力，防止MOSFET因电流过流引起EOS失效。

图8 IRL2203N（改进前）和STP150NF55（改进后）的ID曲线对比

4.3 PWM控制器的堵转保护设计

冷却风扇堵转判断原理：采用检测电枢转子的反电动势，来检测堵转故障。由公式：U=CeΦn+IaRa，其中：(Ea= CeΦn，其中CeΦ为常数)。所以，当堵转故障发生时，电枢转子的转速会比平时应该具有的转速低很多，电枢绕组的感应电动势的绝对值Ea肯定变低，所以可以比较测得反电动势Ea与正常运转时应该具有的反电动势绝对值的大小，来判断是否发生堵转故障。

冷却风扇堵转保护设计：为了监测冷却风扇是否发生堵转，根据不同的电源电压值和工作环境温度，通过软件初始设置不同的电压保护阀值。当冷却风扇工作时，如果电机电压值连续6次（每个监测间隔0.5s）被监测到未达到初始设置保护阀值， PWM控制器将限制冷却风扇在低速工作；如果电机电压值连续12次被监测到未满足初始设置保护阀值，冷却风扇将被PWM控制器中止工作；40s后，冷却风扇将被重新启动，并继续监测。

如图9所示，PWM控制器监测到电机电压在意外条件下（如异物卡入、涉水等），由于负载增大导致电流增大转速降低，PWM控制器就会启动堵转保护响应机制，中止冷却风扇工作，从而防止功率MOSFET在大负载高电流恶劣工况下持续工作，从而实现对功率MOSFET的保护。

图9 PWM控制器的堵转保护（SoftStall）工作原理

5 发动机冷却风扇改进后的效果验证

5.1 脉冲电压冲击试验效果验证

以PWM输入=80%，Up=13.5V进行试验，原设计样件在52V/ 400ms时，功率MOSFET击穿损坏，电路短路，如表2和表3。改进后设计样件在68V/800ms时，功率MOSFET未击穿，电容C24和C25击穿。试验表明，改进后（STP150NF55）的样件比装原样件（IRL2203N）具有更好的抗脉冲电压冲击能力。

表2 装IRL2203N（改进前）样件的脉冲电压试验

表3 装STP150NF55（改进后）样件的脉冲电压试验

5.2 堵转试验效果验证

将改进后样件通过试验台架进行堵转模拟试验，当负载转矩增加至2.1Nm时，风扇总电流升至约70A，此时主电机停转；以后将负载解除，风扇重启并恢复正常运转。PWM控制器得到有效保护，未发生故障，如图10。试验表明：改进后样件的PWM控制器能够有效实现堵转保护功能，实现PWM控制器在堵转条件下的过电流保护。

图10 改进后冷却风扇的堵转试验曲线

综上所述，基于PWM控制的发动机冷却风扇的改进总体方案能够有效提升冷却风扇的抗脉冲电压能力，以及有效解决冷却风扇因堵转导致的过电流失效，从而有效解决因EOS引起的功率MOSFET失效。

6 总结

汽车发动机的可靠运行离不开冷却风扇系统的作用，基于PWM控制的发动机冷却风扇，能通过PWM 信号来控制冷却风扇运行状态，进行无极调速，保证发动机在任何负荷条件下和工作环境下均能在最适合的温度状态下正常和可靠地工作。本文针对基于PWM控制的发动机冷却风扇的失效案例，根据故障机理和故障原因分析，成功提出了发动机冷却风扇的改进方案，并通过试验验证了效果，确保基于PWM控制的发动机冷却风扇的可靠性。

[1] 黄冠鑫,李康永.PWM风扇控制策略验证方法研究[J].汽车仿真与测试,2018(05).

[2] 汪金德,高炜.汽车发动机冷却风扇控制器的综合参数测试[J].仪表技术,2016(07).

[3] 王重播.汽车冷却风扇的设计[J].机械设计,2018(08).

Improvement of PWM Engine Cooling Fan

Wei Yuanfei, Hou Bangming

( SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )

The engine cooling fan is an important part of the car engine cooling system. The engine cooling fan based on PWM controlling can be regulated to realize real-time, dynamic and accurate wind speed control during vehicle operation. Based on the actual case of engine cooling fan failure, this paper analyzes and studies the root cause of PWMengine cooling fan failure, and puts forward an improved scheme. Through the effect verification tests, the solution for the engine cooling fan failure is successfully implemented.

PWM Controlling; Cooling Fan; Improvement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.052

U464

A

1671-7988(2019)10-150-04

U464

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1671-7988(2019)10-150-04

魏远飞（1982-），男，硕士研究生，工程师，现就职于上汽大众汽车有限公司。