PWM風扇對整車油耗及噪聲影響的研究

雷發兵 王端營

摘 要：本文通過對BOSCH UP8系統PWM風扇控制邏輯的研究，調整PWM風扇在不同工況下輸出的占空比，并與兩級電子風扇進行試驗對比。試驗結果表明PWM風扇在油耗、噪聲水平等方面，均優于傳統的兩級電子風扇。

關鍵詞：PWM風扇;控制邏輯;油耗;噪聲

1 前言

在整車上，為了對發動機及空調系統進行冷卻，需要配備冷卻風扇。常見的車用冷卻風扇，有傳統的兩級風扇以及目前應用越來越廣泛的PWM風扇。PWM風扇又稱無極變速風扇，可以根據冷卻系統、空調系統、車輛行駛速度等的需求，線性控制風扇轉速。傳統的兩級風扇，由于只有高低速兩個檔位，在某些工況下會出現冷卻不足或冷卻過量的現象。與傳統的兩級風扇相比，PWM風扇能將發動機溫度保持在發動機最佳熱效率溫度，可以提升發動機動力性、經濟性。另外，相比兩級風扇而言，PWM風扇其運行噪音較低。本文基于BOSCH UP8系統PWM風扇控制邏輯，對比PWM風扇與兩級風扇對整車油耗及噪聲的影響。

2 車用PWM風扇控制原理

車用PWM風扇控制原理如圖1所示。發動機控制模塊ECM，根據整車的工作狀態信號（空調開關信號、車速信號、發動機水溫、空調壓力信號等），通過計算得到合適的占空比，并發送給PWM風扇控制器，PWM 風扇控制器根據接收到的占空比，來控制PWM 風扇電機，從而對風扇轉速進行控制。同時，發動機控制模塊也通過控制器對PWM風扇狀態進行監控，當PWM風扇出現故障時，ECM能及時采取適當的處理方法，以免引起更嚴重的問題。[1]

3 BOSCH UP8系統風扇控制邏輯

車載冷卻風扇的主要作用是控制發動機水溫，防止水溫過高而損壞發動機;另外，在空調開啟的時候，冷卻風扇也用于控制空調壓力，防止空調系統因壓力過高而損壞。[2]因此，在設計風扇控制邏輯時，要設置空調關閉和空調開啟兩種狀態，主要依據的信號有車速、水溫、空調壓力、空調開關狀態。

3.1 空調關閉狀態

空調關閉狀態下，冷卻風扇的主要作用是控制發動機水溫。另外，車輛在行駛過程中，不同車速下發動機倉的進風量不一樣，也會對風扇冷卻效果有影響。因此要根據發動機水溫、車速設置不同的占空比。如表1所示，橫坐標x代表發動機水溫，縱坐標y代表車速。

3.2 空調開啟狀態

空調開啟狀態下，風扇不僅要控制發動機水溫，同時要將空調壓力控制在安全范圍。此時，要根據空調壓力、發動機水溫、車速三者來設置占空比，是一個三維表格。為簡化工作量，我們通過設置空調系統的低壓L、中壓M、高壓H的閥值，將空調壓力細分為四個等級。如圖2：

將空調壓力分為P

3.3 占空比最終輸出

通過以上控制邏輯，在空調開啟或者空調關閉兩種狀態，ECU都會根據發動機水溫、車速、空調壓力輸出一組占空比信號，再對占空比信號進行濾波計算，最終輸出占空比信號給PWM風扇控制器，控制器控制風扇電機以對應的轉速運轉。[3]

4 油耗測試

4.1 車型選擇

某在研車型，4缸1.5T發動機，7座乘用車，整備質量1485KG，匹配BOSCH UP8系統及PWM冷卻風扇。

4.2 試驗方法

參考兩級風扇的特性，通過設置ECU輸出的PWM信號，可以將PWM風扇模擬成兩級風扇。為方便對比，使用同一臺車進行試驗，每次試驗都安排同一個司機操作。在整車轉轂上，分別進行以下試驗：

4.2.1 勻速工況行駛

分別取速度點30km/h、70km/h、110km/h進行勻速油耗測試;每個速度點進行2次試驗，第1次試驗以常規的PWM數據設置進行試驗;第2次試驗，修改PWM輸入，將PWM風扇模擬成兩級風扇進行試驗。保證轉鼓設置的阻力、坡度、風量完全一致，每次試驗持續30min，使用碳平衡法進行油耗結果計算。

4.2.2 WLTC循環行駛

采用WLTC工況進行試驗，按Ι型試驗要求先做預處理，預處理后充分浸車，中間不起動發動機，試驗前需要保證每次蓄電池電壓一致（大于12.3V）。隨后分別做2次試驗。第1次試驗，以常規的PWM數據設置進行試驗;第2次試驗，修改PWM輸入，將PWM風扇模擬成兩級風扇進行試驗。通過排放分析儀進行排放物結果計算，并使用碳平衡法進行油耗結果計算。

4.3 試驗結果

各工況下油耗試驗結果如表3所示。由試驗結果可以看出，在各試驗工況下，PWM風扇油耗普遍比兩級風扇油耗低。尤其是在WLTC循環中，節油率可達1.9%。

5 噪聲測試

5.1 車型選擇

選用搭載PWM冷卻風扇及兩級冷卻風扇的車型各1臺，均匹配BOSCH UP8系統。

5.2 試驗方法

采用分貝儀測量風扇運行噪聲，保證分貝儀測量點與風扇的距離一致。為排除試驗工況、車輛散差等影響，采用通過ECU數據控制占空比的方法，控制風扇運轉。PWM風扇從開始運行到全速運行整個階段，都測量運行噪聲;兩級風扇分別控制低速風扇、高速風扇運行，測量其運行噪聲。

5.3 試驗結果對比

如圖3，藍色曲線是兩級風扇分別開啟低速、高速風扇的噪音，可以看到在高速風扇開啟的瞬間，噪音有一個明顯的階躍。圖中紅色曲線是PWM風扇在不同占空比下的噪音值。可以看出，在大部分工況下，PWM風扇的噪聲值都小于兩級風扇。

6 結論

本文對基于BOSCH UP8系統的PWM風扇控制策略進行研究，實現了對PWM風扇的控制，并且將PWM風扇與傳統兩級風扇進行對比，進行油耗、噪聲測試。試驗結果表明搭載PWM風扇的車型在油耗、噪聲水平等方面，均優于搭載傳統兩級風扇的車型，具有較好的經濟性、NVH性能。

參考文獻：

[1]戴倩.基于PWM 控制的發動機冷卻風扇控制系統[J]. 電子技術與軟件工程.

[2]郭文松，胡俊等.基于單級PWM 風扇的某車型節油策略研究[J].汽車實用技術，2016.

[3]韓曉峰，張士路等.車用PWM冷卻風扇控制策略實驗研究[J].內燃機與動力裝置，2014（6）：8-9，44.