CN208267953U - 一种电控硅油风扇控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电控硅油风扇，尤其是涉及一种电控硅油风扇控制器。该控制器，设置在发动机舱内，上盖板和下盖板之间设有电路板，电路板上布置的电气元件组成控制电路，控制电路包括CAN采集电路、MCU集成电路、电源供电电路、PWM控制电路；CAN采集电路读取车辆ECU中的运行参数，发送给MCU集成电路；MCU集成电路对采集的运行参数进行逻辑判断形成风扇控制信号，发送到PWM控制电路；PWM控制电路将收到的风扇控制信号转化成PWM信号，用来控制风扇转速；通过读取采集的车辆实时运行参数动态控制风扇的实际转速值。

Description

一种电控硅油风扇控制器

技术领域

本发明涉及一种电控硅油风扇，尤其是涉及一种电控硅油风扇控制器。

背景技术

在汽车行驶过程中，随着运行环境及工况变化，发动机的热状态也在不断改变，为保证正常行驶，需实时调节发动机的热状态。例如炎热夏季，当发动机长时间在低转速、大负载下工作时，发动机的温度较高，此时我们应该积极降低其温度；相反在冬季，当环境温度过低或在高速行驶有强劲迎面风时，发动机的温度较低，此时我们应该提高其温度。

目前商用车中对发动机散热主要是采用硅油风扇对其进行散热，硅油风扇是通过硅油为媒介物，传递扭矩继而驱动风扇旋转，硅油风扇分为电控和温控两类，随着国Ⅴ标准的出台，低噪音、低排放、节油性已经成为汽车产业发展的趋势，在这种趋势下传统的温控硅油风扇正在逐步被更加先进的电控硅油风扇所取代。顾名思义，温控类风扇是利用敏感金属感温变形的特性来带动阀杆运动，从而调节风扇转速；电控风扇则是利用电信号改变磁场强度，进而带动阀杆运动，从而调节风扇转速。相较于温控硅油风扇，电控风扇在发动机冷却系统中可以降低燃油消耗，降低发动机排放和降低噪音，由于电控风扇具有更好的稳定性，控制精度高等特点，目前的汽车领域中被越来越多的使用。

目前主流的电控风扇的控制策略均无法根据整车环境以及运行工况的变化进行自动修正，其控制精度也不高，针对这种情况，我们从电控风扇的特性入手，结合整车实际情况，开发了一款具有先进智能硅油风扇的控制方法及控制器。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种电控硅油风扇的控制方法和控制器，该控制方法具有可根据风扇实际转速，动态修正控制参数的能力，使用该控制器能提高硅油风扇的使用寿命，降低发动机油耗。

本发明采用的技术方案是：一种电控硅油风扇控制方法，包括以下步骤：

a、读取采集车辆实时运行参数；

b、经过外层控制逻辑和内层控制逻辑控制电控硅油风扇转速；外层控制逻辑将对读取到的车辆实时运行参数进行标定，寻找各个运行参数对应的风扇转速需求值，然后采用最大值算法，取最大值作为总的风扇转速需求值，并将风扇转速需求值传递给内层控制逻辑；内层控制逻辑将风扇转速需求值、整车的发动机转速和风扇实际转速值作为输入，同时根据车辆运行参数，动态控制风扇的实际转速值。

作为优选，步骤a中，采集读取的所述车辆实时运行参数包括发动机冷却液温度、发动机进气温度、缓速器开关信号、空调开关信号、大气压力、整车速度、环境温度和发动机转速。

作为优选，步骤b中，所述动态控制的具体方法是：控制器根据整车运行环境的变化动态控制输出PWM值，再通过PWM值的变化控制风扇实际转速，使得风扇实际转速在风扇转速需求值附近处运行。

作为优选，步骤b中，所述动态控制过程中，采用滑差热保护和极限转速保护保证极限状态下风扇的运行安全。

进一步的，所述滑差热保护的具体方法是：当发动机冷却液的温度超过预设的上限值，控制器发出一个强制信号，确保风扇以最高速度旋转，大量散热，以降低风扇的温度；当发动机冷却液的温度低于下限时，强制发出一个最低速度旋转的信号，控制风扇怠速运动，产生最小散热，以提高风扇的温度。

进一步的，步骤b中，所述极限转速保护的具体方法是：当风扇转速超过风扇材料承受的极限值时，控制器会发出一个强制信号，使风扇转速降到极限值之下，保护塑料扇叶，防止扇叶损坏。

作为优选，步骤b中，所述内层控制逻辑的具体方法是：依据风扇转速需求值、风扇实际转速和发动机转速，采用PID调节方式动态控制输出PWM值，以控制风扇的转速；其中风扇转速需求值来源于外层控制逻辑的输出，将作为PID调节的目标转速，风扇实际转速和发动机转速均从整车控制单元ECU中采出，其中风扇转速需求值既是PID调节的输出，也将作为反馈信号，反馈回PID输入端。

进一步的，所述PID调节方式具体方法是：风扇转速需求值和风扇实际转速之间的差值将通过PID调节不断减小，最终使风扇实际转速在风扇转速需求值附近运行。

一种电控硅油风扇控制器，设置在发动机舱内，包括下盖板和盖合在下盖板上的上盖板，及设置在上盖板和下盖板之间的电路板，其特征在于：所述电路板上布置的电气元件组成控制电路，所述控制电路包括CAN采集电路、MCU集成电路、电源供电电路、PWM控制电路；

所述CAN采集电路读取车辆ECU中的运行参数，发送给MCU集成电路；所述MCU集成电路对采集的运行参数进行逻辑判断形成风扇控制信号，发送到PWM控制电路；所述PWM控制电路将收到的风扇控制信号转化成PWM信号，用来控制风扇转速；所述电源供电电路负责给CAN采集电路、MCU集成电路和PWM控制电路供电。

作为优选，所述控制电路还包括辅助电路，所述辅助电路对CAN采集电路、MCU集成电路和PWM控制电路供电的输入信号进行滤波，对电气元件进行电气保护。

本发明取得的有益效果是：当前主流的电控风扇控制逻辑只有一种调节策略，但该控制器可根据四季环境的温度不同制定相应的调节策略，也就是说本发明具有四中随季节变化的不同调节策略，调节的更加精准，符合当前环境温度；当前主流的电控风扇控制逻辑不会考虑到大气压力，但该控制器可根据车辆行驶的路况和海拔的不同制定相应的调节策略，使调节更加符合地域性；当前主流的电控风扇控制逻辑不会考虑到车辆行驶时发动机的转速，但该控制器可根据车辆行驶的路况和是否上下坡制定相应的调节策略，使调节更加灵活。

综上所述，本发明可以使硅油风扇始终运行在更精准的控工况下，提高硅油风扇的使用寿命；降低车辆过程中风扇上面的油耗，更好满足国家节能减排的需求。

此外，得益于控制器的独立硬、软件设计和模块化，还具有以下有益效果：

当前主流电控风扇的控制逻辑集成在整车控制器(ECU)中或发动机的控制器(MCU)中，没有独立出来，因此当整车发生故障时，需要花费大量的人力和时间，去拆解整车和排除故障；而该控制器因为具有独立的硬件、软件，因此排查故障时，免去了拆解的时间，同时因为软件的逻辑是模块化的，因此可以更快的找到故障原因，节约了人力和时间成本。

当前主流电控风扇的控制逻辑是无法更新升级的，可以说一旦整车总装后，就无法再做更新，但是该发明的控制逻辑可根据终端客户及整车厂需求，随时更新控制算法或者版本升级，而且刷写可直接在控制盒中通过外部设备进行，具有很强的时效性和可编辑性。

早期生产的车辆因为整车控制器(ECU)或者发动机的控制器(MCU)的接口已经被占有完毕，没有多余的端口来集成电控风扇的控制逻辑，因此无法更新换代，来使用电控硅油风扇。如若使用本发明，可在上述接口外，外置控制逻辑，使得早期车辆也可以实现电控风扇控制，代替之前的早期风扇。

附图说明

图1为本发明控制器的结构示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为图1的右视图；

图4为本发明的控制器的硬件电路；

图5为本发明的控制器的控制逻辑图；

图6为本发明的控制器的外层控制逻辑图；

图7为本发明的控制器的内层控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，本发明的一种电控硅油风扇控制器，该控制器放置在发动机舱内，用于智能调节硅油风扇的转速。该控制器主体结构包括下盖板1和盖合在下盖板1上的上盖板2，下盖板1和上盖板2构成控制器的外壳体，在下盖板1和上盖板2之间的内部空间内安装有电路板，在下盖板1一侧的接插口11底部设有小盖板。下盖板1和上盖板2的四脚通过螺丝固定连接在一起，在下盖板1和上盖板2的结合面处设有密封圈。

本实施例中，上盖板2、下盖板1和小盖板均采用耐高温、耐酸碱高强度尼龙材料制成，以保证产品不会因发动机舱体内的高温环境而出现开裂、变形等失效模式。上盖板2和下盖板1结合面采用密封圈进行密封，密封圈采用耐酸碱和超老化周期的硅橡胶材料注塑而成，小盖板盖住控制器接插口部分的空隙处，四周涂胶来保证防水要求，共同保证了控制器整体的密封性。

电路板作为布置电气元件的载体，采用耐高温的材料FR4的基材制作而成。电路板采用采用PCB板贴片技术放置电气元件，将贴片电阻、电容等电气元件按照电路设计实际要求进行布置，构成硬件电路部分，即该控制器的控制电路。

结合图4所示，控制电路包括CAN采集电路31、MCU集成电路32、电源供电电路33、PWM控制电路34和辅助电路35，CAN采集电路31使用整车CAN网络协议SAE J1939从整车控制单元中读取车辆ECU中的运行参数，发送给MCU集成电路32；MCU集成电路32对采集的运行参数进行逻辑判断形成风扇控制信号，发送到PWM控制电路34；PWM控制电路34将收到的风扇控制信号转化成PWM信号，用来控制风扇转速；电源供电电路33负责给CAN采集电路31、MCU集成电路32和PWM控制电路供电34，辅助电路35对CAN采集电路31、MCU集成电路32和PWM控制电路供电34的输入信号进行滤波，对电气元件进行电气保护。

如图5所示，本发明的一种电控硅油风扇控制方法，包括以下步骤：

a、读取采集车辆实时运行参数：

CAN采集电路31通过和整车的CAN网络连接，使用整车CAN网络协议SAE J1939从整车ECU(控制单元)中读取车辆运行参数；采集读取的车辆实时运行参数包括发动机冷却液温度、发动机进气温度、缓速器开关信号、空调开关信号、大气压力、整车速度、环境温度和发动机转速，其中：

冷却液温度表示控制器需采集发动机中的冷却液的实时温度；

发动机进气温度表示控制器需采集中冷器出气口的气温；

缓速器开关信号表示控制器需要采集缓速器是否打开的数字信号；

空调开关信号表示控制器需要采集空调(HVAC)是否开始打开的数字信号；

大气压力表示控制器需要采集车辆行驶过程中大气压力情况，该值用来表征车辆行驶在不同海拔时的气压；

整车速度表示控制器需要采集车辆的实时行驶速度；

环境温度表示控制器需要采集车辆行驶过程中，格栅处的环境温度；

发动机转速表示控制器需要读取行驶过程中，发动机的实时转速。

b、经过外层控制逻辑和内层控制逻辑控制电控硅油风扇转速：

步骤a中读取采集的车辆实时运行参数发送到MCU集成电路32中，MCU集成电路32将会按照控制策略和算法进行处理，并会发射信号给PWM控制电路34，转化为PWM信号，然后传递给硅油风扇，从而带动风扇转动，其控制策略和算法分为外层控制逻辑和内层控制逻辑。

外层控制逻辑需要的运行参数包括：整车运行的环境温度、冷却液温度、中冷器进气温度、整车大气压力、整车速度、缓速器开关状态、空调开关状态，如图6所示，将对读取到的上述车辆实时运行参数进行标定，寻找各个运行参数对应的风扇转速需求值，然后采用最大值算法，取最大值作为总的风扇转速需求值，并将风扇转速需求值传递给内层控制逻辑。

在外层控制逻辑中，对冷却液温度进行了闭环PID控制：

PID是一种线性控制策略，它根据给定值rin(t)和实际输出值yout(t)构成控制偏差e(t)：

e(t)＝rin(t)-yout(t) (1)

PID的控制规律：

公式中：Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e(t)为偏差(也叫控制的输入)，U(t)为输出，PID调节的目的，就是不断减小控制偏差，最终使实际输出值靠近给定值。

内层控制逻辑将风扇转速需求值、整车的发动机转速和风扇实际转速值作为输入，同时根据车辆运行参数，动态控制风扇的实际转速值。内层控制逻辑需求的运行参数包括：发动机速度。如图7所示，通过实时比较发动机转速与速比(风扇转速和发动机转速的比值)的乘积值和外层控制策略确认的风扇转速需求值，并取上述两者间较小值作为输入信号；通过滑差热保护和极限转速保护机制，输出不同的PWM值以控制风扇转速；通过对风扇实际转速的闭环反馈PID控制，使风扇转速在需求转速附近运动。

依据风扇转速需求值、风扇实际转速和发动机转速，采用PID调节方式动态控制输出PWM值，以控制风扇的转速；其中风扇转速需求值来源于外层控制逻辑的输出，将作为PID调节的目标转速，风扇实际转速和发动机转速均从整车控制单元ECU中采出，其中风扇转速需求值既是PID调节的输出，也将作为反馈信号，反馈回PID输入端。

风扇转速需求值和风扇实际转速间的差值将通过PID调节不断减小，最终使得风扇实际转速在风扇转速需求值附近运动。PID调节中的比例(P)系数、微分(I)系数和积分(D)系数可通过整车标定得出，同时依据发动机转速的不同上述系数也将会不同。通过不同季节的环境温度、不同需求转速、风扇实际转速、发动机转速等不同参数，标定出PID调节中比例、微分、积分调节的各个系数，制定基本PWM表；通过制定补偿PWM表，补偿对基本PWM表的补充，更加精确的标定出，不同外部条件时，PID调节中各系数的细微差异。

PWM＝PWM基本+P*KP+I*KI+D*KD (3)

式中：PWM为实际输出的PWM值，PWM基本为基本PWM表对应的PWM值，P、I、D为基本PWM表标定处的对应系数，KP、KI、KD为补偿PWM表标定处的对应系数。

内层控制逻辑动态控制风扇的实际转速值的过程中，采用滑差热保护和极限转速保护保证极限状态下风扇的运行安全。

滑差热保护的具体方法是：当发动机冷却液的温度超过预设的上限值(一般为89℃～95℃)，控制器发出一个强制信号，确保风扇以最高速度旋转，大量散热，以降低风扇的温度；当发动机冷却液的温度低于下限(比发动机初开高2℃)时，强制发出一个最低速度旋转的信号，控制风扇怠速运动，产生最小散热，以提高风扇的温度。

极限转速保护的具体方法是：当风扇转速超过风扇材料承受的极限值时，控制器会发出一个强制信号，使风扇转速降到极限值之下，保护塑料扇叶，防止扇叶损坏。

通过整车标定的方式，可以提供以下相关的控制策略：

四季不同的控制策略：控制器可依据春、夏、秋、冬四季不同环境温度来标定不同的转速需求表，当整车运行时自动选择相应季节的控制策略。

海拔不同的控制策略：控制器可依据不同海拔和大气压力来标定不同的转速需求表，当整车在山区时可根据海拔高度选择相应的控制策略。

车辆运行状态不同的控制策略：控制器可依照不同整车行驶速度、缓速器开关状态、空调开关状态来标定不同的转速需求表，当整车运行时依据整车状态来选择控制策略。

上下坡的控制策略：控制器可依据上下坡时，发动机转速的不同来标定不同的转速需求表，以便根据车辆的上下坡状态，来选择控制策略。

综上所述，该发明中的控制器及控制方法相比当前的控制策略，具有更加精确性、多样性，同时可根据风扇实际转速，动态修正控制参数的能力，使风扇始终运行在更精准的控工况下，提高硅油风扇的使用寿命，降低油耗；该发明独立与整车控制单元，使用独立的硬件和软件系统，当更新控制算法、版本升级或者故障查找时，更加方便快捷。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种电控硅油风扇控制器，设置在发动机舱内，包括下盖板(1)和盖合在下盖板(1)上的上盖板(2)，及设置在上盖板(2)和下盖板(1)之间的电路板，其特征在于：所述电路板上布置的电气元件组成控制电路，所述控制电路包括CAN采集电路(31)、MCU集成电路(32)、电源供电电路(33)、PWM控制电路(34)；

所述CAN采集电路(31)读取车辆ECU中的运行参数，发送给MCU集成电路(32)；所述MCU集成电路(32)对采集的运行参数进行逻辑判断形成风扇控制信号，发送到PWM控制电路(34)；所述PWM控制电路(34)将收到的风扇控制信号转化成PWM信号，用来控制风扇转速；所述电源供电电路(33)负责给CAN采集电路(31)、MCU集成电路(32)和PWM控制电路(34)供电。

2.根据权利要求1所述的电控硅油风扇控制器，其特征在于：所述控制电路还包括辅助电路(35)，所述辅助电路(35)对CAN采集电路(31)、MCU集成电路(32)和PWM控制电路(34)供电的输入信号进行滤波，对电气元件进行电气保护。