基于PWM 风扇的系统选型方法

2020-11-26

小型内燃机与车辆技术 2020年5期

（吉利汽车研究院有限公司浙江宁波 315315）

引言

基于PWM 占空比信号对冷却风扇转速进行控制[1]，设计PWM 风扇的电路和控制策略。同时结合保险丝选型，导线线径选型和端子选型方法，得出最优的系统选型方案应用于PWM 风扇，经过实车测试数据分析得出该方案为可行的。

1 PWM 风扇的电路与控制策略

PWM 风扇由风扇控制模块，功率控制模块和电机模块3 大模块组成。风扇控制模块为具有电子控制单元的无刷电驱模块，其目的为驱动PWM 冷却风扇，它将整车中发动机控制器输出的PWM 信号通过功率控制模块处理转换成对应的风扇转速，风扇转速由闭环PID（Proportion Integration Differentiation）进行控制，确保风扇工作电流和功率不超出最大电流和最大功率。功率控制模块将PWM 信号经过处理转换成直流DC 电压来实现风扇停转，风扇线性运行，风扇全速运行和低功耗（待机）4 种模式。

PWM 风扇功率控制模块和风扇控制模块接口如图1 所示。

图1 PWM 风扇功率控制模块和风扇控制模块接口

风扇控制模块将接收到的PWM 信号，转换成对应的占空比输出给功率控制模块。其中占空比DCi为Tlow/Tp，如图2 所示。

图2 功率控制模块控制信号

为了让功率控制模块能正确辨识，风扇控制模块的PWM 信号必须满足表1 的数值范围。

表1 PWM 信号数值范围

风扇工作模式和功率控制模块控制信号对应表如表2 所示，为了确保控制信号的正确性，在风扇切换另外一个运行模式时，控制信号会被采样5 次。

表2 风扇工作模式和功率控制模块控制信号对应表

从图3 可以看出功率控制模块控制信号（占空比）与风扇转速对应关系，在最小风扇转速为750 r/min时,此时对应的占空比为10%；在最大风扇转速为2 700 r/min 时，此时对应的占空比为90%～95%。

图3 功率控制模块控制信号与风扇转速

为了确保风扇能正常运行，系统会将所有侦测到的错误状态通过拉低PWM 信号反馈给发动机控制器（EMS）。侦测信号周期为9～11 s，其中故障指示信号发出后的延迟处理时间为1 500～1 550 ms 判定为风扇高温故障，故障指示信号发出后的延迟处理时间为2 000～2 050 ms 判定为风扇过压/欠压故障，故障指示信号发出后的延迟处理时间为2 500～2 550 ms 判定为风扇完全堵转。

2 PWM 风扇系统选型理论计算

根据PWM 电器参数，其额定功率（P额）为430 W，额定电压（U额）为13 V，额定电流（I额）为33 A，最大电流（Imax）为38 A，启动瞬间最大电流为330 A（持续时间为0.47 ms）。为了让风扇达到限功率条件，将风扇的电流和电压进行管控，当风扇输入电压＞13 V，其输入电压和输入电流成反比；而当风扇输入电压≤13 V，其输入电压和输入电流成正比，如图4 所示。

图4 风扇输入电压和输入电流对应关系

2.1 太平洋品牌保险丝方案

2.1.1 保险丝选型

1）负载电流I=33 A。

2）考虑到负载为大电流且长时间脉冲电流，选择慢熔保险丝。

3）慢熔保险丝安全系数为0.5[2]，在常温下保险丝的容量为

4）在120 ℃情况下保险丝容量为If==76.24 A,选择ES 80 A 保险丝。

5）在120 ℃情况下计算PWM 风扇的ES 80A 保险丝能承受I2t 的冲击次数，PWM 风扇累积I2t 和累积时间计算值如图5 绿色点所示，可以看出选择ES 80A 保险丝可以承受至少108 次脉冲电流的冲击，能满足PWM 风扇的极端工况需求。

图5 PWM 风扇的ES 80A 保险丝能承受I2t 的冲击次数

2.1.2 导线线径选型[3]

1）不同导线线径对应的每米最大电阻值RC。

表3 不同导线线径对应的每米导线最大电阻值[4]

2）导线电阻和热阻乘积为r×RC=，其中导线热阻r 的单位为℃·m/W。

4）导线温升ΔT=r×RC×I2×，其中导线温升ΔT 的单位为℃，导线所加载电流I 的单位为A，导线持续加载电流时间t 的单位为s。

5）不同线径导线在不同电流持续工作1 h 情况下的温升曲线如图6 所示。

图6 不同线径导线在不同电流情况下的温升曲线

7）通过计算可以得出需要使用FLR9Y 10 mm2导线来适配ES 80A 保险丝,计算数据如图7 所示。

图7 ES 80A 保险丝与5/6/8/10 mm2 导线的I-t 曲线

2.1.3 端子选型

端子选型信息见表4。

表4 端子选型信息

2.2 力特品牌保险丝方案

2.2.1 保险丝选型

1）负载电流I=33 A。

2）考虑到负载为大电流且长时间脉冲电流，选择慢熔保险丝。

3）在常温下保险丝的容量为Ifc==44 A。

4）根据图8 可以得出保险丝性能折减系数RR，在120 ℃情况下RR=88%。

图8 JCASE 系列保险丝性能折减系数对应环境温度曲线

6）在 120 ℃情况下,保险丝 Ifuse=，其中t1为电流的累积时间（s）。

7）在120 ℃情况下，保险丝I2t=（Ifuse×RR）2×t1。

8）在120 ℃情况下计算相对I2t，从图9 可以得出最大的相对I2t=（累积负载I2t）/（保险丝I2t）=25%。

图9 JCASE 50A 保险丝的相对I2t 曲线

9）根据JCASE 50A 保险丝的相对I2t 与耐冲击脉冲电流次数对应曲线，可以得出选择JCASE 50A保险丝可以承受至少1×106次脉冲电流的冲击，如图10所示。按照极端情况下，如每20 min 启动一次PWM风扇，每天运行24 h，保险丝可以正常运行38 y，因此JCASE 50A 保险丝能满足PWM 风扇工作需求。

图10 JCASE 50A 保险丝的相对I2t 与耐冲击脉冲电流次数对应曲线

2.2.2 导线线径选型

基于导线不同电流对应发烟时间的计算公式，可以得出需要使用FLR9Y 5 mm2导线来适配JCASE 50 A 保险丝,计算数据如图11 所示。

图11 JCASE 50A 保险丝与5 mm2 导线的I-t 曲线

2.2.3 端子选型

端子选型如表5 所示。

对比太平洋保险丝方案和力特保险丝方案，两者虽然从性能上都能满足PWM 风扇工作需求，但是从保险丝，导线和端子3 个维度上进行成本对比，力特保险丝方案比太平洋保险丝方案可以减少42%成本，因此最终选择力特保险丝方案做为PWM 风扇最终的系统选型方案，如表6 所示。

表6 太平洋保险丝方案和力特保险丝方案系统选型的成本对比

3 PWM 风扇系统选型方案和实车验证

基于采用力特保险丝方案作为PWM 风扇系统选型方案，其PWM 风扇系统框图如图12 所示。

同时采用钳形电流表，电压表，示波器和温度采集显示仪对PWM 风扇进行实车数据采集，对采集到的PWM 风扇电流/电压/温度数据进行分析，可以看出热平衡后温度差都未超过30 ℃，如表7 所示。同时根据端子Derating（I-T）曲线可以得出在额定电流下能持续正常工作，因此采用力特保险丝方案作为PWM 风扇系统选型方案是可行的。