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引言

基于PWM 占空比信號(hào)對(duì)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制[1]，設(shè)計(jì)PWM 風(fēng)扇的電路和控制策略。同時(shí)結(jié)合保險(xiǎn)絲選型，導(dǎo)線線徑選型和端子選型方法，得出最優(yōu)的系統(tǒng)選型方案應(yīng)用于PWM 風(fēng)扇，經(jīng)過實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出該方案為可行的。

1 PWM 風(fēng)扇的電路與控制策略

PWM 風(fēng)扇由風(fēng)扇控制模塊，功率控制模塊和電機(jī)模塊3 大模塊組成。風(fēng)扇控制模塊為具有電子控制單元的無刷電驅(qū)模塊，其目的為驅(qū)動(dòng)PWM 冷卻風(fēng)扇，它將整車中發(fā)動(dòng)機(jī)控制器輸出的PWM 信號(hào)通過功率控制模塊處理轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由閉環(huán)PID（Proportion Integration Differentiation）進(jìn)行控制，確保風(fēng)扇工作電流和功率不超出最大電流和最大功率。功率控制模塊將PWM 信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成直流DC 電壓來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，風(fēng)扇線性運(yùn)行，風(fēng)扇全速運(yùn)行和低功耗（待機(jī)）4 種模式。

PWM 風(fēng)扇功率控制模塊和風(fēng)扇控制模塊接口如圖1 所示。

圖1 PWM 風(fēng)扇功率控制模塊和風(fēng)扇控制模塊接口

風(fēng)扇控制模塊將接收到的PWM 信號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的占空比輸出給功率控制模塊。其中占空比DCi為Tlow/Tp，如圖2 所示。

圖2 功率控制模塊控制信號(hào)

為了讓功率控制模塊能正確辨識(shí)，風(fēng)扇控制模塊的PWM 信號(hào)必須滿足表1 的數(shù)值范圍。

表1 PWM 信號(hào)數(shù)值范圍

風(fēng)扇工作模式和功率控制模塊控制信號(hào)對(duì)應(yīng)表如表2 所示，為了確保控制信號(hào)的正確性，在風(fēng)扇切換另外一個(gè)運(yùn)行模式時(shí)，控制信號(hào)會(huì)被采樣5 次。

表2 風(fēng)扇工作模式和功率控制模塊控制信號(hào)對(duì)應(yīng)表

從圖3 可以看出功率控制模塊控制信號(hào)（占空比）與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系，在最小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的占空比為10%；在最大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 700 r/min 時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的占空比為90%～95%。

圖3 功率控制模塊控制信號(hào)與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

為了確保風(fēng)扇能正常運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)將所有偵測(cè)到的錯(cuò)誤狀態(tài)通過拉低PWM 信號(hào)反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（EMS）。偵測(cè)信號(hào)周期為9～11 s，其中故障指示信號(hào)發(fā)出后的延遲處理時(shí)間為1 500～1 550 ms 判定為風(fēng)扇高溫故障，故障指示信號(hào)發(fā)出后的延遲處理時(shí)間為2 000～2 050 ms 判定為風(fēng)扇過壓/欠壓故障，故障指示信號(hào)發(fā)出后的延遲處理時(shí)間為2 500～2 550 ms 判定為風(fēng)扇完全堵轉(zhuǎn)。

2 PWM 風(fēng)扇系統(tǒng)選型理論計(jì)算

根據(jù)PWM 電器參數(shù)，其額定功率（P額）為430 W，額定電壓（U額）為13 V，額定電流（I額）為33 A，最大電流（Imax）為38 A，啟動(dòng)瞬間最大電流為330 A（持續(xù)時(shí)間為0.47 ms）。為了讓風(fēng)扇達(dá)到限功率條件，將風(fēng)扇的電流和電壓進(jìn)行管控，當(dāng)風(fēng)扇輸入電壓＞13 V，其輸入電壓和輸入電流成反比；而當(dāng)風(fēng)扇輸入電壓≤13 V，其輸入電壓和輸入電流成正比，如圖4 所示。

圖4 風(fēng)扇輸入電壓和輸入電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1 太平洋品牌保險(xiǎn)絲方案

2.1.1 保險(xiǎn)絲選型

1）負(fù)載電流I=33 A。

2）考慮到負(fù)載為大電流且長(zhǎng)時(shí)間脈沖電流，選擇慢熔保險(xiǎn)絲。

3）慢熔保險(xiǎn)絲安全系數(shù)為0.5[2]，在常溫下保險(xiǎn)絲的容量為

4）在120 ℃情況下保險(xiǎn)絲容量為If==76.24 A,選擇ES 80 A 保險(xiǎn)絲。

5）在120 ℃情況下計(jì)算PWM 風(fēng)扇的ES 80A 保險(xiǎn)絲能承受I2t 的沖擊次數(shù)，PWM 風(fēng)扇累積I2t 和累積時(shí)間計(jì)算值如圖5 綠色點(diǎn)所示，可以看出選擇ES 80A 保險(xiǎn)絲可以承受至少108 次脈沖電流的沖擊，能滿足PWM 風(fēng)扇的極端工況需求。

圖5 PWM 風(fēng)扇的ES 80A 保險(xiǎn)絲能承受I2t 的沖擊次數(shù)

2.1.2 導(dǎo)線線徑選型[3]

1）不同導(dǎo)線線徑對(duì)應(yīng)的每米最大電阻值RC。

表3 不同導(dǎo)線線徑對(duì)應(yīng)的每米導(dǎo)線最大電阻值[4]

2）導(dǎo)線電阻和熱阻乘積為r×RC=，其中導(dǎo)線熱阻r 的單位為℃·m/W。

4）導(dǎo)線溫升ΔT=r×RC×I2×，其中導(dǎo)線溫升ΔT 的單位為℃，導(dǎo)線所加載電流I 的單位為A，導(dǎo)線持續(xù)加載電流時(shí)間t 的單位為s。

5）不同線徑導(dǎo)線在不同電流持續(xù)工作1 h 情況下的溫升曲線如圖6 所示。

圖6 不同線徑導(dǎo)線在不同電流情況下的溫升曲線

7）通過計(jì)算可以得出需要使用FLR9Y 10 mm2導(dǎo)線來適配ES 80A 保險(xiǎn)絲,計(jì)算數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 ES 80A 保險(xiǎn)絲與5/6/8/10 mm2 導(dǎo)線的I-t 曲線

2.1.3 端子選型

端子選型信息見表4。

表4 端子選型信息

2.2 力特品牌保險(xiǎn)絲方案

2.2.1 保險(xiǎn)絲選型

1）負(fù)載電流I=33 A。

2）考慮到負(fù)載為大電流且長(zhǎng)時(shí)間脈沖電流，選擇慢熔保險(xiǎn)絲。

3）在常溫下保險(xiǎn)絲的容量為Ifc==44 A。

4）根據(jù)圖8 可以得出保險(xiǎn)絲性能折減系數(shù)RR，在120 ℃情況下RR=88%。

圖8 JCASE 系列保險(xiǎn)絲性能折減系數(shù)對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度曲線

6）在 120 ℃情況下,保險(xiǎn)絲 Ifuse=，其中t1為電流的累積時(shí)間（s）。

7）在120 ℃情況下，保險(xiǎn)絲I2t=（Ifuse×RR）2×t1。

8）在120 ℃情況下計(jì)算相對(duì)I2t，從圖9 可以得出最大的相對(duì)I2t=（累積負(fù)載I2t）/（保險(xiǎn)絲I2t）=25%。

圖9 JCASE 50A 保險(xiǎn)絲的相對(duì)I2t 曲線

9）根據(jù)JCASE 50A 保險(xiǎn)絲的相對(duì)I2t 與耐沖擊脈沖電流次數(shù)對(duì)應(yīng)曲線，可以得出選擇JCASE 50A保險(xiǎn)絲可以承受至少1×106次脈沖電流的沖擊，如圖10所示。按照極端情況下，如每20 min 啟動(dòng)一次PWM風(fēng)扇，每天運(yùn)行24 h，保險(xiǎn)絲可以正常運(yùn)行38 y，因此JCASE 50A 保險(xiǎn)絲能滿足PWM 風(fēng)扇工作需求。

圖10 JCASE 50A 保險(xiǎn)絲的相對(duì)I2t 與耐沖擊脈沖電流次數(shù)對(duì)應(yīng)曲線

2.2.2 導(dǎo)線線徑選型

基于導(dǎo)線不同電流對(duì)應(yīng)發(fā)煙時(shí)間的計(jì)算公式，可以得出需要使用FLR9Y 5 mm2導(dǎo)線來適配JCASE 50 A 保險(xiǎn)絲,計(jì)算數(shù)據(jù)如圖11 所示。

圖11 JCASE 50A 保險(xiǎn)絲與5 mm2 導(dǎo)線的I-t 曲線

2.2.3 端子選型

端子選型如表5 所示。

對(duì)比太平洋保險(xiǎn)絲方案和力特保險(xiǎn)絲方案，兩者雖然從性能上都能滿足PWM 風(fēng)扇工作需求，但是從保險(xiǎn)絲，導(dǎo)線和端子3 個(gè)維度上進(jìn)行成本對(duì)比，力特保險(xiǎn)絲方案比太平洋保險(xiǎn)絲方案可以減少42%成本，因此最終選擇力特保險(xiǎn)絲方案做為PWM 風(fēng)扇最終的系統(tǒng)選型方案，如表6 所示。

表6 太平洋保險(xiǎn)絲方案和力特保險(xiǎn)絲方案系統(tǒng)選型的成本對(duì)比

3 PWM 風(fēng)扇系統(tǒng)選型方案和實(shí)車驗(yàn)證

基于采用力特保險(xiǎn)絲方案作為PWM 風(fēng)扇系統(tǒng)選型方案，其PWM 風(fēng)扇系統(tǒng)框圖如圖12 所示。

同時(shí)采用鉗形電流表，電壓表，示波器和溫度采集顯示儀對(duì)PWM 風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)車數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集到的PWM 風(fēng)扇電流/電壓/溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出熱平衡后溫度差都未超過30 ℃，如表7 所示。同時(shí)根據(jù)端子Derating（I-T）曲線可以得出在額定電流下能持續(xù)正常工作，因此采用力特保險(xiǎn)絲方案作為PWM 風(fēng)扇系統(tǒng)選型方案是可行的。

圖12 PWM 風(fēng)扇系統(tǒng)框圖

表7 PWM 風(fēng)扇實(shí)車測(cè)試

4 結(jié)論

針對(duì)PWM 風(fēng)扇性能參數(shù)設(shè)計(jì)2 種系統(tǒng)選型方案，并對(duì)比這2 種系統(tǒng)選型方案優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇最優(yōu)的系統(tǒng)選型方案應(yīng)用于PWM 風(fēng)扇，通過實(shí)車測(cè)試對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出最優(yōu)的系統(tǒng)選型方案為可行方案。