陈乐 王三刚

摘 要：在汽车散热风扇的发展过程中，电子风扇作为散热风扇中可控、高效的代表被提出，但是由于传统能源汽车的特性未能广泛应用。而现在随着混合动力汽车迅速的发展，混合动力散热系统中运用电子风扇的比重也在加大。本文介绍了混合动力汽车与散热风扇的发展现状，分析了电子风扇在散热风扇中的优势。电子风扇的智能化也是其未来的发展的主要方向。

关键词：混合动力汽车;电子散热风扇;现状;发展趋势

据统计，截至2019年上半年，中国汽车保有量已经达到2.5亿辆，其中私家车有1.98亿辆。国际能源机构（IEA）的统计数据表明，2019年全球CO2虽然与2018年持平，但是使用石油所排放的CO2有明显增加。说明汽车CO2排放占总CO2排放的比例有所增加，由汽车排放造成的环境污染依旧在加重。

因传统燃油汽车的大量使用，导致环境污染与能源问题日益严峻，自二十世纪三十年代以来，以蓄电池作为能量储备单元的EV电动车技术、燃料电池技术、氢能源技术、太阳能技术等新能源技术的研究与创新就从未间断过。但是依旧会在某些能源领域里遇到技术瓶颈，导致该能源不能被广泛的应用于汽车中。就目前技术发展成熟度而言，较为可行且能被大规模制造的就是混合动力汽车。

1 混合动力汽车及散热风扇的发展现状

1.1 混合动力汽车的发展现状

随着中国经济的快速发展，如何提高能源利用效率，调整能源结构，寻求替代能源等问题已成为全社会亟待解决的普遍问题。在国家提出“以人为本、全面协调和可持续的科学发展观”后，企业对注重环境保护、开发清洁能源和建设新一代的绿色汽车工业等发展目标进行研究和建设，大力发展混合动力汽车技术是减少排放和提高能源效率是最为可行的方法。混合动力汽车（Hybird Electrical Vehicle）是目前最具产业化和市场化前景的节能车型之一，混合动力汽车出现于上世纪70年代，但是受制于当时电子技术的限制，研究进展十分缓慢，未有量产车型进入大众的视野，直至90年代才有功能较为全面的样车面世。混合动力汽车拥有两套动力系统，既保证降低油耗与污染物排放，还可以保持车辆的续航里程。与传动动力汽车相比较，混合动力汽车可以保证电池有足够的电能储备，用来驱动电机辅助车辆工作，使得汽车加速过程更加平滑;减速过程回收动能，提高车辆的经济性;同时，混合动力汽车的发动机可以在电动机的辅助工作中或电动机独自承担动力输出的情况下使发动机长时间保持在最佳效率区间运行，提高发动机的寿命。

混合动力系统是将原动机、电动机、能量储存装置（蓄电池）按照某种组合方式连接而形成的动力系统，大致可以分为三类：串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和混联式混合动力系统。

串联式混合动力系统是借助发动机带动发电机发电，发电机将电能储存至电池后电池向电动机供电，使电动机独自驱动车辆的系统。由于电池处于发电机与电动机之间，起到功率平衡的作用。当汽车处于减速、短时停车等工况时，电动机所需功率小于发电机输出功率，控制器向电池内充电;当汽车处于加速、爬坡等工况时，控制器控制电池向外输出电能，与发电机一起满足电动机所需功率。串联式混合动力系统可以使发动机长时间工作在最佳效率区间;结构简单、布置灵活;缺点是系统工作效率低下;能量二次转换损耗较大，使得油耗成为该系统的弱点。也正因为如此，过去串联混合动力系统大多数用于大型车辆中。该系统代表车型有：宝马i3增程版、广汽传祺GA5增程版。

并联式混合动力系统的发动机与驱动桥通过机械传统的方式进行连接，汽车可以由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。相比于串联式发动机，发动机输出的能量利用率得到提高，从而提高车辆经济性。另一方面电动机可单独工作驱动车辆，可以使各行驶工况的运行与切换更加顺畅，起到“增峰平谷”的作用。但是因为发动机也直接参与汽车的动力输出，就会使得发动机很难一直在最佳的工作范围内运行，导致污染物排放稍高于串联式混动系统。由于并联式混动系统中发动机、电动机都参与动力输出，就需要设计动力复合装置，导致并联式混动系统构成变得较为复杂。比亚迪秦100就是基于该系统设计制造的混合动力汽车。

混联式混合动力系统充分继承了串联式与并联式混动系统的优点，能够使发动机、电动机、发电机之间进行更多的匹配，从而在结构上保证了混动汽车在各种工况下均工作在最优状态中，更容易使发动机的经济性和排放性得到优化。这种更加完善的混合动力系统需要的动力装置会变得更加复杂，但是该混动系统能够将燃油汽车与电动车的优势都较好的发挥出来。世界各大公司随着丰田Prius的出现将混连式混合动力汽车列为了开发重点。代表车型：比亚迪宋Pro DM版、丰田PriusⅢPHEV。

1.2 散热风扇的发展背景及现状

传统发动机的冷却系统中，风扇和水泵均是发动机通过皮带以一定的传动比驱动，散热系统通常按照最大散热需求进行设计，这种风扇驱动方式最大的问题就是不能通过发动机工况的变化调整风扇转速，可能会导致发动机在低转速高负荷情况下散热不足，而高转速低负荷的情况下散热过度，造成燃油经济性降低又不能达到较好的散热效果;同时因需考虑发动机的布置使得散热器的安装位置受到限制。为了解决散热风扇存在的问题，逐渐出现了根据发动机温度调整风扇转速进而控制冷却强度的新设计。如电子风扇，硅油式风扇等。

1.2.1 液力驱动式风扇

液力驱动式风扇于20世纪80年代中期由德国、美国、日本、瑞典等国家进行研发。根据冷却水温度，環境温度，通风量等参数，在发动机工作情况时独立地驱动所述柱塞液压泵，通过控制液压泵排量调整冷却风扇转速。该驱动模式可以根据冷却系统的实时温度自动调节风扇转速，在不同的负载条件显著提高冷却系统的冷却性能。使发动机可以节省能源并有效降低风扇的噪音。但是其复杂的结构和较高的成本也是其未得到广泛使用的重要原因。

1.2.2 硅油式风扇

硅油风扇以高粘度的硅油为介质，通过硅油的粘性剪切力传递扭矩。当低温度时，硅油不会流动，风扇离合器分离，风扇转速降低，风扇基本处于怠速; 当温度升高时，硅油的粘度会结合风扇离合器。使风扇和水泵一起工作以调节发动机温度。

在发动机启动时，冷却系统温度较低，硅油离合器分离，风扇在低转速工况下空转，不仅减少发动机能量的消耗，也降低了冷起动时的发动机排放。但是硅油式风扇也有局限性：例如，与机械风扇相同，依旧是以一定的传动比工作、散热器和风扇的布置依旧存在限制。为克服传统硅油式风扇的不足电子硅油式风扇出现了。

電子硅油式风扇是通过ECU采集冷却水温信号，根据控制策略进行开环或闭环控制调节受控风扇中作为传动介质的硅油的流量，达到无级变速的要求。

电子硅油离合器可以根据发动机冷却系统的需要实时调整风扇速度，降低冷却风扇的能耗。另外，硅油离合器的咬合和切断是一个灵活而缓慢变化的过程，可以降低由风扇速度急剧增加所导致的风噪的影响。据统计：与机械风扇冷却系统相比，电子硅油离合器风扇可降低发动机油耗4.2%。

1.2.3 磁/电流变离合器式冷却风扇

磁/电流变离合器式冷却风扇简称电磁式风扇，是在曲轴与风扇之间添加了一种离合器，称为电磁式风扇离合器。发动机ECU收集并处理冷却系统的实时信号后，根据设定的控制程序输出相应电流，控制磁流线型风扇电磁线圈的截止电流大小。电磁线圈通电后，磁流变液中的悬浮粒子在磁场的作用下被磁化，沿磁场方向相互施加引力形成链状，产生了可变磁流变液剪切力。目的是使驱动风扇旋转，改变风扇速度。

磁流变离合器式风扇拥有结构紧凑、可控性好、工作噪声小、响应快、冷启动性能好等优点，离合器传递的扭矩可以由外加磁场连续调控。因磁流变液体在风扇中流动，提高了离合器的散热性，延长了磁流变液体的使用寿命。风扇需要根据发动机位置进行布置也是其难以解决的问题，但不可否认的是磁/电流变离合器式冷却风扇也是解决风扇驱动问题的有效途径。

1.2.4 电子风扇

在20世纪80年代，为减少风扇能量消耗，提出了电子风扇的方案。这种风扇不再通过发动机曲轴提供驱动力，而是利用电机带动风扇。在发动机ECU收集到发动机工况和冷却水温等信息经过处理后根据通知策略的要求控制电动风扇转速，节省了发动机直接驱动冷却风扇的能量损失，减少了发动机暖机时间并降低了传动损失。

由于电子风扇的驱动方式从根本发生了改变，让风扇和散热器的安装位置十分灵活;并且具有明显的节能效果;但是由于传统汽车搭载的为12V电源，风扇的功率受到了严重的限制。导致其使用范围受到制约。

2 混合动力汽车电子风扇的优势分析

在2000年时，电子风扇就已经开始应用于家用乘用车中，但是受功率的限制一直不能适用于所有车辆和工程机械。但是随着新能源汽车的快速发展，同时发展起来的也有电子风扇散热技术。将从结构复杂程度、燃油经济性两个方面探究在混合动力汽车平台下电子风扇相比于其他类型风扇的优势。由于电子硅油式风扇与电磁式风扇均属于离合器风扇，所以将这两种风扇统归为一类进行分析。

2.1 结构复杂程度对比

离合器式风扇均是在传统风扇的基础上增加了电控系统和离合器等部件，而液力驱动式风扇需要在发动机上添加一个分动箱与液压驱动系统，大大增加了散热风扇的复杂程度。但是电子风扇中电机与风扇本体高度集成，在实现同等散热需求的同时体积小巧，易于布置和安装。

2.2 燃油经济性对比

以上三种风扇均可以实现无极变速，相比于传统皮带定传动比的风扇据能够达到节油要求，但是由于离合器式风扇与液压驱动式风扇的动力源均为发动机，而电子风扇由电机直接驱动，不会影响发动机动力输出。而燃油经济性对比由表1、2可以得出结论：

根据以上分析计算，在某平台皮卡项目中，使其工作在NEDC工况下，发动机硅油风扇能耗为 0.17L/100km～0.31 L/100km，PWM风扇能耗0.00125L/100km;匹配PWM风扇后，在 NEDC 循环工况下，整车节油 0.17L/100km～0.31 L/100km 之间。由此数据可知在混合动力汽车中电子风扇相对于离合器式风扇的燃油经济性同样会提高。

3 混合动力汽车电子风扇发展趋势

20年前，电子风扇在汽车上的应用由于车载电池、风扇发展的局限，只能装载在小型乘用车中，并且风扇的设计和与车辆散热系统匹配中也遇到了许多难题。但是新能源车辆目前正在进行快速的发展，电子风扇应用于汽车的瓶颈被突破，使得电子风扇迅速在各类新能源车辆中进行普及。随着汽车智能化、电子集成化水平越来越高。对于发动机运行过程中参数的监控越加详细，电子风扇对于散热系统的优化对于整个车辆的动力性、燃油经济性提高起到更加重要的作用。

随着国家第六阶段机动车污染物排放标准的实施。严苛的排放标准要求车企在研发车辆的过程中在保证发动机功率达到要求的同时，需要使用更多机内和机外排放净化技术。而混合动力汽车在保证车辆经济性要求的同时又会造成在停机再启动、减速断油工况下的排放控制性能降低。电子风扇的应用对控制进风量、维持三效催化转化器温度起到了重要的作用。这也是电子风扇能够在未来应用于更多汽车中的重要原因。

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