PWM风扇控制策略研究

PWM风扇控制策略研究
发表时间：2018-07-20T15:23:25.690Z 来源：《基层建设》2018年第14期作者：吴泽奇孙伟莉
[导读] 摘要：PWM风扇作为风扇领域的前沿技术，已经被各个主机厂研究应用。

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心安徽合肥 230022
摘要：PWM风扇作为风扇领域的前沿技术，已经被各个主机厂研究应用。

本文首先通过对PWM风扇的工作原理进行了阐述，同时通过整车ECU标定控制逻辑，整车匹配搭载，说明了PWM风扇的先进技术以及所带来的节能降噪的优势，并通过对PWM风扇与现有技术的风扇进行零部件试验对比得出零部件节能降噪的成果，得出PWM风扇的优势。

关键词：PWM（脉宽调制）；节能；油耗;噪声
Abstract: As advanced technology in the field of electron fan, PWM fan have been researched or used in Vehicle OEMs. This paper firstly presents the element of PWM fan , and explained the advantages of PWM fan that bring energy-saving and noise reduction, and prove it through components test results that comparing PWM fan and normal electron fan. To achieve correct matching PWM fan in vehicle by the vehicle ECU calibration control logic, and prove the advantage of PWM fan through vehicle tests.
Keywords: PWM（Pulse Width Modulation ） Energy saving
Petrol consumption Noise
1 PWM风扇原理
1.1 PWM风扇节能原理
综上，由于PWM风扇可以通过PWM变换器脉宽调制线性控制风扇的转速，因此，在整车大致时通过冷却系统、空调系统的风量需求，实现风扇风量的按需提供，达到相对于普通的双级风扇，可起到节省能耗和降低噪声的效果。

1.2 PWM风扇控制原理
由于PWM风扇的工作需要兼顾发动机冷却系统的良好热性与空调系统的制冷性能正常，应此，风扇控制的计算输入既需要采集发动机冷却系统水温信号，也需要采集空调系统冷媒的压力信号。

确保风扇工作时的风量可以同时满足两个系统的正常工作。

同时，由于车辆在行驶时车速会产生一定的冷却风量通过散热器和冷凝器，参与到发动机冷却系统和空调系统冷媒的冷却工作中，在确保发动机冷却系统与空调系统正常工作的前提下，为了提升风扇工作的经济性，会根据不同车速，对风扇的工作状态进行修正。

因此，在PWM风扇的控制系统中，风扇控制的计算输入也需要采集车速信号。

依据PWM风扇控制原理的所述的主要逻辑关系，在不同车速、不同的空调压力区间下根据水温的不同，设定相应的风扇控制占空比阀值。

空调关闭时，ECU模块传输给PWM控制模块的PWM指令信号是根据开关信号中的关闭信号情况下的不同水温占空比输入PWM指令信号给PWM控制模块；同时，ECU模块分别在中车速或高车速下设置有按照水温延迟开启的逻辑信号；
空调开启时，ECU模块传输给PWM控制模块的信号需要判断空调系统的压力和车速，在不同的压力区间和车速区间按照不同水温下相应的占空比传输信号给PWM控制模块。

其中空调关闭、开启时每个区间内风扇转速计算方法如下：
X1≤X＜X2时，Y=A+K1（X-X1）
X2≤X＜X3时，Y=A+K1（X2-X1）+K2(X-X2)
……
Xn≤X＜Xn+1时，Y=A+K1（X2-X1）+K2(X3-X2)+……Kn（X-Xn）
其中，Y为占空比值，A为水温低于90℃时的起始占空比阀值，Kn为第n个阀值后的系数（Kn≥0），X为实际水温，Xn为第n个阀值的水温。

A的值根据不同的车型会有变化，此处的A处需要根据不同的车型或不同的发动机排量进行最终值的标定确认。

按照上述的计算方法，形成针对PWM风扇的控制逻辑表，尽可能地提升风扇工作的经济性。

2 对比试验
通过试验的方法对比相同工况下PWM风扇与双级风扇的工作状态，并对其能耗进行分析对比。

2.1 能耗对比试验
2.1.1 开空调状态下对比试验
考虑到理论上在空调开启状态下PWM风扇会与双级风扇存在较大差异，结合用户实际可能用到的行车工况进行试验，对比油耗试验结果如下：
表1 开空调状态试验结果
试验结果表明匹配PWM风扇的车型相对于双级风扇车型，在开启空调的行驶状态下可相对节省油耗1%～5%，其中25℃开空调时PWM无极风扇NEDC综合油耗节油0.4 L/100km（NEDC城市循环油耗统计精度分别为0.7%、0.4%），40℃开空调时PWM无极风扇NEDC
综合油耗节油0.3L/100km（NEDC城市循环油耗统计精度分别为0.8%、1.8%）。

2.1.2 关空调状态下对比试验
由于在空调关闭的状态下，转动的逻辑只与发动机水温和车速相关，实际测量NEDC工况下，风扇仅在城市循环低速工况下介入工作，总介入时间约为180S，由于考虑到试验误差，因此整个工况中风扇节省的功率在油耗上体现效果并不如开空调状态明显。

如下图曲线可以发现，在NEDC工况下测量风扇的工作状态，两种风扇是有较为明显的区别的，在风扇介入工作的时间段里，根据表2可知，理论上风扇可以节能0w～278w不等。

2.2 噪声对比试验
试验方案：为降低背景噪声和环境噪声影响，将车辆停放在空旷场地中央，怠速不开空调的情况下，通过ECU控制风扇的占空比，实现上述工况风扇噪声的对比，此时，除了风扇噪声只有发动机怠速噪声的影响，由于发动机噪声恒定，可以明显对比出风扇噪声的变化。

风扇的工作状态按照开空调状态能耗对比试验时的风扇工作状态进行再现复测。

在怠速背景噪声下，测得风扇不同工作状态下车内和车外的噪声如下：
表3 双级（高低速）风扇与PWM风扇噪声对比
怠速背景噪声情况下，PWM风扇相比双级（高低速）风扇不同工作状态下，车内噪声降低0.1～2.4 dB(A)，车外噪声降低1.1～11.7 dB(A)，说明PWM风扇由于工作状态的区别，大部分工况下都可以体现出相对于双级风扇的降噪效果。

3 结论
本论文通过对PWM风扇的原理阐述并结合实际方案设计分析说明PWM在整车上应用相对于普通双级电子风扇的优势，并通过其控制原理和逻辑分析其节能效果，最后试验数据证明PWM风扇在整车开空调状态下有明显的节能降噪优势，并能对整车油耗降低作出贡献。

在整车开空调状态下通过数据采集分析，也可以得出PWM相对于双级风扇节能的结论。

综上，PWM风扇在整车上搭载应用会相对于普通的双级电子风扇起到节能、降噪的效果。

参考文献：
[1].余志生《汽车理论》机械工业出版社 p40-p50
[2] 秦曾煌《电工学》下册高等教育出版社 P15-P22 P125-P175
[3] 韩晓峰等《车用PWM冷却风扇控制策略试验研究》《内燃机与动力装置》P8。