PWM风扇对整车油耗及噪声影响的研究

雷发兵 王端营

摘 要：本文通过对BOSCH UP8系统PWM风扇控制逻辑的研究，调整PWM风扇在不同工况下输出的占空比，并与两级电子风扇进行试验对比。试验结果表明PWM风扇在油耗、噪声水平等方面，均优于传统的两级电子风扇。

关键词：PWM风扇;控制逻辑;油耗;噪声

1 前言

在整车上，为了对发动机及空调系统进行冷却，需要配备冷却风扇。常见的车用冷却风扇，有传统的两级风扇以及目前应用越来越广泛的PWM风扇。PWM风扇又称无极变速风扇，可以根据冷却系统、空调系统、车辆行驶速度等的需求，线性控制风扇转速。传统的两级风扇，由于只有高低速两个档位，在某些工况下会出现冷却不足或冷却过量的现象。与传统的两级风扇相比，PWM风扇能将发动机温度保持在发动机最佳热效率温度，可以提升发动机动力性、经济性。另外，相比两级风扇而言，PWM风扇其运行噪音较低。本文基于BOSCH UP8系统PWM风扇控制逻辑，对比PWM风扇与两级风扇对整车油耗及噪声的影响。

2 车用PWM风扇控制原理

车用PWM风扇控制原理如图1所示。发动机控制模块ECM，根据整车的工作状态信号（空调开关信号、车速信号、发动机水温、空调压力信号等），通过计算得到合适的占空比，并发送给PWM风扇控制器，PWM 风扇控制器根据接收到的占空比，来控制PWM 风扇电机，从而对风扇转速进行控制。同时，发动机控制模块也通过控制器对PWM风扇状态进行监控，当PWM风扇出现故障时，ECM能及时采取适当的处理方法，以免引起更严重的问题。[1]

3 BOSCH UP8系统风扇控制逻辑

车载冷却风扇的主要作用是控制发动机水温，防止水温过高而损坏发动机;另外，在空调开启的时候，冷却风扇也用于控制空调压力，防止空调系统因压力过高而损坏。[2]因此，在设计风扇控制逻辑时，要设置空调关闭和空调开启两种状态，主要依据的信号有车速、水温、空调压力、空调开关状态。

3.1 空调关闭状态

空调关闭状态下，冷却风扇的主要作用是控制发动机水温。另外，车辆在行驶过程中，不同车速下发动机仓的进风量不一样，也会对风扇冷却效果有影响。因此要根据发动机水温、车速设置不同的占空比。如表1所示，横坐标x代表发动机水温，纵坐标y代表车速。

3.2 空调开启状态

空调开启状态下，风扇不仅要控制发动机水温，同时要将空调压力控制在安全范围。此时，要根据空调压力、发动机水温、车速三者来设置占空比，是一个三维表格。为简化工作量，我们通过设置空调系统的低压L、中压M、高压H的阀值，将空调压力细分为四个等级。如图2：

将空调压力分为P

3.3 占空比最终输出

通过以上控制逻辑，在空调开启或者空调关闭两种状态，ECU都会根据发动机水温、车速、空调压力输出一组占空比信号，再对占空比信号进行滤波计算，最终输出占空比信号给PWM风扇控制器，控制器控制风扇电机以对应的转速运转。[3]

4 油耗测试

4.1 车型选择

某在研车型，4缸1.5T发动机，7座乘用车，整备质量1485KG，匹配BOSCH UP8系统及PWM冷却风扇。

4.2 试验方法

参考两级风扇的特性，通过设置ECU输出的PWM信号，可以将PWM风扇模拟成两级风扇。为方便对比，使用同一台车进行试验，每次试验都安排同一个司机操作。在整车转毂上，分别进行以下试验：

4.2.1 匀速工况行驶

分别取速度点30km/h、70km/h、110km/h进行匀速油耗测试;每个速度点进行2次试验，第1次试验以常规的PWM数据设置进行试验;第2次试验，修改PWM输入，将PWM风扇模拟成两级风扇进行试验。保证转鼓设置的阻力、坡度、风量完全一致，每次试验持续30min，使用碳平衡法进行油耗结果计算。

4.2.2 WLTC循环行驶

采用WLTC工况进行试验，按Ι型试验要求先做预处理，预处理后充分浸车，中间不起动发动机，试验前需要保证每次蓄电池电压一致（大于12.3V）。随后分别做2次试验。第1次试验，以常规的PWM数据设置进行试验;第2次试验，修改PWM输入，将PWM风扇模拟成两级风扇进行试验。通过排放分析仪进行排放物结果计算，并使用碳平衡法进行油耗结果计算。

4.3 试验结果

各工况下油耗试验结果如表3所示。由试验结果可以看出，在各试验工况下，PWM风扇油耗普遍比两级风扇油耗低。尤其是在WLTC循環中，节油率可达1.9%。

5 噪声测试

5.1 车型选择

选用搭载PWM冷却风扇及两级冷却风扇的车型各1台，均匹配BOSCH UP8系统。

5.2 试验方法

采用分贝仪测量风扇运行噪声，保证分贝仪测量点与风扇的距离一致。为排除试验工况、车辆散差等影响，采用通过ECU数据控制占空比的方法，控制风扇运转。PWM风扇从开始运行到全速运行整个阶段，都测量运行噪声;两级风扇分别控制低速风扇、高速风扇运行，测量其运行噪声。

5.3 试验结果对比

如图3，蓝色曲线是两级风扇分别开启低速、高速风扇的噪音，可以看到在高速风扇开启的瞬间，噪音有一个明显的阶跃。图中红色曲线是PWM风扇在不同占空比下的噪音值。可以看出，在大部分工况下，PWM风扇的噪声值都小于两级风扇。

6 结论

本文对基于BOSCH UP8系统的PWM风扇控制策略进行研究，实现了对PWM风扇的控制，并且将PWM风扇与传统两级风扇进行对比，进行油耗、噪声测试。试验结果表明搭载PWM风扇的车型在油耗、噪声水平等方面，均优于搭载传统两级风扇的车型，具有较好的经济性、NVH性能。

参考文献：

[1]戴倩.基于PWM 控制的发动机冷却风扇控制系统[J]. 电子技术与软件工程.

[2]郭文松，胡俊等.基于单级PWM 风扇的某车型节油策略研究[J].汽车实用技术，2016.

[3]韩晓峰，张士路等.车用PWM冷却风扇控制策略实验研究[J].内燃机与动力装置，2014（6）：8-9，44.