智能冷却扇简约不简单，一文get冷却风扇设计的技巧
——快速选型及案例分析
前不久，金脉电子刘经理带我们认识了汽车冷却系统中的水泵（点击这里回看）。在汽车冷却循环系统中，还有另外一个决定系统关键性能的冷却部件——冷却风扇。那么在汽车中，如何设计冷却风扇？来自一线汽车电子工程师程工带来了他曾给客户X做的冷却风扇项目分享：
在设计冷却风扇项目前，先要明白同为冷却系统的冷却风扇和水泵之间的异同：
冷却风扇与水泵一样，都是汽车冷却系统中不可缺少的组成。虽然同水泵一样，冷却风扇也需要电机驱动，但他们的工作职责可大不相同。水泵在汽车的冷却系统中属于“心脏”，负责将液体加压并泵到管路中，结构一般为离心式泵体结构。而冷却风扇相当于汽车冷却系统的“皮肤”，提高流经汽车散热器空气的流量和流速，负责冷却水的温度并进行散热，从而增强散热效果。
接下来，我们要开始设计汽车中的冷却风扇了。客户X是行业内的知名大厂，出厂的产品成为一代又一代的行业标杆，引领了不少潮流，因此，对产品的把关非常严格。这次工作，必须打足精神！
先了解冷却风扇原理和工作环境，才能开始设计：
电动冷却风扇的结构主要由电动机、断电器、水温开关等组成，系统构造图如下图所示：
冷却系统的构造图
发动机在运转初期、怠速以及低温（90℃以下）时，冷却风扇一般不工作。当水温在95℃左右时，此时风扇低速工作，转速约为1600r/min；当水温为105℃时，风扇开始以较高速度转动，其转速约为2400r/min。
驱动汽车冷却风扇的电机主要是有刷直流电机，近几年，无刷直流电机逐渐应用于冷却风扇电机的控制，无刷直流电机可以提高冷却风扇的工作性能并且延长冷却风扇的使用寿命。
现在才正式开始设计工作，让我们先理一理工作思路，如何完美地设计出这款车用电动冷却风扇呢。
设计流程
第一步，我们看看电动冷却风扇系统设计要求及重点难点分析
在设计冷却风扇系统时，一般需要满足的性能目标：
1）输出功率
在规定的要求下，冷却风扇的转速一般要求1600-4000r/min，只有在达到额定转速的时候，才能达到额定功率。对于冷却风扇来说，必须保证可以长时间的满载输出。
2）起动控制
起动过程是指电机转速从零上升到稳定值的过程，对于无刷直流电机而言，由于其内阻较小，起动时电流迅速增加，将引起反电动势增大，同时也将抑制电流增加，电流增加达到最大值后将开始减小。起动时电流比稳定运行电流大得多，大概是稳定电流的6-7倍，功率电路将承受较大的电流，同时电磁干扰也很大。起动性能是冷却风扇的关键指标之一，一般来说要求安全可靠且快速稳定，且可以随意起动和停止。
3）工作电压
以新能源车为例，对于工作在12V系统中的冷却风扇要求如下：
·低于9V不工作
·9-16V正常工作
·16-18V停机，但是不能损坏
·18-24V至少能承受1h以上
·高于24V控制电路损坏，保险丝保护。
4）噪声控制
一般而言，转速越高、风量越大、噪声也会越大。目前冷却风扇的一般尺寸都比较大，大部分冷却风扇的转速在1600-4000r/min。噪声方面有专门的噪声测试方法，需要从硬件及软件双方面综合考虑进行优化。
除了以上的四点目标之外，设计的电动风扇还需要有电机保护机制，如堵转保护，短路保护与过电流保护，过电压保护和欠电压保护。
第二部，我们开始选择合适的器件及方案
在进行设计选型时，重点需要考虑主控芯片和MOS两部分硬件的选型及设计。冷却风扇的产品特性决定了在设计时要选择小尺寸MCU和高性能MOS，主控芯片要尽可能的集成多种模块，例如LIN、预驱系统，以此尽可能的节省PCB的空间，同时还要求主控芯片具有较好的工作性能。对于MOS，需要MOS管的尺寸较小、同时具有较好的功率开关性能和高效率。
针对上述器件选型需求，英飞凌的TLE9879QXW40芯片可作为主控，ARM-Cortex M3内核，集成了主控制器、LIN收发器、桥式预驱动器等模块。芯片内部集成了电流传感器和10位ADC，在使用时可以直接监测MOS的工作电流，同时包含线上电压调节器，可通过LIN总线直接进行通讯，在进行设计时可以有效减小外设数量，精简设计的BOM。
在MOS驱动方面，可选择英飞凌提供的IAUA250N04S6N007，使用英飞凌独创的OptiMOS?技术，使用sTOLL封装，在保证热性能的前提条件下，其封装尺寸仅为7x8 mm2，可提供更高的电流容量，该器件性能较为优异，可以提供同级别最佳的功率密度和功率效率，英飞凌的高质量品质水平保证其可稳定应用于汽车中。此外，还需要使用霍尔传感器进行位置检测，并使用专门的电流传感器进行电流数据的采集。
使用上述芯片进行设计的英飞凌系统解决方案如下图所示。
电动冷却风扇解决方案
在测量电机位置信息时，采用带有传感器的方案，使用了英飞凌的TLE5501 E0001磁传感器，可以进行电机角度位置监测，并且测的数据可以直接在控制器中进行处理，不需要额外的内部放大器，这样省去了信号处理过程，还节省了PCB的空间。
第三部，如何设计系统硬件
冷却风扇主要由两大部分构成：冷却风扇机械总成和电子控制部分。无刷直流电机的输出轴直接与电机的风扇的转轴同轴连接，通过定位销和平键进行稳定传动，在进行同轴设计时需要注意同轴度的标定，保证其同轴偏离度在偏心距要求的范围内。
电子控制电路部分主要包括主控制器电路、LIN总线通讯电路、驱动电路、电源电路等，使用单面贴片和双面走线，节省了空间。冷却风扇的控制板集成在电动冷却风扇的电机内部，并且由发动机的ECU控制模块进行控制，除了通信控制总线，还有电源线，通过风扇防尘罩的电气插接器来进行电气连接。
硬件综合设计结构图如下图所示：
系统硬件结构框图
第四步，项目软件设计
1）控制系统软件结构及状态设计
控制系统使用状态机进行控制，系统的软件设计结构框图下图所示：
软件设计系统框图
状态机控制主要包括4部分：Init，Stop，Run，Fault
Init：所有的MOS都被关闭，并且PWM占空比设置为0%。状态机转换到停止状态。
Stop：在停止状态下，直流母线电流偏移校准继续进行，电机准备启动。一旦需要电机运行，就执行到运行状态的转换。
Run：电机以初始占空比启动。电机换相在霍尔接口信号值变化时进行，如果需要电机停止，状态机将切换到初始状态。电机转速和相电流计算继续进行，直到电机最终停止。
Fault：应用程序检测到：
?直流母线欠压（V<9V）
?直流母线过电压（V>16V）
?电机失速
一旦检测到任何故障，状态机就进入故障状态。脉冲宽度调制MOS关闭。要退出故障状态，必须清除所有故障源。状态机进入初始化状态。
2）在项目中电机控制双环控制注意点
对电机的控制主要是速度环控制和电流环控制，速度环的软件控制流程图如下图所示：
速度环PI控制系统框图
无刷直流电机的速度控制主要是通过PID算法，通过控制输出的PWM的占空比，使转速接近要求的转速。速度环是固定时间进行更新，根据PWM的周期和转速来进行确定，当到达要求的时间时，进入中断进行控制。在中断控制中，首先需要设置下一个速度控制的更新时间，随后计算出实际速度，并且利用实际速度和需求速度的误差作为输出量输入到PI控制器中进行速度计算，PI控制器的控制参数包括速度差、比例和积分常数等。如此，电动风扇便可以按照目标正常运行功能。
电流控制和速度控制在同一个定时中断内，因为两个控制器的输入和输出是互相关联的。当计算得到实际速度时，可以通过代入实际电流和电机最大允许电流之间的差值来进行电流PI控制。电流PI控制器的输出将缩放到与PWM周期成比例的数值，在电流PI控制器计算得到占比控制后，两个占空比的输出数值可进行相互比较。如果速度PI控制器的占空比输出高于电流限制PI控制器的输出，速度PI控制器的占空比输出值将作为电流限制PI控制器的值，否则，速度PI占空比输出将作为占空比更新值。
以上的步骤便是冷却风扇设计过程，之后的工作便是对冷却风扇进行系统调试，以达到客户X的要求，这样冷却风扇就可以安全交付给客户。在这次项目中使用了英飞凌的芯片，让我们的风扇性能超过了客户的预期。
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