基于PWM控制的發動機冷卻風扇改進

魏遠飛，侯邦明

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基于PWM控制的發動機冷卻風扇改進

魏遠飛，侯邦明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

發動機冷卻風扇是汽車發動機冷卻系統的重要組成部分，基于PWM控制的發動機冷卻風扇可以無級調速，從而在車輛運行中實現實時、動態、精準的風速控制。文章結合發動機冷卻風扇失效的實際案例，分析研究了基于PWM控制的發動機冷卻風扇失效的原因，并提出改進方案，通過效果驗證，成功提供了發動機冷卻風扇失效的解決方案。

PWM控制；冷卻風扇；改進

1 引言

汽車發動機在高溫工作環境下必須得到適度冷卻，以使其保持在適宜溫度下工作，才能滿足發動機良好的工作性能、耐久性和廢氣排放的要求。隨著動力技術的發展，各動力總成對工作環境的控制要求越來越精細，在汽車冷卻風扇中，基于PWM控制的發動機冷卻風扇由于具有實時、動態、精準的風速控制，在汽車冷卻風扇中得到越來越廣泛的應用。本文結合實際失效案例，對基于PWM控制的發動機冷卻風扇的失效進行了分析和研究，提出并驗證了改進方案。

2 基于PWM控制的發動機冷卻風扇

PWM為Pulse Width Modulation（脈沖寬度調制法）的簡稱，是利用半導體開關器件的導通和關斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，通過控制電壓脈沖的寬度和脈沖列的周期，達到變壓變頻及控制和消除諧波的目的一種控制技術[1]。簡單的PWM控制器系統框圖如圖1所示。基于PWM 控制的發動機冷卻風扇通過調制控制器內部開關在一個周期內的導通時間來改變輸出端（電機）的高頻方波的占空比，其與電機兩端的平均電壓成正比：占空比越大，平均電壓越高，電機轉速越高，以此實現對冷卻風扇的轉速控制[2]。

如圖2，為某車型基于PWM控制的發動機冷卻風扇總成，其主風扇上直接帶有一個基于PWM控制的冷卻風扇控制器，分別對發動機冷卻風扇的主冷卻風扇和副冷卻風扇進行無極調速控制。

圖1 PWM控制系統框圖

圖2 基于PWM控制的發動機冷卻風扇總成

基于PWM控制的發動機冷卻風扇的控制策略是：如圖3所示，ECU 根據當前整車各系統工作狀態的信號，如空調制冷劑壓力、車速、發動機水溫等，從預先標定的MAP圖中查詢預先標定的占空比并將其發送給PWM控制器，PWM控制器接收到信號后，通過uC處理器將計算出輸出PWM信號的占空比，把PWM波形變為可以直接驅動冷卻風扇的控制信號，并通過MOSFET開關晶體管T8/T9實現對主風扇和副風扇的轉速控制。

圖3 基于PWM控制的冷卻風扇控制器工作原理示意圖

冷卻風扇控制器接收到的PWM控制信號與發動機冷卻風扇的轉速對應關系：如圖4所示，藍色線是冷卻風扇控制器接收到的來自發動機ECU的PWM控制信號占空比，紫色線是冷卻風扇控制器輸出的風扇實際轉速。當kl87接通且無PWM信號或者PWM信號為0%時，發動機冷卻風扇進入緊急模式，必須在10s后全速工作；當PWM信號占空比為10%時，發動機冷卻風扇退出緊急模式；當PWM信號占空比為13%-85%時，發動機冷卻風扇轉速在15%-97%之間無極變速；當PWM信號占空比大于86%時，發動機冷卻風扇以100%全速運行。

圖4 PWM控制信號占空比與冷卻風扇轉速的對應關系

基于PWM控制的發動機冷卻風扇具有以下特點：（1）、調速方式采用PWM無級調速，可以在車輛運行中實現實時、動態、精準的風速控制。（2）、轉速控制的PWM信號由發動機ECU根據車輛環境和使用工況Map圖給出，獲得對汽車發動機及時且精確的冷卻效果，從而更好的實現汽車發動機的燃油經濟性。（3）、采用PWM控制器控制，系統控制方式由軟件決定，可以融合故障檢測程序，這樣能夠在冷卻風扇運行中，及時地發現自身出現的各種故障，及時通知汽車發動機ECU預警，避免發生發動機因為水溫過高抱死等風險。

3 基于PWM控制的發動機冷卻風扇失效模式及機理分析

3.1 發動機冷卻風扇的失效模式分析

在售后市場上不斷出現帶PWM控制器的發動機冷卻風扇失效引起的用戶抱怨，絕大部分都是因基于PWM控制的風扇控制器失效引起發動機冷卻風扇不轉或冷卻風扇常轉。如圖5示，對大量售后市場返回的帶PWM控制器的冷卻風扇失效件進行統計分析，其主要故障模式是PWM風扇控制器失效，近90%的PWM風扇控制器失效的直接原因是PWM風扇控制器的MOSFET晶體管T8/T9失效。對失效PWM風扇控制器的MOSFET晶體管進行超聲波（C-SAM）掃描分析發現，失效MOSFET是典型的EOS損傷。EOS，即Electrical Over Stress，通常是過電壓或過電流產生的芯片過熱，導致芯片硅融化及氧化層擊穿及金屬融化等失效。

圖5 PWM風扇控制器的故障模式和失效分析

3.2 發動機冷卻風扇的失效機理分析

如圖6所示，當PWM控制信號控制MOSFET晶體管T8/T9導通時，汽車蓄電池給發動機冷卻冷卻風扇供電，冷卻風扇開始工作，冷卻風扇的轉速取決于PWM控制信號的占空比。T8/T9為功率MOSFET晶體管，當冷卻風扇工作時，通過冷卻風扇的電流也會加載在MOSFET晶體管內，產生電流熱應力，當加載在MOSFET管內的電流熱應力超過MOSFET晶體管的規范要求時，將導致MOSFET晶體管EOS失效。

圖6 T8/T9MOSFET晶體管的工作示意圖

T8/T9作為MOSFET晶體管，其EOS失效的主要模式：一是因過電壓EOS使晶體管內部氧化層擊穿，造成漏極與源極之間短路；二是因過電流EOS使晶體管內部溫度過高而局部熔化失效。

基于PWM控制的發動機冷卻風扇失效的根本原因是PWM控制器的MOSFET晶體管T8/T9因EOS（過電壓/過電流）引起的失效。因此，提高功率MOSFET的耐電壓能力和耐電流能力可以提高PWM風扇控制器的魯棒性。

3.3 發動機冷卻風扇的堵轉模擬分析

在汽車運行中，由于冷卻風扇的老化，灰塵增加導致電機的負載增大，再或者是有雜物阻礙了風扇的轉動，或者汽車涉水容易導致發動機冷卻風扇的堵轉。由于堵轉時定子電流數值迅速增大，一般為額定電流的8-10倍，從而造成流過功率MOSFET的電流超過最大漏源電流ID，從而造成功率MOSFET的EOS失效。

如圖7所示，為發動機冷卻風扇的堵轉模擬試驗。通過測功機增加負載來模擬冷卻風扇的堵轉工況，主風扇電機正常工作時的電流為16A，當模擬堵轉負載轉矩增加至2.3Nm時，風扇總電流升至約90A，此時主電機停轉；以后將負載解除，但風扇無法恢復正常運轉，PWM控制器故障，拆下來分析確認功率MOSFET因EOS失效，與售后返回的故障件失效模式一致。

試驗表明，為了汽車運行中的安全，要求發動機冷卻風扇控制系統必須對電機堵轉及時做出判斷，及時關斷電機并且保護電機［3］。因此，有必要在PWM風扇控制器中增加堵轉保護功能。

4 基于PWM控制的發動機冷卻風扇改進

4.1 基于PWM控制的發動機冷卻風扇改進方案

根據分析，基于PWM控制的發動機冷卻風扇失效的根本原因是EOS（過電壓/過電流）引起的PWM控制器MOSFET晶體管T8/T9失效。針對該失效模式，確定PWM控制器在硬件和軟件上同時進行改進，在硬件上將功率MOSFET原晶體管IRL2203N改為STP150NF55，提供功率MOSFET的魯棒性；在軟件上增加堵轉保護功能，設計改進方案如表1：

表1 PWM控制器設計改進方案

4.2 功率MOSFET的最大漏電流ID提升

如圖8所示，改進后的功率MOSFET（STP150NF55）的最大漏電流ID高于原有的功率MOSFET（IRL2203N），可以大大提高MOSFET的耐電流能力，防止MOSFET因電流過流引起EOS失效。

圖8 IRL2203N（改進前）和STP150NF55（改進后）的ID曲線對比

4.3 PWM控制器的堵轉保護設計

冷卻風扇堵轉判斷原理：采用檢測電樞轉子的反電動勢，來檢測堵轉故障。由公式：U=CeΦn+IaRa，其中：(Ea= CeΦn，其中CeΦ為常數)。所以，當堵轉故障發生時，電樞轉子的轉速會比平時應該具有的轉速低很多，電樞繞組的感應電動勢的絕對值Ea肯定變低，所以可以比較測得反電動勢Ea與正常運轉時應該具有的反電動勢絕對值的大小，來判斷是否發生堵轉故障。

冷卻風扇堵轉保護設計：為了監測冷卻風扇是否發生堵轉，根據不同的電源電壓值和工作環境溫度，通過軟件初始設置不同的電壓保護閥值。當冷卻風扇工作時，如果電機電壓值連續6次（每個監測間隔0.5s）被監測到未達到初始設置保護閥值， PWM控制器將限制冷卻風扇在低速工作；如果電機電壓值連續12次被監測到未滿足初始設置保護閥值，冷卻風扇將被PWM控制器中止工作；40s后，冷卻風扇將被重新啟動，并繼續監測。

如圖9所示，PWM控制器監測到電機電壓在意外條件下（如異物卡入、涉水等），由于負載增大導致電流增大轉速降低，PWM控制器就會啟動堵轉保護響應機制，中止冷卻風扇工作，從而防止功率MOSFET在大負載高電流惡劣工況下持續工作，從而實現對功率MOSFET的保護。

圖9 PWM控制器的堵轉保護（SoftStall）工作原理

5 發動機冷卻風扇改進后的效果驗證

5.1 脈沖電壓沖擊試驗效果驗證

以PWM輸入=80%，Up=13.5V進行試驗，原設計樣件在52V/ 400ms時，功率MOSFET擊穿損壞，電路短路，如表2和表3。改進后設計樣件在68V/800ms時，功率MOSFET未擊穿，電容C24和C25擊穿。試驗表明，改進后（STP150NF55）的樣件比裝原樣件（IRL2203N）具有更好的抗脈沖電壓沖擊能力。

表2 裝IRL2203N（改進前）樣件的脈沖電壓試驗

表3 裝STP150NF55（改進后）樣件的脈沖電壓試驗

5.2 堵轉試驗效果驗證

將改進后樣件通過試驗臺架進行堵轉模擬試驗，當負載轉矩增加至2.1Nm時，風扇總電流升至約70A，此時主電機停轉；以后將負載解除，風扇重啟并恢復正常運轉。PWM控制器得到有效保護，未發生故障，如圖10。試驗表明：改進后樣件的PWM控制器能夠有效實現堵轉保護功能，實現PWM控制器在堵轉條件下的過電流保護。

圖10 改進后冷卻風扇的堵轉試驗曲線

綜上所述，基于PWM控制的發動機冷卻風扇的改進總體方案能夠有效提升冷卻風扇的抗脈沖電壓能力，以及有效解決冷卻風扇因堵轉導致的過電流失效，從而有效解決因EOS引起的功率MOSFET失效。

6 總結

汽車發動機的可靠運行離不開冷卻風扇系統的作用，基于PWM控制的發動機冷卻風扇，能通過PWM 信號來控制冷卻風扇運行狀態，進行無極調速，保證發動機在任何負荷條件下和工作環境下均能在最適合的溫度狀態下正常和可靠地工作。本文針對基于PWM控制的發動機冷卻風扇的失效案例，根據故障機理和故障原因分析，成功提出了發動機冷卻風扇的改進方案，并通過試驗驗證了效果，確保基于PWM控制的發動機冷卻風扇的可靠性。

[1] 黃冠鑫,李康永.PWM風扇控制策略驗證方法研究[J].汽車仿真與測試,2018(05).

[2] 汪金德,高煒.汽車發動機冷卻風扇控制器的綜合參數測試[J].儀表技術,2016(07).

[3] 王重播.汽車冷卻風扇的設計[J].機械設計,2018(08).

Improvement of PWM Engine Cooling Fan

Wei Yuanfei, Hou Bangming

( SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )

The engine cooling fan is an important part of the car engine cooling system. The engine cooling fan based on PWM controlling can be regulated to realize real-time, dynamic and accurate wind speed control during vehicle operation. Based on the actual case of engine cooling fan failure, this paper analyzes and studies the root cause of PWMengine cooling fan failure, and puts forward an improved scheme. Through the effect verification tests, the solution for the engine cooling fan failure is successfully implemented.

PWM Controlling; Cooling Fan; Improvement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.052

U464

A

1671-7988(2019)10-150-04

U464

A

1671-7988(2019)10-150-04

魏遠飛（1982-），男，碩士研究生，工程師，現就職于上汽大眾汽車有限公司。