混合動力汽車散熱風扇的現狀與發展趨勢

陳樂 王三剛

摘 要：在汽車散熱風扇的發展過程中，電子風扇作為散熱風扇中可控、高效的代表被提出，但是由于傳統能源汽車的特性未能廣泛應用。而現在隨著混合動力汽車迅速的發展，混合動力散熱系統中運用電子風扇的比重也在加大。本文介紹了混合動力汽車與散熱風扇的發展現狀，分析了電子風扇在散熱風扇中的優勢。電子風扇的智能化也是其未來的發展的主要方向。

關鍵詞：混合動力汽車;電子散熱風扇;現狀;發展趨勢

據統計，截至2019年上半年，中國汽車保有量已經達到2.5億輛，其中私家車有1.98億輛。國際能源機構（IEA）的統計數據表明，2019年全球CO2雖然與2018年持平，但是使用石油所排放的CO2有明顯增加。說明汽車CO2排放占總CO2排放的比例有所增加，由汽車排放造成的環境污染依舊在加重。

因傳統燃油汽車的大量使用，導致環境污染與能源問題日益嚴峻，自二十世紀三十年代以來，以蓄電池作為能量儲備單元的EV電動車技術、燃料電池技術、氫能源技術、太陽能技術等新能源技術的研究與創新就從未間斷過。但是依舊會在某些能源領域里遇到技術瓶頸，導致該能源不能被廣泛的應用于汽車中。就目前技術發展成熟度而言，較為可行且能被大規模制造的就是混合動力汽車。

1 混合動力汽車及散熱風扇的發展現狀

1.1 混合動力汽車的發展現狀

隨著中國經濟的快速發展，如何提高能源利用效率，調整能源結構，尋求替代能源等問題已成為全社會亟待解決的普遍問題。在國家提出“以人為本、全面協調和可持續的科學發展觀”后，企業對注重環境保護、開發清潔能源和建設新一代的綠色汽車工業等發展目標進行研究和建設，大力發展混合動力汽車技術是減少排放和提高能源效率是最為可行的方法?；旌蟿恿ζ嚕℉ybird Electrical Vehicle）是目前最具產業化和市場化前景的節能車型之一，混合動力汽車出現于上世紀70年代，但是受制于當時電子技術的限制，研究進展十分緩慢，未有量產車型進入大眾的視野，直至90年代才有功能較為全面的樣車面世?；旌蟿恿ζ嚀碛袃商讋恿ο到y，既保證降低油耗與污染物排放，還可以保持車輛的續航里程。與傳動動力汽車相比較，混合動力汽車可以保證電池有足夠的電能儲備，用來驅動電機輔助車輛工作，使得汽車加速過程更加平滑;減速過程回收動能，提高車輛的經濟性;同時，混合動力汽車的發動機可以在電動機的輔助工作中或電動機獨自承擔動力輸出的情況下使發動機長時間保持在最佳效率區間運行，提高發動機的壽命。

混合動力系統是將原動機、電動機、能量儲存裝置（蓄電池）按照某種組合方式連接而形成的動力系統，大致可以分為三類：串聯式混合動力系統、并聯式混合動力系統和混聯式混合動力系統。

串聯式混合動力系統是借助發動機帶動發電機發電，發電機將電能儲存至電池后電池向電動機供電，使電動機獨自驅動車輛的系統。由于電池處于發電機與電動機之間，起到功率平衡的作用。當汽車處于減速、短時停車等工況時，電動機所需功率小于發電機輸出功率，控制器向電池內充電;當汽車處于加速、爬坡等工況時，控制器控制電池向外輸出電能，與發電機一起滿足電動機所需功率。串聯式混合動力系統可以使發動機長時間工作在最佳效率區間;結構簡單、布置靈活;缺點是系統工作效率低下;能量二次轉換損耗較大，使得油耗成為該系統的弱點。也正因為如此，過去串聯混合動力系統大多數用于大型車輛中。該系統代表車型有：寶馬i3增程版、廣汽傳祺GA5增程版。

并聯式混合動力系統的發動機與驅動橋通過機械傳統的方式進行連接，汽車可以由發動機和電動機共同驅動或各自單獨驅動。相比于串聯式發動機，發動機輸出的能量利用率得到提高，從而提高車輛經濟性。另一方面電動機可單獨工作驅動車輛，可以使各行駛工況的運行與切換更加順暢，起到“增峰平谷”的作用。但是因為發動機也直接參與汽車的動力輸出，就會使得發動機很難一直在最佳的工作范圍內運行，導致污染物排放稍高于串聯式混動系統。由于并聯式混動系統中發動機、電動機都參與動力輸出，就需要設計動力復合裝置，導致并聯式混動系統構成變得較為復雜。比亞迪秦100就是基于該系統設計制造的混合動力汽車。

混聯式混合動力系統充分繼承了串聯式與并聯式混動系統的優點，能夠使發動機、電動機、發電機之間進行更多的匹配，從而在結構上保證了混動汽車在各種工況下均工作在最優狀態中，更容易使發動機的經濟性和排放性得到優化。這種更加完善的混合動力系統需要的動力裝置會變得更加復雜，但是該混動系統能夠將燃油汽車與電動車的優勢都較好的發揮出來。世界各大公司隨著豐田Prius的出現將混連式混合動力汽車列為了開發重點。代表車型：比亞迪宋Pro DM版、豐田PriusⅢPHEV。

1.2 散熱風扇的發展背景及現狀

傳統發動機的冷卻系統中，風扇和水泵均是發動機通過皮帶以一定的傳動比驅動，散熱系統通常按照最大散熱需求進行設計，這種風扇驅動方式最大的問題就是不能通過發動機工況的變化調整風扇轉速，可能會導致發動機在低轉速高負荷情況下散熱不足，而高轉速低負荷的情況下散熱過度，造成燃油經濟性降低又不能達到較好的散熱效果;同時因需考慮發動機的布置使得散熱器的安裝位置受到限制。為了解決散熱風扇存在的問題，逐漸出現了根據發動機溫度調整風扇轉速進而控制冷卻強度的新設計。如電子風扇，硅油式風扇等。

1.2.1 液力驅動式風扇

液力驅動式風扇于20世紀80年代中期由德國、美國、日本、瑞典等國家進行研發。根據冷卻水溫度，環境溫度，通風量等參數，在發動機工作情況時獨立地驅動所述柱塞液壓泵，通過控制液壓泵排量調整冷卻風扇轉速。該驅動模式可以根據冷卻系統的實時溫度自動調節風扇轉速，在不同的負載條件顯著提高冷卻系統的冷卻性能。使發動機可以節省能源并有效降低風扇的噪音。但是其復雜的結構和較高的成本也是其未得到廣泛使用的重要原因。

1.2.2 硅油式風扇

硅油風扇以高粘度的硅油為介質，通過硅油的粘性剪切力傳遞扭矩。當低溫度時，硅油不會流動，風扇離合器分離，風扇轉速降低，風扇基本處于怠速; 當溫度升高時，硅油的粘度會結合風扇離合器。使風扇和水泵一起工作以調節發動機溫度。

在發動機啟動時，冷卻系統溫度較低，硅油離合器分離，風扇在低轉速工況下空轉，不僅減少發動機能量的消耗，也降低了冷起動時的發動機排放。但是硅油式風扇也有局限性：例如，與機械風扇相同，依舊是以一定的傳動比工作、散熱器和風扇的布置依舊存在限制。為克服傳統硅油式風扇的不足電子硅油式風扇出現了。

電子硅油式風扇是通過ECU采集冷卻水溫信號，根據控制策略進行開環或閉環控制調節受控風扇中作為傳動介質的硅油的流量，達到無級變速的要求。

電子硅油離合器可以根據發動機冷卻系統的需要實時調整風扇速度，降低冷卻風扇的能耗。另外，硅油離合器的咬合和切斷是一個靈活而緩慢變化的過程，可以降低由風扇速度急劇增加所導致的風噪的影響。據統計：與機械風扇冷卻系統相比，電子硅油離合器風扇可降低發動機油耗4.2%。

1.2.3 磁/電流變離合器式冷卻風扇

磁/電流變離合器式冷卻風扇簡稱電磁式風扇，是在曲軸與風扇之間添加了一種離合器，稱為電磁式風扇離合器。發動機ECU收集并處理冷卻系統的實時信號后，根據設定的控制程序輸出相應電流，控制磁流線型風扇電磁線圈的截止電流大小。電磁線圈通電后，磁流變液中的懸浮粒子在磁場的作用下被磁化，沿磁場方向相互施加引力形成鏈狀，產生了可變磁流變液剪切力。目的是使驅動風扇旋轉，改變風扇速度。

磁流變離合器式風扇擁有結構緊湊、可控性好、工作噪聲小、響應快、冷啟動性能好等優點，離合器傳遞的扭矩可以由外加磁場連續調控。因磁流變液體在風扇中流動，提高了離合器的散熱性，延長了磁流變液體的使用壽命。風扇需要根據發動機位置進行布置也是其難以解決的問題，但不可否認的是磁/電流變離合器式冷卻風扇也是解決風扇驅動問題的有效途徑。

1.2.4 電子風扇

在20世紀80年代，為減少風扇能量消耗，提出了電子風扇的方案。這種風扇不再通過發動機曲軸提供驅動力，而是利用電機帶動風扇。在發動機ECU收集到發動機工況和冷卻水溫等信息經過處理后根據通知策略的要求控制電動風扇轉速，節省了發動機直接驅動冷卻風扇的能量損失，減少了發動機暖機時間并降低了傳動損失。

由于電子風扇的驅動方式從根本發生了改變，讓風扇和散熱器的安裝位置十分靈活;并且具有明顯的節能效果;但是由于傳統汽車搭載的為12V電源，風扇的功率受到了嚴重的限制。導致其使用范圍受到制約。

2 混合動力汽車電子風扇的優勢分析

在2000年時，電子風扇就已經開始應用于家用乘用車中，但是受功率的限制一直不能適用于所有車輛和工程機械。但是隨著新能源汽車的快速發展，同時發展起來的也有電子風扇散熱技術。將從結構復雜程度、燃油經濟性兩個方面探究在混合動力汽車平臺下電子風扇相比于其他類型風扇的優勢。由于電子硅油式風扇與電磁式風扇均屬于離合器風扇，所以將這兩種風扇統歸為一類進行分析。

2.1 結構復雜程度對比

離合器式風扇均是在傳統風扇的基礎上增加了電控系統和離合器等部件，而液力驅動式風扇需要在發動機上添加一個分動箱與液壓驅動系統，大大增加了散熱風扇的復雜程度。但是電子風扇中電機與風扇本體高度集成，在實現同等散熱需求的同時體積小巧，易于布置和安裝。

2.2 燃油經濟性對比

以上三種風扇均可以實現無極變速，相比于傳統皮帶定傳動比的風扇據能夠達到節油要求，但是由于離合器式風扇與液壓驅動式風扇的動力源均為發動機，而電子風扇由電機直接驅動，不會影響發動機動力輸出。而燃油經濟性對比由表1、2可以得出結論：

根據以上分析計算，在某平臺皮卡項目中，使其工作在NEDC工況下，發動機硅油風扇能耗為 0.17L/100km～0.31 L/100km，PWM風扇能耗0.00125L/100km;匹配PWM風扇后，在 NEDC 循環工況下，整車節油 0.17L/100km～0.31 L/100km 之間。由此數據可知在混合動力汽車中電子風扇相對于離合器式風扇的燃油經濟性同樣會提高。

3 混合動力汽車電子風扇發展趨勢

20年前，電子風扇在汽車上的應用由于車載電池、風扇發展的局限，只能裝載在小型乘用車中，并且風扇的設計和與車輛散熱系統匹配中也遇到了許多難題。但是新能源車輛目前正在進行快速的發展，電子風扇應用于汽車的瓶頸被突破，使得電子風扇迅速在各類新能源車輛中進行普及。隨著汽車智能化、電子集成化水平越來越高。對于發動機運行過程中參數的監控越加詳細，電子風扇對于散熱系統的優化對于整個車輛的動力性、燃油經濟性提高起到更加重要的作用。

隨著國家第六階段機動車污染物排放標準的實施。嚴苛的排放標準要求車企在研發車輛的過程中在保證發動機功率達到要求的同時，需要使用更多機內和機外排放凈化技術。而混合動力汽車在保證車輛經濟性要求的同時又會造成在停機再啟動、減速斷油工況下的排放控制性能降低。電子風扇的應用對控制進風量、維持三效催化轉化器溫度起到了重要的作用。這也是電子風扇能夠在未來應用于更多汽車中的重要原因。

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