汽车电子风扇转速控制研究

胡巧声,李永记,宋 伟,闵峻英,赵 强,林建平

(1.上汽大众汽车有限公司 整车项目控制部,上海 201805; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804; 3.南京依维柯汽车有限公司 产品工程部,南京 210028)

车辆热管理系统的电控化、智能化和集成化是未来汽车的发展趋势[1-2].冷却风扇作为热管理系统中关键零部件,组织和控制着舱内空气的流动,其转速大小直接影响着散热所需的冷却风量[3].电控化和智能化的热管理系统要求冷却风扇从机械驱动走向电驱动,电子风扇根据控制信号进行同步调节,实现热管理系统的智能化热量控制,提高整车性能和舒适驾驶性能,实现节能减排的目标[4].

国外最先出现研究热管理系统自动控制的是美国学者[5]于1981年公开发表的一个关于发动机电控冷却系统的专利.2006年,大连理工大学的徐继涛[6]基于改进的PID控制策略,开发了一套智能化发动机冷却系统.2011年,沈阳工业大学的Li等[7]基于AVR单片机原理,研发了一套新型的智能化发动机冷却控制系统.目前,国内外对于冷却风扇的转速控制主要基于实验标定的温度反馈调节,而通过仿真和理论结合建立风扇转速的控制函数研究较少,前者虽然能够满足发动机的散热要求,但是在一定程度上浪费了能量,增加了油耗,增加了开发成本[8-9].

本文以某型客车为研究对象,通过发动机传热理论分析了热管理系统的传热路径,基于发动机舱的热平衡条件,结合相应的实验和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真技术,建立了以车速、发动机转速、散热器进水温度和环境温度作为输入,冷却风扇转速作为输出的控制函数.在保证发动机正常工作的前提下,通过该函数可以精确控制发动机温度,提高燃油经济性,促进节能减排.

1 电子风扇转速控制函数的建立方法

发动机舱热管理系统的两个子系统是水循环和冷却风道,同时这也是冷却传热的两条基本路径,其交汇点是散热器,如图1所示.冷却水由水泵驱动进行强制循环流动,流经发动机的缸套、缸盖及气门座等受热部件的水套并吸热,温度升高;再流入散热器,释放所吸收的热量,温度下降到吸热前的水平,然后回到水泵进口,形成冷却水循环回路.冷却空气通过进气格栅进入发动机舱,经过冷凝器、散热器和风扇,带走冷却水的热量,最终散发到外界环境中,形成空气的冷却风道.

图1 发动机舱热管理系统示意图Fig.1 Schematic of thermal management system

根据图1进行热管理系统冷却传热理论分析可知:以散热器标准散热功率为核心,分别从水循环和冷却风道这两条传热路径推导出标准散热功率的计算公式,理论上这两条路径的标准散热功率应相等.根据此相等关系即可由已知量(发动机发热量、发动机转速、散热器进水温度、环境温度、水流量),求得匹配冷却风扇的关键未知量(散热器迎面风速).

在上述热管理系统散热分析的基础上,散热器的标准散热功率、冷却水流量和迎面风速有直接关系.进一步深入分析可知,冷却水流量受水泵影响,而水泵是通过曲轴驱动与发动机相连,故水流量与发动机转速存在函数关系.迎面风速受车速、风扇转速和发动机舱零部件结构及其布置的影响,在发动机舱零部件结构及其布置确定的条件下,迎面风速与车速、风速转速存在一个三元关系.联立以上方程,最终可以建立一个以车速、发动机转速、散热器进水温度和环境温度作为输入,冷却风扇转速作为输出的热管理系统控制函数组.

2 电子风扇转速控制函数的建立

以某型客车为例,整合相关实验、资料数据和CFD仿真技术,建立相匹配的冷却风扇转速控制函数.

2.1 发热量与发动机转速的函数f1

根据该型客车发动机经实验测得的发热量与转速关系数据,当发动机转速在0～4 000 r/min之内,发动机的发热量与发动机转速近似成四次方关系.根据实验数据,利用最小二乘法拟合函数f1,其图像如图2所示,函数拟合的相关系数为0.991,发热量与发动机转速的函数f1为

(1)

式中:Qe为发动机发热量，kW;re为发动机转速，Kr/min.

图2 发动机发热量与发动机转速关系Fig.2 Heat generation of engine vs. engine speed

2.2 散热器标准散热量的换算函数f2

根据《JB/T 2293—1978 汽车、拖拉机散热器风筒试验方法》[10],散热器的标准散热量Qn的计算公式为

(2)

式中:Qn为水侧标准散热功率，kW;Qr为冷却系统应散发的散热量，kW;Tw为散热器的进水温度，℃;Ta为环境温度，℃.液-气温差(Tw-Ta)影响散热器的实际散热功率,其值越大,散热器的实际散热功率越大,冷却水降温越快.

2.3 散热器标准散热量与水流量、迎面风速的函数f3

对于一个结构形式和材料确定的散热器来说,其标准散热功率仅由冷却水流量和迎面风速唯一确定[11],可以通过散热器台架实验获得其相关数据,图3所示为散热器标准散热功率Qn与水流量q、迎面风速vr的关系曲线.由图3(a)可知,相同的迎面风速下,标准散热功率与水流量近似呈线性关系;由图3(b)可知,相同的水流量下,标准散热功率与迎面风速近似成三次方关系.

图3 散热器的散热性能曲线Fig.3 Cooling performance curve of radiator

散热器的标准散热功率与水流量、迎面风速的关系可用四次多项式方程来表示,将实验数据拟合出散热器标准散热功率Qn的计算表达式为(拟合的相关系数为0.922)

(3)

式中:q为冷却水流量，(L·min-1);vr为迎面风速，(m·s-1).

2.4 水流量与发动机转速的函数f4

由水泵性能实验获得水流量与水泵转速的关系,由于水泵由发动机曲轴直接驱动,发动机转速即为水泵转速,当发动机转速在0～4 000 r/min之内,水流量与发动机转速近似呈线性关系.根据实验数据可拟合函数f4的表达式为(拟合的相关系数为0.993)

(4)

式中:q为水流量(L/min);re为发动机转速(kr/min).

2.5 迎面风速与车速、风扇转速的函数f5

建立发动机舱热管理系统的CFD仿真模型,如图4所示,通过整车实验验证多种工况下模型有效.

图4 发动机舱热管理系统仿真Fig.4 Thermal management system of the underhood

设置多组车速(0～120 km/h)和风扇转速(0～2 500 r/min)的不同组合,仿真获得发动机舱内的风速场分布,并计算出散热器迎风面的平均风速值.将获得的数据按自变量不同分别作图,得到迎面风速与车速、风扇转速的趋势线,如图5所示.由图5(a)可知,相同的风扇转速下,迎面风速与车速近似呈线性关系;由图5(b)可知,相同的车速下,迎面风速与风扇转速近似成二次方关系.

图5 散热器迎面风速与车速、风扇转速的关系图Fig.5 Relations between the face velocity of radiator with vehicle speed and fan speed

散热器迎面风速与车速、风扇转速的关系近似可用三次多项式曲面方程来表示,根据获得的数据点(vc,rf,vr),利用最小二乘法拟合出函数f5为(拟合的相关系数为0.994)

(5)

式中:vr为散热器迎面风速，(m/s);vc为车速，(km/h);rf为风扇转速，(Kr/min).

2.6 发动机舱热平衡条件函数f0

根据发动机冷却传热理论基础,发动机舱热平衡条件为发动机发热量等于散热器实际散热量,故函数f0表达式为

(6)

综上所述,对于研究车型所匹配的冷却风扇,依据以散热器标准散热功率为核心的热管理系统散热匹配方法,建立了冷却风扇转速的控制函数组,如图6所示.

图6 冷却风扇转速的控制函数组Fig.6 Controlling function group of cooling fan speed

利用上述建立的冷却风扇转速的控制函数,选取怠速(发动机空转,900 r/min)、最大扭矩点(1 800 r/min)、中间点(2 800 r/min)和最大功率点(3 450 r/min)4种工况下,分别计算在维持发动机舱内温度的平衡所需的冷却风扇转速值,如表1所示.

表1 不同工况下理论所需的冷却风扇转速值Tab.1 Calculated values of cooling fan speed under different conditions

从表1中可以看出,当预设散热器进水温度Tw为常值时:① 在同一种工况下,随着车速的不断提高,所需风扇的转速值不断降低,直到高速情况下,冷却风扇转速为零,提高了发动机热效率,以达到节能减排的目标;② 随着环境温度的不断提高,所需风扇的转速值也不断提高;③ 不同工况下,发动机转速的变化也会导致风扇转速值的变化.

3 电子风扇无级调速控制程序

本文针对电子风扇无级调速的核心程序,即输出不同工况下所需的冷却风扇转速,从热管理系统集成的角度,利用Microsoft Visual Studio C/C++语言编写了程序,包含程序主函数、散热器标准散热量函数、散热器迎面风速计算函数和冷却风扇转速计算函数.

无级调速控制程序的计算过程如图7所示.如当输入车速40 km/h、发动机转速1 800 r/min、散热器进水温度98 ℃和环境温度35 ℃时,即可根据控制程序计算并输出该工况下冷却风扇的转速为1 160 r/min.

图7 风扇无级调速控制程序框图Fig.7 Flow diagram of the stepless speed control program of the electronic fan

4 结论

(1) 基于热管理系统冷却传热的理论分析,以冷却风扇为研究对象,结合相应的实验、资料数据和CFD仿真技术,最终建立了以车速、发动机转速、散热器进水温度和环境温度作为输入,冷却风扇转速作为输出的热管理系统控制函数组.最后,利用该控制函数计算了研究车型在怠速、最大扭矩点、中间点和最大功率点(发动机转速分别为900,1 800,2 800和3 450 r/min)4种工况下,以不同挡位行驶时理论所需的冷却风扇转速值,从而验证了转速控制函数的有效性.

(2) 基于冷却风扇的无级调速控制策略,利用C/C++语言编写了控制程序,可实现冷却风扇的智能化控制,精确地控制发动机出水温度,减少油耗,提高发动机燃油经济性,实现节能减排的目标.