发动机技术前沿：自适应水泵系统设计的深度分享

关键词：汽车水泵,实时控制,RS485

作者：薛大伟、李鑫源、初岩、纪鑫、刘尊民，青岛理工大学机械与汽车工程学院

当前水泵与发动机曲轴通过传动皮带进行连接，发动机启动后与曲轴转速成正比关系持续运转，不能根据发动机在不同工况下的冷却需求自动调节，主要表现在两个方面：

• ①低温环境下水泵持续运行，不能保证快速暖机的需求。
• ②发动机低扭矩平稳运转过程中水温较低时不能自动启停控制，导致燃油经济性略差。

国内外很多机构对发动机冷却相关理论方法方面有诸多研究，并提出了高效率的发动机冷却方案，如法雷奥公司1999年提出了智能热调控电子调节冷却系统^{[1]；天津大学杨鸿镔对冷却系统控制策略和控制效果进行了研究[2]；吉林大学吕良建立冷却系统传热动力学模型[3]，并提出相关控制方法。但是，在应用方面尚缺少低成本、稳定可靠的成熟产品。}

针对上述问题，设计了一种新型发动机自适应控制水泵系统，冷却水泵与发动机皮带通过电磁离合器连接，采用自适应算法控制水泵合理启停；同时开发上位机测试软件对发动机水温及电磁开关状态进行实时监测，并对历史数据进行存储和在线分析，可实现特殊环境下特种车辆的快速暖机，并在一定程度上提高发动机的燃油经济性。

1 系统工作原理

系统分为上位机部分及下位机部分：下位机实现温度数据的采集及对电磁离合器的控制等硬件功能；上位机实现数据的显示、存储、实时曲线及报表等软件功能。

该系统采用发动机自身的温度传感器，对发动机水温信号进行精确监测。

水温信号通过传感器传递给A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号传递给控制器。

控制器由专用电源供电，写入控制模块的程序根据转换后的数字信号发出不同指令，控制继电器动作。

继电器直接控制水泵电磁离合器的动作，进而控制水泵的启停。

为了避免频繁震荡，电磁离合器动作后延时20 s，再次判断水温信号是否对离合器进行输入信号控制。

以水温信号为基础控制电磁离合器吸合，在该项目中分两步进行，初期采用信号逻辑控制方式，当温度大于100 ℃，输入高电平时，控制离合器吸合；温度小于95 ℃，输入低电平时，控制离合器分离，发动机暖机完成后，通过自适应控制算法，实现水泵合理的启停时间优化，以达到降低油耗的目的。硬件系统控制模块的程序同时输出信号，通过RS485 模块输出到电脑中与上位机进行通信，硬件系统中控制温度及延时时间长度可由上位机设定，采集发动机水温信号的频率可由上位机设定为：1 s、2 s、5 s、30 s、1 min、3 min。

上位机主要采集水温信号及输出开关量信号，其功能为：实时显示水温信号及开关状态信号；存储水温历史数据、报表；实时曲线显示、生成完整的系统日志文件。

2 硬件系统设计

系统硬件主要由系统供电模块、控制模块、信号输入模块、串口通信模块、继电器输出模块等组成，如图1 所示。

图1 硬件系统组成

图中：

1. 电源模块：12 V 转为5 V 稳压电源。
2. 控制模块：工业级微处理器。
3. 信号输入：热电阻温度信号，经信号调理与A/D转换后输入MCU。
4. 串口通信模块：采用RS485 芯片，与上位机通信。
5. 继电器输出模块：采用车用75 A 继电器模块。

2.1 串口通信模块

该系统与上位机的通信方式选择RS485 有线通信，RS485 接口在总线上允许连接多达128 个接收器，RS485 接口采用平衡驱动器的差分接收器组合，抗共模干扰能力强。

由于微控制器与RS485 的输入、输出电平不同，因此采用MAX485 芯片进行电平的转换。为了增加模块的抗干扰能力，电路中的电源端增加一个0.1 μF 无极性电容接地。

2.2 继电器输出模块

本设计采用车用75 A 继电器模块作为控制开关，以水温信号为基础实现对电磁离合器吸合的控制。继电器的信号输出电路接在单片机的P2.1 口，在单片机悬空的I/O 口引脚上拉10 kΩ，减少噪声等的干扰，单片机通过对温度传感器采集的数据与系统本身设定温度进行比较，控制继电器的吸合，进而控制水泵运转。

图2 继电器信号输出电路

3 上位机软件设计

3.1 程序设计

3.1.1 主程序设计

系统主程序主要完成系统初始化，等待系统初始化完成之后，调用温度采集子程序，对发动机冷却液温度进行采集，然后调用开关量控制子程序，对采集到的温度与设置好的温度进行对比，输出开关控制量。具体流程图如图3。

图3 主程序流程框图

3.1.2 开关量控制流程设计

开关量输出主要功用是输出继电器控制信号，完成电磁离合器的吸合与分离，有效可靠的使执行机构工作，而且不受其他因素的影响。温度采集电路和继电器控制电路与RS485 总线相互完全隔离，与整个系统隔离。

3.2 数据通信

软件设计中硬件系统与上位机数据通信采用中断方式，其通信协议如下：

1）设定延时时间：$ST01XX!，延时时间设定成功返回：$SV01!，读取延时时间：$RE01!，读取延时时间返回：$RE01XX!，其中XX 为十六进制数据。

2）设定启动温度：$ST02XX!，设定成功返回：$SV02!，读取启动温度：$RE02!，读取启动温度返回：$RE02XX!。

3）读取温度指令：#RD01 ！，读取开关量指令：#SW01 ！，收到温度数据：#RD01XXX.X<\n>，收到开关量数据：#SW01X<\n>，其中XXX.X 表示十六进制数据，X 采用二进制，即0 为关，1 为开。

3.3 监控中心客户端软件实现

监控中心软件由模块化设计方法实现的，其主要功能包括串行口设置（设置、选择串口、选择通信波特率等参数，可进行通信测试）、系统标定设置、实时数据曲线显示、历史数据处理等。系统功能模块如图4 所示，实时数据曲线界面如图5 所示。

图4 系统软件功能模块

图5 实时数据曲线界面

4 结束语

新型自适应水泵与发动机皮带通过电磁离合器连接，该系统前期采用逻辑方式控制电磁离合器的吸合，完成发动机的暖机工作，之后通过自适应控制算法，实现水泵合理的启停时间优化。自适应水泵系统通过电磁离合器对水泵的控制实现极端环境下发动机的快速暖机；通过自适应算法实现适时非持续运转，提高发动机燃油经济性。

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