乘用车冷却系统控制线路的设计

童圣骁，童国庆，孙泽昌，韩海强，韦兴民，冯擎峰

（1.新南威尔士大学，澳大利亚 悉尼 2052；2.同济大学，上海 201804；3.吉利汽车研究院，浙江 杭州 311228）

乘用车冷却系统控制线路的设计

童圣骁1，童国庆2，3，孙泽昌2，韩海强3，韦兴民3，冯擎峰3

（1.新南威尔士大学，澳大利亚 悉尼 2052；2.同济大学，上海 201804；3.吉利汽车研究院，浙江 杭州 311228）

介绍发动机冷却系统控制策略，描述调速电阻式冷却系统控制线路及冷却风扇串并联调速式控制线路，讲述两种控制线路专用件设计事例，分析两种控制线路的优缺点。两种控制线路样件试装验证均达到技术要求，并在不同车型上批量应用。

冷却系统；调速电阻式；串并联调速式

发动机工作过程中，气缸内的温度可高达1927～2527℃，为保证发动机的正常工作，必须对高温条件下工作的机件进行及时的冷却。冷却系统的功用就是使工作中的发动机得到适度的冷却，从而保证发动机工作在最适宜的环境温度范围下。冷却系统控制线路是冷却系统的关键部分之一，冷却系统控制线路的合理性对保证冷却系统正常工作至关重要。

1 冷却系统控制策略

为了保证发动机正常工作，需要通过发动机冷却系统控制发动机的温度在合理的范围内。在冷却系统中，曲轴通过皮带驱动离心式水泵，强制冷却液在冷却系统内循环流动。由于冷却系统风扇的强力抽吸，使空气在散热器表面高速通过，流经散热器的冷却液得以冷却，冷却了的冷却液在冷却系统内循环中又可从发动机的高温机件上吸取热量。如此不断地循环，使发动机的高温机件不断地得到冷却。

冷却系统控制线路是根据发动机的工作温度，控制冷却风扇的工作状态，以控制冷却系统冷却量的大小，保证发动机工作在正常的温度范围内。

冷却系统控制线路涉及到发动机ECU、水温传感器、冷却风扇、发动机线束、机舱线束、熔断丝盒等零部件。发动机ECU是冷却系统控制线路的核心部件，其控制策略见表1。

表1 发动机冷却系统控制策略

2 冷却系统电气控制原理

冷却系统控制原理是，发动机ECU根据接收到的水温传感器的水温信号（通过负温度系数的热敏电阻转换为电阻信号），发送执行指令控制冷却继电器的吸合与断开，从而控制高、低速冷却风扇的启动与停止，形成闭环控制。发动机ECU实时监测水温，对冷却风扇实时控制。

2.1 控制方式

根据不同的需要，目前比较常用的有2种冷却系统控制方式，见表2。

表2 发动机冷却风扇控制方式

2.1.1 单冷却风扇增加调速电阻式控制方式

当发动机水温低于某一值时，冷却风扇不工作；当发动机水温高于某一值而低于另一规定值时，电源通过调速电阻到冷却风扇正极，冷却风扇低速运行；当发动机水温高于某一设定值时，电源直接到达冷却风扇正极，冷却风扇高速运行。

2.1.2 双冷却风扇增加调速电阻式控制方式

双冷却风扇并联连接。当发动机水温低于某一值时，冷却风扇不工作；当发动机水温高于某一值而低于另一规定值时，电源通过调速电阻到双冷却风扇正极，冷却风扇低速运行；当发动机水温高于某一设定值时，电源直接到达双冷却风扇正极，冷却风扇高速运行。

2.1.3 双冷却风扇串并联高低速控制方式

当发动机水温低于某一值时，风扇不工作；当发动机水温高于某一值而低于另一规定值时，电源接到一个冷却风扇正极，双冷却风扇以串联的方式接入线路，低速运行；当发动机水温高于某一设定值时，电源接到双冷却风扇正极，双冷却风扇以并联的方式接入线路，高速运行。

2.2 控制原理分析

2.2.1 调速电阻式控制

通过发动机ECU控制继电器的吸合与断开，控制调速电阻的接入与短接，从而控制冷却风扇工作在低速档与高速档。电气原理简图如图1所示。

需要控制冷却风扇低速运行时，发动机ECU的A.S.FAN2引脚输出低电平，控制冷却风扇低速继电器常开触点闭合，电源正极→40A熔断丝→调速电阻→散热器双风扇（或单风扇）→搭铁，散热器双风扇（或单风扇）低速运行。

需要控制冷却风扇高速运行时，发动机ECU的A.S.FAN1引脚输出低电平，控制冷却风扇高速继电器常开触点闭合，电源正极→40A熔断丝→散热器双风扇（或单风扇）→搭铁，散热器双风扇（或单风扇）高速运行。

单风扇只能采用调速电阻控制风扇的高、低速。

2.2.2 冷却风扇串并联式控制

通过发动机ECU控制继电器的吸合与断开，控制双冷却风扇的串并联，从而控制冷却风扇工作在低速档与高速档。电气原理简图如图2所示。

需要控制冷却风扇低速运行时，发动机ECU的67引脚输出低电平，控制1号风扇继电器常开触点闭合，电源正极→20A熔断丝→1号风扇继电器触点→冷却风扇1→2号风扇继电器常闭触点→冷却风扇2→搭铁，形成回路，双风扇串联低速运行。

需要控制冷却风扇高速运行时，发动机ECU的67、50引脚输出低电平，控制1号风扇继电器、2号风扇继电器、3号风扇继电器常开触点闭合。一路电源正极→20A熔断丝COOL2→1号风扇继电器触点→冷却风扇1→3号风扇继电器触点→搭铁；另一路电源正极→20A熔断丝COOL1→2号风扇继电器触点→冷却风扇2→搭铁，形成2个回路，双风扇并联高速运行。

3 调速电阻式控制专用件开发

调速电阻式控制冷却风扇高、低速，涉及的专用件有：冷却风扇、发动机ECU、发动机线束、机舱线束、熔断丝盒。其中发动机ECU通过调整软件、匹配达到要求，在此不再论述。

3.1 冷却风扇的开发

左右两个风扇集成在一起，根据发动机舱的热平衡及冷却量，冷却双风扇的设计需要基本参数如下。额定电压：14±0.1V；额定电流：高速档为20A，低速档为15A；堵转电流：55±10A；额定转速：高速档为2300±230r／min，低速档为1900±190r／min。

调速电阻的额定功率80W；电阻0.27±0.027Ω［1-3］。

冷却双风扇的外形见图3，电气原理图见图4，调速电阻外形见图5。

为了避免低速时冷却风扇异常引起堵转、短路等情况下，致使调速电阻长时间通过大电流（熔断丝容量40A）而引起更大的故障，将调速电阻设计成带过热保护的调速电阻（图6）。调速电阻的阻值、热保护熔断温度、熔断时间，根据风扇的实际工作情况经过计算确定。如某款车型的调速电阻确定为0.27±0.027Ω，调速电阻热保护温度确定为260±3℃，调速电阻热保护熔断时间确定为80～100s。

3.2 发动机线束总成的开发

发动机线束是ECU接收水温传感器信息、发送控制冷却风扇指令的导电通道，根据实际情况开发出发动机线束总成。导线线径的选取，需考虑负载的大小、安全系数因素［4，5］。

3.3 发动机机舱线束总成的开发

发动机机舱线束是冷却系统电源、发动机ECU发送控制冷却风扇的线路。机舱熔断丝盒集成在机舱线束总成里，内含冷却系统熔断丝、继电器、线路。导线线径、熔断丝容量的选取，需考虑负载的大小、安全系数因素［4，5］。

4 双风扇串并联调速式控制专用件开发

双风扇串并联调速式控制系统涉及的专用件有：冷却风扇、发动机ECU、发动机线束、机舱线束、熔断丝盒。其中发动机ECU通过调整软件、匹配达到要求，在此不再论述。

4.1 冷却风扇的开发

左、右风扇分开设计，根据发动机舱的热平衡及冷却量，左、右冷却风扇设计的基本参数相同。冷凝风扇电机总成额定值：电压12±1V，电流≤11A，转速2300±100r／min；在电压13.5V，静压100Pa时，额定风量1300±50m3／h［1-3］。冷却双风扇的外形如图7所示。

4.2 发动机线束与机舱线束总成的开发

双风扇串并联调速式控制系统的发动机线束与机舱线束总成的开发，与调速电阻式控制系统基本类似，在此不再详述。

5 两种控制线路优缺点分析及样件试装验证

这两种控制方式各有优缺点。调速电阻式控制电路，2个冷却风扇集成在一起作为一个零部件，便于管理及整车厂的装配，只需2个继电器即可，但需要增加一个调速电阻，且单一熔断丝（40A）保护线路，高速时保护线路可以及时熔断，低速时不易及时熔断，必须增加过热保护器。

串并联调速控制线路，2个冷却风扇分开设置，通过风扇的串并联控制风扇的转速，设置双熔断（2个20A）保护线路，比较合理，不需要调速电阻，可以不用过热保护器，但需要3个控制继电器，且2个冷却风扇零部件增加了管理成本和整车厂装配成本。

调速电阻式冷却风扇控制线路和串并联式冷却风扇控制线路，在不同车型上试装验证，均达到技术要求。两种控制方式分别在不同车型上批量生产使用。

［1］聂晓龙.某车型冷却系统的研究与分析［D］.吉林大学，2012.

［2］陆瑞松.内燃机的传热与热负荷［M］.北京：国防工业出版社，1985.

［3］张生.对流传热与传质［M］.北京：高等教育出版社，1985.

［4］德国BOSCH公司.Robert BOSCH GmbH汽车电气与电子控制［M］.魏春源，等译.北京：北京理工大学出版社，2004.

［5］德国BOSCH公司.BOSCH汽车工程手册（中文第2版）［M］.顾柏良，等译.北京：北京理工大学出版社，2004.

（编辑心翔）

Design of Control Circuit for Cooling System on Passenger Car

TONG Sheng-xiao1，TONG Guo-qing2，3，SUN Ze-chang2，HAN Hai-qiang3，WEI Xing-min3，FENG Qing-feng3
（1.The University of New South Wales，Sydney，Australia 2052；2.Tongji University，Shanghai 201804，China；
3.Geely Automobile Research Institute，Hangzhou 311228，China）

The control strategy for engine cooling system is introduced here。The fan speed control circuit in resistance type and that in series and parallel connection are described.The design examples for the two kinds of control circuit are offered and their advantages and disadvantages are analyzed.The test and validation of the samples indicate the two kinds of control circuit have reached the technical requirements，which can be applied in bulk in different car models.

cooling system；speed ad justing in resistance type；speed ad justing in series and parallel connection

U463.234.93

A

1003－8639（2014）06－0001－03

2013-09-02；

2013-12-26