王靜中 宋宏利 張俊生 韓橙

摘要：文章從軟硬件部分簡述了乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，重點(diǎn)介紹了熱管理控制閥的特性結(jié)構(gòu)以及控制程序中的主要功能模塊;通過分析整車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更直觀的體現(xiàn)出熱管理控制閥控制系統(tǒng)可以有效的控制水溫和快速暖機(jī)的能力，根據(jù)發(fā)動機(jī)最佳工作溫度范圍的特性，說明此套系統(tǒng)可以讓乘用車起到節(jié)能減排的作用;此外智能化是熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

Abstract： This paper briefly describes the overall structure of the control system of passenger vehicle thermal management control valve from the hardware and software part， and mainly introduces the characteristic structure of the thermal management control valve and the main function modules in the control program. Through the analysis of the vehicle experimental data， the thermal management control valve control system can effectively control the water temperature and the ability to warm the engine quickly. According to the characteristics of the optimal operating temperature range of the engine， it shows that this system can make passenger vehicles play a role in energy conservation and emission reduction.In addition， intellectualization is the key technology and development trend of thermal management system.

關(guān)鍵詞：熱管理系統(tǒng);熱管理控制閥;控制程序;智能化

Key words： thermal management system;thermal management control valve;control program;intelligent

中圖分類號：U464.138? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0025-04

1? 背景和意義

隨著汽車這種交通工具的日益普及，它所涉及的能源及環(huán)境問題也越來越被大家所重視，如何節(jié)能減排是一個(gè)永遠(yuǎn)圍繞著它的實(shí)際問題。所以要讓汽車發(fā)動機(jī)在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，只有在最佳溫度下工作，發(fā)動機(jī)才能最省油，原油才可以發(fā)揮出最高的效益，這樣就降低了能耗，提高了效率，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

目前有些汽車的發(fā)動機(jī)通過節(jié)溫器來控制冷卻液的大小循環(huán)。但是節(jié)溫器的開關(guān)方式很單一，開關(guān)間隙是根據(jù)節(jié)溫器感溫體內(nèi)石蠟的融化程度所決定的，所以不能精確控制開關(guān)間隙。這樣冷卻液的流量分配就不能人為可控，水溫控制不精確。并且控制條件就只有冷卻液溫度這一個(gè)變量，控制策略簡單不全面。

而乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)可以讓熱管理控制閥根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷、扭矩、車速、控制閥當(dāng)前角度等這些實(shí)時(shí)變量，精確的控制球閥的轉(zhuǎn)動角度來進(jìn)行大小循環(huán)分配冷卻液流量，使發(fā)動機(jī)在不同工況下均工作在最佳溫度范圍。一套優(yōu)秀的發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)可以使發(fā)動機(jī)在工作循環(huán)時(shí)保持在最佳溫度，讓發(fā)動機(jī)在最佳溫度下工作才最省油、最穩(wěn)定、最能發(fā)揮其效能。

2? 發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)簡述

發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)圍繞著發(fā)動機(jī)展開，工作重點(diǎn)是保證發(fā)動機(jī)正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)盡量減小該系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的功率，達(dá)到發(fā)動機(jī)熱效率最大化。主要工作對象有冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)是將發(fā)動機(jī)中所有涉及到傳熱的系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)大的綜合系統(tǒng)進(jìn)行考慮，以期望能得到發(fā)動機(jī)各個(gè)熱流系統(tǒng)的精確邊界參數(shù)。

恰當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)可以改善發(fā)動機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，提高發(fā)動機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動機(jī)的燃油消耗，改善發(fā)動機(jī)排放[1]。

冷卻系統(tǒng)：

冷卻系統(tǒng)與上述的每個(gè)系統(tǒng)幾乎都有關(guān)系，它是整個(gè)熱管理系統(tǒng)的核心部分。冷卻液從發(fā)動機(jī)中吸熱量過大將會造成發(fā)動機(jī)有效功率降低，從而增大單位功率的燃油消耗率。另外冷卻液從發(fā)動機(jī)中吸熱量過大會造成燃燒室的壁面溫度過低，這對發(fā)動機(jī)的燃燒也是極為不利的，對汽油機(jī)來說燃燒室壁溫太低不利于著火，會造成排放中CO和CH含量增高，對柴油機(jī)來說則會引起工作粗暴[2]。

冷卻液從發(fā)動機(jī)中吸熱量過小也同樣存在問題。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)燃燒室的金屬材料都有一個(gè)溫度的承受范圍，特別是對于運(yùn)動副來說，過高的溫度會降低金屬的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致運(yùn)動副拉傷甚至損壞。

冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的溫差也不宜過大，以免在冷卻液溫度偏高時(shí)冷卻腔的某些部位發(fā)生過度沸騰甚至膜態(tài)沸騰，從而造成發(fā)動機(jī)散熱率降低而引發(fā)過熱。

因此根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)冷卻液的溫度是很有必要的，在發(fā)動機(jī)中水泵的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系難以改變。水溫的調(diào)節(jié)主要是通過熱管理控制閥和散熱器及風(fēng)扇來調(diào)節(jié)的。

熱管理控制閥通過程序智能的調(diào)節(jié)球閥轉(zhuǎn)動角度實(shí)現(xiàn)精確的大小循環(huán)分水量，散熱器主要是通過控制流過散熱器的空氣流速來決定散熱器的散熱量，空氣流速的調(diào)節(jié)是通過散熱器風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)的。

3? 乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)介紹

乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)是一種基于整車發(fā)動機(jī)平臺的試驗(yàn)用控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的熱管理系統(tǒng)需求和整車節(jié)能減排目標(biāo)，此套系統(tǒng)可以進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)和整車油耗排放試驗(yàn);還可以驗(yàn)證和優(yōu)化熱管理控制策略。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)是在實(shí)際乘用車的系統(tǒng)上稍加改進(jìn)，主要是替換加入熱管理控制閥這個(gè)功能部件，并且最終可以對熱管理控制閥進(jìn)行標(biāo)定控制以及實(shí)時(shí)獲取和應(yīng)用整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的功能。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如下，硬件部分主要包括：熱管理控制器、熱管理控制閥、風(fēng)扇控制器、風(fēng)扇、散熱器、溫度采集模塊、溫度傳感器、OBD接口、PC、整車發(fā)動機(jī)平臺;軟件部分主要包括：標(biāo)定控制程序、上位機(jī)軟件。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖2為熱管理控制閥實(shí)際安裝位置。

3.1 熱管理控制閥產(chǎn)品介紹

本項(xiàng)目試驗(yàn)用熱管理控制閥的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。主要由電子執(zhí)行器和閥這兩個(gè)關(guān)鍵部件組成;圖4為熱管理控制閥實(shí)物圖。

3.2 標(biāo)定控制程序原理介紹

3.2.1 程序原理結(jié)構(gòu)

程序原理結(jié)構(gòu)如圖5所示，它包含了6個(gè)子功能模塊，分別是三通閥角度采集模塊、發(fā)動機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度采集模塊、三通閥目標(biāo)角度控制模塊、三通閥電機(jī)控制模塊、發(fā)動機(jī)信息采集模塊、目標(biāo)水溫控制模塊。

3.2.2 主要子功能模塊介紹

3.2.2.1 三通閥角度采集模塊

此功能模塊的作用是實(shí)時(shí)讀取熱管理控制閥的當(dāng)前角度。角度通過SENT協(xié)議發(fā)出后轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議進(jìn)行解析讀取。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2.2.2 三通閥目標(biāo)角度控制模塊

此功能模塊的作用是按照熱管理控制策略，將匯集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、查表、PID控制，最后得到所需要的目標(biāo)角度值。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2.2.3 三通閥電機(jī)控制模塊

此功能模塊的作用是將三通閥當(dāng)前實(shí)際角度值和計(jì)算得出的目標(biāo)角度值進(jìn)行分析PID計(jì)算，然后對電子執(zhí)行器內(nèi)的電機(jī)作PWM控制，使電機(jī)帶動球閥轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角度。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4? 乘用車熱管理控制閥控制系統(tǒng)工作原理及優(yōu)點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)工作原理

此套系統(tǒng)中熱管理控制器為控制核心，由它管理和控制系統(tǒng)中其他部件的狀態(tài)，而控制器的控制邏輯則是根據(jù)控制策略所寫的程序所決定。控制器直接連接熱管理控制閥，通過CAN線連接風(fēng)扇控制器、溫度采集模塊和OBD接口，它自身還可以通過CAN線和PC連接通訊，進(jìn)行讀取信息和標(biāo)定的工作。

控制器通過CAN線接收OBD接口采到的發(fā)動機(jī)信息和控制閥的當(dāng)前角度，通過比較目標(biāo)水溫和發(fā)動機(jī)冷卻液溫度進(jìn)行PID控制，其中還有根據(jù)車速、進(jìn)氣溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷等變量以及控制風(fēng)扇運(yùn)行程序所組成的邏輯運(yùn)算，最終得到一個(gè)可以控制水溫的精確的控制閥目標(biāo)角度;然后比較控制閥當(dāng)前角度和目標(biāo)角度的差值PID控制執(zhí)行器電機(jī)的轉(zhuǎn)動使閥角度轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度，最終使冷卻液溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近。

4.2 控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)節(jié)溫器，熱管理控制閥控制系統(tǒng)在控制水溫方面更精確、更靈活、更智能，可以根據(jù)每臺發(fā)動機(jī)的差異性來制定目標(biāo)溫度控制水溫。

5? 熱管理控制閥控制系統(tǒng)整車實(shí)驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)背景意義

目前乘用車熱管理技術(shù)的研究手段主要是試驗(yàn)研究，因?yàn)槠湔鎸?shí)可靠。試驗(yàn)平臺是進(jìn)行研究和開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，充分利用好試驗(yàn)平臺的優(yōu)勢可以找出或驗(yàn)證各種熱管理對象的熱負(fù)荷特性、熱管理系統(tǒng)的流動與傳熱特性以及外部環(huán)境與車輛熱量傳遞的規(guī)律。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)依托整車發(fā)動機(jī)平臺，可以研究熱管理系統(tǒng)中各部件的工作特性，進(jìn)行發(fā)動機(jī)各種工況下的熱性能試驗(yàn)研究。

此次實(shí)驗(yàn)中將整車發(fā)動機(jī)側(cè)的節(jié)溫器替換為熱管理控制閥并結(jié)合控制系統(tǒng)驗(yàn)證其可靠性和耐久性，以及通過分析系統(tǒng)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)比較熱管理控制閥和節(jié)溫器在冷卻系統(tǒng)中的性能差異。

熱管理控制閥控制系統(tǒng)通過整車發(fā)動機(jī)平臺還可以驗(yàn)證和優(yōu)化控制策略，從而方便制定不同的熱管理系統(tǒng)控制策略。

5.2 熱管理控制閥水溫控制曲線

圖9為在城市工況下的水溫控制曲線，可以看到冷卻液溫度控制在目標(biāo)水溫附近。整個(gè)控制過程包含了40km/h、60km/h、80km/h三種不同的車速情況。

5.3 熱管理控制閥溫升曲線

圖10為使用了熱管理控制閥控制系統(tǒng)后的溫升曲線，從66℃水溫到105℃目標(biāo)溫度只用了327秒，暖機(jī)時(shí)間要優(yōu)于使用傳統(tǒng)節(jié)溫器的時(shí)間。

6? 發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展。采用電子驅(qū)動及控制的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件可以通過傳感器和計(jì)算機(jī)芯片根據(jù)實(shí)際的發(fā)動機(jī)溫度控制運(yùn)行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)控制智能化，降低了能耗，提高了效率[3][4]。

智能化熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是熱管理系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)運(yùn)行的匹配技術(shù)以及系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的選擇問題。系統(tǒng)仿真分析表明，熱管理系統(tǒng)效率很大程度上依賴于系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，控制對象包括水泵轉(zhuǎn)速、電控節(jié)溫器（熱管理控制閥）閥門開度以及冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等[5]。可以根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)實(shí)際工作和試驗(yàn)情況，依據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化原則來制定智能化電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略。使發(fā)動機(jī)在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，縮短暖機(jī)和駕駛艙升溫時(shí)間。提高發(fā)動機(jī)后冷卻和駕駛室加熱能力。

7? 結(jié)論

結(jié)合整車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們能夠直觀的感受到熱管理控制閥控制系統(tǒng)可以靈活有效的控制冷卻液溫度使其穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近，讓發(fā)動機(jī)在最佳溫度范圍內(nèi)工作，并且還可以快速暖機(jī)。綜上所述熱管理控制閥控制系統(tǒng)是可以讓乘用車起到節(jié)能減排的效果的。此外，智能化是熱管理技術(shù)的關(guān)鍵和發(fā)展趨勢。

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