汽车发动机电控冷却系统的设计

汽车发动机电控冷却系统的设计

郭嘉政张显歧

长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000

摘要：汽车发动机电控冷却系统的设计就是为了进一步提升发动机的工作效率，从而不断降低耗油率，能够按实施工况来调节发动机的散热量，使发动机工作温度维持在燃油效率高的温度。对英飞凌芯片运用，从而使其作为控制器联合控制冷却系统中的冷却风扇和水泵，根据发动机实时所需的工作温度对冷却风扇和水泵的转速进行调节。本系统设计简单、结构简单，将传统发动机不能按需调节发动机工作温度、噪声大等问题得以解决。

关键词：发动机；风扇；水泵；冷却系统

引文：现在发动机大多采用水冷的方式，发动机冷却液的温度高低决定了发动机的使用寿命、燃油的燃烧效率。传统发动机工作时的冷却主要通过水泵转动以带动冷却液循环和风扇转动给散热器散热，但水泵转动是随发动机的转动而转动，水泵的转速很大程度上受到了发动机转速的限制。在发动机的实际运转中，各个工况下需要对发动机冷却液温度有不同的要求，水泵的转速并不能根据发动机的实际工况来调节来使冷却液的温度维持在理想数值。在本套冷却系统设计中，将发动机的水泵完全脱离发动机的曲轴限制，水泵和风扇通过电机带动工作，通过程序控制电机的转速，以满足风扇和水泵根据发动机的实际工况来调节冷却液温度的要求。使冷却液的温度始终维持在发动机燃油效率较高的理想工作数值，其中主控器的控制程序通过输出PWM控制信号对冷却风扇和水泵的工作电压进行调节。PWM驱动方式跟传统的驱动方式相比，可以对风扇实现无级调速，降低冷却风扇工作时的噪音。本套系统简化了发动机冷却系统的空间位置，提高了燃油效率，延长了发动机的使用寿命。

1系统的总体设计

整个系统的组成如图1所示。供电模块主要是由输出为12V的直流电压源组成，为整个系统的正常运转提供动力。主控制器是整个系统的核心部分，主要采集冷却液的温度参数和控制电动水泵和冷却风扇的转速，使系统温度维持在燃油率较高的数值范围内。

驱动模块主要是一个功放电路，主控制器上的电压输出只有12V，而电动水泵的工作调节电压范围是12~24V，需要在控制器输出电压放大之后，电动水泵的工作电压改变，实现调节转速，以满足发动机冷却系统所需的冷却液循环量。冷却风扇跟主控制器上的驱动模块直接相连，通过驱动模块来使冷却风扇工作。主控制器在工作时通过温度传感器采集到发动机冷却液的实时温度，与控制策略中参照温度进行对比，控制器根据对比的差值实现对水泵和风扇的控制，使发动机冷却液温度维持在理想的工作温度范围，提高燃油效率和延长发动机的工作寿命。

本系统中的主控制器芯片是英飞凌公司生产的第三代嵌入式功率芯片TLE9869QXA20，该类芯片可以用于各种电机驱动，平台式地解决了多种电机驱动算法，还简化了电路的设计，降低了硬件成本，节约了硬件空间，使整个冷却系统更轻，更小。控制器的电路板如图2所示，电路板上集成了下载器，减少了程序调试时所需的物理器件。由于板上已有了电机驱动模块，在本系统中将驱动模块用以驱动冷却风扇，水泵的运转通过芯片的外置端口外接一个驱动模块进行驱动。图中黑色和红色的香蕉头接口接12V的供电电源，为整个电路板的工作提供电能供给。

2系统软件的设计

使用C语言编写程序，整个系统软件采用模块化设计，主要的应用子程序包括温度测量子程序、冷却风扇驱动子程序、水泵驱动子程序。发动机工作时冷却液的工作温度是一个变化过程，冷却液的温度维持在80~95℃之间时，是发动机工作燃油效率较为理想的温度，所以主程序应根据温度传感器所采集到的温度实时对冷却风扇和水泵驱动。

通过水温控制程序可以看出，控制程序对水温信号进行循环采样，并和程序中提前设置好的温度上下限值进行比较。当发动机的水温在不同的温度区间时，控制输出不同占空比的PWM脉冲调节风扇和水泵的转速，以满足发动机水温要求。当水温小于80℃时，水泵仍保持转动原因是防止发动机在暖机过程中出现局部过热的情况，延长发动机的使用寿命。

3水泵驱动电路设计

本发动机冷却工作部件有冷却风扇和水泵，其工作需要控制器驱动，冷却风扇通过电路板上的驱动模块可以直接工作，采取通过芯片的外置端口接个驱动模块以驱动水泵的工作。

为了隔离电子器件的噪声信号干扰，电路中输出信号经过光电耦合器控制水泵的工作。用于驱动水泵工作的T2三极管型号是2SC3998，该三极管最大允许电流值是25A，最大散热功率是250W，T1采用的是TIP122NPN型三极管，工作时使2SC3998导通。

4冷却风扇和水泵的选型设计

本套冷却系统的应用对象是比亚迪F0汽车发动机，发动机型号是BYD371QA。该发动机缸体采用的是铝合金材质，燃油箱容积为30L，最大扭矩转速为4000~4500r/min，最大扭矩为60N·m，最大功率为50kW，散热器面积为0.77m2。根据上述参数，在设计时需要对冷却风扇和水泵进行选型，以满足发动机工作时的散热需求。

4.1冷却风扇的选型

当高温的冷却液从发动机的出水管流出经散热器时，冷却风扇工作以加快冷却液的热量散发，冷却空气通过散热器带走热量。

4.2水泵的选型

传统发动机的水泵是随发动机转速的改变而改变自身转速，并不能根据实时工况调节转速改变循环水量。本系统设计中将水泵与发动机完全脱离，水泵可以根据实时工况来改变转速以调节所需的循环水量。

5结论

因为发动机轴带驱动发动机机械驱动式冷却系统的水泵和风扇，从而不能根据发动机的热负荷状态主动提供所需的冷却强度，这种冷却系统较为被动，并且有着简单的结构。在发动机上随着应用电子控制技术，电控冷却系统成为发动机冷却系统的发展方向。目前大部分汽车发动机冷却系统对电控硅油离合器风扇配备，冷却液的温度高，风扇转速也非常高，反之也是如此；但当在较大热负荷状态下发动机停机时，因为此时冷却液温度仍较高，在直流电机驱动下风扇继续运转，而水泵运转已经停止，只能利用发动机冷却液来冷却对流传热方式，冷却效果非常不理想。因此，对提高冷却系统的性能来说，设计合理的电控冷却系统型式和与之相配套的控制策略较为有利。本文以比亚迪F0发动机为应用对象，对一套发动机电控风扇冷却系统进行设计。本套系统采用英飞凌公司生产的嵌入式功率芯片作为控制器，简化了系统电路的设计，节约系统的物理空间。将传统冷却系统中的水泵与发动机脱离，使水泵能够根据实时工况调节循环水量以配合冷却风扇工作，降低冷却液的温度，提高了燃油效率，延长了发动机使用寿命。本设计结构简单，运行稳定，成本较低，能够适用于广大发动机冷却系统，具有广阔的应用前景。

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