重型商用车电控硅油风扇控制策略优化研究

毕道坤，刘威亚，陆增俊，唐荣江，粘权鑫

(1.东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，广西 柳州 545000；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541000)

近年来我国物流业快速发展，商用车运输市场不断扩大，客户对运输车辆燃油经济性的要求也日益提高，同时国家出台相关法规，对商用车的排放标准也进行了越来越严格的规定[1]。为了满足这些要求，汽车制造商一直在寻求各种方法减少排放并提高燃油效率。其中重要的方法之一是改进发动机冷却系统，风扇作为冷却系统的主要耗功件，对其进行精确控制显得相当重要[2-3]。

目前，发动机冷却风扇的驱动方式主要采用了以下几种方式：机械式、液压式、磁/电流变离合器式和电控硅油离合器式[4]。其中电控硅油离合器在大型卡车(例如重型商用车)中应用最为广泛[5]，它主要由主动轴、线圈、工作腔、储油腔等组成[6]，并由发动机直接提供动力[7]，其可以达到精确、迅速的调节控制[8]，因此具有降低发动机损耗和排放、减小噪声等优点。张波涛等[9]研究了多种风扇对车辆燃油经济性的影响，结果表明，电控硅油风扇具有明显的节油性能。要长东[10]通过采用电控硅油离合器，实现了风扇转速随发动机冷却水温度不同而变化的无级控制策略，减少发动机低温时冷却系统徒劳的燃油消耗，同时提高发动机的水温节约燃油。

但是以上传统硅油风扇离合器在控制策略上仍存在一些缺点，导致风扇占用了较多的发动机动力，增加了油耗。如：发动机水温达到风扇离合器开启的条件时，风扇则全速运转，冷却系统的冷却性能瞬间提升，水温下降幅度较大，导致发动机运行过程中水温波动较大，无法实现发动机水温的精确控制。原始空调控制方式为ON-OFF模式，若空调处于开启状态，则风扇一直保持全速运转，未考虑空调的实际工作状态，且未考虑与发动机水温等因素的协同作用。

针对以上问题，提出一种发动机水温与空调工作状态对风扇转速协同控制的策略。在保证发动机散热的同时达到降低风扇功耗，减少燃油消耗的目的。

1 电控硅油风扇协同控制策略优化

1.1 风扇目标转速控制及影响因素

1.1.1 控制原理

重型商用车风扇控制一般采用PID控制[11]，PID控制是基于对偏差“过去”、“现在”和“未来”信息估计的一种线性控制算法[12]。常见模拟PID控制的输出u(t)是系统误差分别经过各个环节处理后线性结合的关系，表达式如下：

(1)

式中：kp为比例增益；e(t)为系统误差；Ti为积分时间；Td为微分时间。

其传递函数形式通常为

(2)

在数字控制系统中，通常采用增量式PID控制算法。这时，控制器的输出与输入之间的关系如式(3)所示。

(3)

式中：Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数；T为采样周期；k为采样序号，k=0，1，2，…；u(kT)为第k次采样输出值，e(kT)为第k次采样输出偏差值，e(kT-T)为第k-1次采样输出偏差值。

在重型商用车风扇控制系统中输入量主要有发动机水温、空调开关、缓速器油温、散热器温度等。各变量进入到PID系统中，经过各个环节最终获得输出量，由此对风扇进行控制。

1.1.2 风扇目标转速影响因素

本研究主要考虑发动机水温和空调对风扇转速的影响。发动机水温对发动机各方面都具有较大的影响，如发动机寿命、可靠性以及燃油消耗等。所以，适宜的冷却水温不仅有利于发动机动力性能的提高，而且可提高经济性。以往水温对发动机的影响是，当水温较高时风扇就全速运转。这种模式的控制策略显然增加了不必要的做功，进而增加了油耗。

将电控硅油风扇离合器的控制策略更改为90～98 ℃的无级调速闭环控制，一方面提高风扇初开、全速运转的温度，另一方面闭环的无级调速控制可使水温稳定运行在设定温度。

发动机水温和风扇转速关系的一般原则是：低水温对应低风扇转速，高水温对应高风扇转速。根据以往试验结果及经验设定初值，再在样车上进行验证和调整。最终获得样车的发动机水温与风扇转速的关系，如表1所示。

表1 发动机水温与风扇目标转速关系

空调对风扇的影响也是不可忽视的一部分[13]，传统对空调的判断仅为是否开启，未开启对风扇没有影响，开启后风扇全速运行，并未考虑空调实际的工作状态，未能做到对空调影响因素更细致的划分。

已知空调系统工作时，空调压缩机将低压的气态制冷剂由低压区抽取并压缩为高压气态制冷剂后，送至空调冷凝器进行散热。经过散热后，制冷剂冷却变为液态，且压力进一步升高，呈现为高压液态。空调制冷负荷越高，制冷剂压力越高，所需求的散热量也越高。整车风扇转速直接导致冷凝器处空气的流量变化，即影响了冷凝器的换热量。如无法满足散热需求，则会导致制冷剂压力过高，进而导致系统异常和损坏。

现考虑空调制冷剂压力，根据冷凝器台架试验和实车试验，设定制冷剂压力与风扇目标转速的对应关系，如表2所示。

表2 空调制冷剂压力与风扇目标转速关系

1.2 风扇协同控制策略

本研究中，对电控硅油风扇转速的控制采用闭环PID控制，依据式(1)进行计算，其中u(t)为控制器输出，即t时刻PID控制器对风扇目标转速控制的修正量。e(t)为控制器输入，即t时刻的风扇目标转速与t时刻的风扇实际转速的偏差，如式(4)所示。

e(t)=Vcal(t)-Vact(t)。

(4)

式中：Vcal(t)为t时刻风扇目标转速；Vact(t)为t时刻的风扇实际转速，由传感器读取。

最后，再依据式(5)得出风扇要达到的转速：

(5)

图1 电控硅油风扇控制原理

表3 风扇控制占空比PWM设定 %

比例控制将加快系统的响应速度，但过大的比例系数会导致系统产生超调，并产生振荡，甚至使系统不稳；而比例系数太小，会导致调节动作迟缓。积分调节作用为消除系统的稳态误差[14]，因为只要有误差，积分调节就会起作用，直至无误差后积分调节停止，积分调节部分输出一常值。微分调节能预测误差变化的趋势，产生朝前的控制作用，避免被控量的严重超调，改善系统在调解过程中的动态特性。研究中通过对比例系数、积分时间常数、微分时间常数进行调整，观察PID控制器对风扇转速的控制效果，不断优化控制参数，达到对风扇转速的快速、稳定控制。

1.3 电控硅油风扇相应标定

在进行实车试验之前，为验证PID控制器系数的合理性，须要进行标定。利用标定软件(CANape)对空调制冷剂压力、发动机水温、发动机转速、风扇目标转速等参数进行手动输入数值的超越控制，对风扇的受控情况进行监控和记录。

图2示出手动发送风扇目标转速1 300 r/min时，风扇实际转速的变化过程。曲线表明，风扇转速能快速变化至目标转速，并保持在目标转速±80 r/min的范围内。说明PID控制器的系数设定合理，能使风扇保持平稳运转。

图2 风扇转速变化曲线

通过超越控制发动机转速和水温，进行风扇控制动态标定和验证。通过风扇的转速变化曲线可知，风扇在7.5 s左右的时间可以达到目标控制转速，并稳定在风扇目标转速。

2 油耗试验

试验采用同一台车，以同样的速度行驶相同的路段，第一次行驶样车不做任何改动，第二次行驶采用改进的风扇控制策略。观察两次行驶在相同工况下的油耗情况，样车参数及试验条件如表4所示。两次行驶仅风扇控制策略不同，其他均相同。由于油耗试验时间较长，无法保证样车两次行驶过程中天气温度、风速等自然条件相同，导致行驶路况有差异。所以引入一台控制车，跟随样车进行行驶，然后依据下式在油耗计算时消除因自然条件导致的误差。

(6)

表4 样车试验参数

式中：x1为原样车在路况1行驶下的油耗；x2为改进样车在路况2行驶下的油耗；y1为控制样车在路况1行驶下的油耗；y2为控制样车在路况2行驶下的油耗。

在车辆行驶过程中采用控制器记录发动机水温、风扇转速、风扇全开信号等，如图3至图6所示。

图3 风扇转速与发动机水温时序图

从图4可以看出，改进风扇转速控制策略后，风扇全开的时间大大降低，风扇的平均转速也大大降低，且控制更加稳定。改进前，风扇受空调系统运行情况影响较大，在发动机水温较低的情况下频繁达到全开状态。改进后，风扇运行状态基本与发动机水温趋势一致，全开状态大大降低，且可以满足空调系统的冷却需求。

图4 空调制冷剂压力状态

图5示出在控制策略改进后，由于协同控制策略限制了盲目提高风扇转速，使得发动机水温有所升高，但水温仍保持在发动机工作的适宜温度。

图5 发动机水温分布图

从图6可以看出，协同控制策略相比改进前，风扇转速在低转速区间(0～400 r/min)提高了75%，在高转速区间(1 200～1 800 r/min)降低了30.3%。这是由于对空调的无级调速以及水温因素影响的优化减少了风扇全速运行的时间，使得控制策略改进后风扇低转速占比较大。

图6 风扇转速分布图

试验结果如表5所示。样车在改进前后试验中维持在近乎相同的车速。采用改进后的控制策略，风扇平均转速仅为改进前原车方案的30%左右。依据式(6)计算油耗，油耗节约了3.2%。证实了改进策略在保证发动机正常工作的前提下，对节约燃油的有效性。

表5 试验结果

3 结束语

本研究针对发动机冷却系统中电控硅油风扇离合器控制策略进行了两点改进，并利用PID算法将二者进行协同控制。一是，将发动机水温对风扇的控制改为了90～98 ℃的无级调速闭环控制，重新制定了冷却水温与风扇目标转速的匹配，在发动机正常工作的情况下降低了风扇转速。二是，将空调工作状态作为影响风扇目标转速的因素之一，不同的制冷剂压力对应不同的风扇目标转速。

经实车对比试验，验证了改进风扇控制策略的有效性。与原始策略相比，在控制平均水温近似相同的情况下，改进后的策略较大地降低了风扇的平均转速，油耗可节省3%左右。