CN104081303A - 用于散热器风扇的控制设备、散热器风扇装置和方法 - Google Patents

用于散热器风扇的控制设备、散热器风扇装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于散热器风扇、具体地用于机动车的散热器风扇的控制设备，具有：外部控制设备，其被设计为：根据第一预定定位点值，针对所述散热器风扇的电动机产生受控变量；以及内部控制设备，其被设计为：如果所述外部控制设备产生的所述受控变量采用使所述散热器风扇的所述电动机的马达电流超过预定第一马达电流最大值的值时，根据预定第一马达电流最大值，对所述马达电流进行控制。本发明还涉及散热器风扇装置和用于控制散热器风扇的方法。

Description

用于散热器风扇的控制设备、散热器风扇装置和方法
技术领域
本发明涉及用于散热器风扇、更具体地用于机动车的散热器风扇的控制设备。本发明还涉及散热器风扇装置和用于控制散热器风扇的方法。
背景技术
在许多技术领域中需要风扇来冷却装置和系统并将其工作温度保持在特定工作温度范围内。在车辆中，风扇用于例如与散热器组合，以将车辆引擎保持在引擎的特定工作温度范围内，并防止引擎过热。
如果将该类型的风扇用作机动车中的散热器风扇，则车辆控制系统通常在风扇控制系统中为散热器风扇预设期望速率。然后，风扇控制系统以闭环方式控制散热器风扇，使得所述散热器风扇以预定期望速率旋转。结果，在恒定的环境条件下，通过散热器风扇产生恒定气流或传递恒定风量。
在这种传统风扇中，气流随环境条件的变化而改变。将诸如温度、海拔高度之类的环境条件理解为变化的环境条件，它们影响环境空气密度。
例如，如果机动车处于高海拔，则那里的空气比海平面显著稀薄(即，密度小)。然而结果，散热器风扇以同一速率可以提供的最大风量减小。这会导致散热器风扇即使以最大速率也无法提供足够的空气来冷却引擎。因此，温度升高，必须激活散热器风扇的紧急工作模式，从而风扇将速率提升至紧急速率。作为备选项，针对这种情况也可以使散热器风扇超尺寸。然而，这将会使散热器风扇模块整体的制造更加困难并且更加昂贵。
发明内容
因而针对上述背景技术，本发明的目的在于使散热器风扇适合不同的环境条件。
根据本发明，通过具有权利要求1的特征的控制设备、和/或通过具有权利要求1的特征的散热器风扇装置、和/或通过具有权利要求的特征的方法来实现该目的。
因而提供以下方案：
一种用于散热器风扇、更具体地用于机动车的散热器风扇的控制设备，包括：外部闭环控制设备，其被设计为：根据第一预定期望值，针对所述散热器风扇的电动机产生受控变量；以及内部闭环控制设备，其被设计为：当所述外部闭环控制设备产生的所述受控变量呈现使所述散热器风扇的所述电动机的马达电流超过预定第一马达电流最大值的值时，对所述马达电流进行闭环控制。
一种散热器风扇装置，更具体地用于机动车的散热器风扇装置，包括：散热器风扇，具有叶轮和驱动所述叶轮的电动机；并且包括：根据本发明的控制设备，所述控制设备与所述散热器风扇耦接，并被设计为控制所述散热器风扇的所述电动机。
一种控制机动车的散热器风扇的方法，更具体地使用根据本发明的控制设备来控制机动车的散热器风扇的方法，包括以下步骤：根据第一预定期望值，针对所述散热器风扇的电动机产生受控变量；当所述受控变量呈现使所述散热器风扇的所述电动机的马达电流超过预定第一马达电流最大值的值时，根据预定第一马达电流最大值，以闭环方式对所述马达电流进行控制。
本发明的概念在于，将用于散热器风扇的电动机的闭环控制分布至外部闭环控制设备和内部闭环控制设备。因此，可以使用以闭环方式非常灵活地控制的散热器风扇。此外，可以以闭环方式将根据本发明的散热器风扇控制在散热器风扇的总的可能速率范围内，使得不再必需例如散热器风扇的紧急工作模式。
参照附图，从附加的从属权利要求和说明书中给出本发明的有利实施例和展开。
在第一优选实施例中，所述预定期望值指定期望速率。在这种情况下，将外部闭环控制设备设计为闭环速率控制器，所述闭环速率控制器具有被设计为检测电动机(10)的速率的速率检测装置。这种类型的闭环速率控制允许，特别是在电动机的部分负载范围内允许电动机的有效致动。此外，通过这种类型的闭环控制，可以防止散热器风扇的特定速率，该特定速率会引起车辆中的共振并因此产生讨厌的噪声。然而，如果该速率达到很高的值，使得散热器风扇的电动机为了达到该值将会需要的电流超过第一最大值，则通过内部闭环控制设备，基于该电流来控制散热器风扇的电动机。通过这种分布，可以确保散热器风扇在特定于所述散热器风扇的所有环境条件下施加所述散热器风扇所期望的功率。
在另一类似的优选实施例中，所述期望值指定期望风量。将外部闭环控制设备设计为闭环风量控制器，所述闭环风量控制器具有被设计为检测散热器风扇的风量的风量检测装置。由于散热器风扇以预定速率移动的风量取决于空气密度，当风扇以相同速率工作时，如果例如温度改变或如果散热器风扇在高海拔处例如在高于2000m的区域中工作，则所移动的风量改变。因此，基于所需风量对风扇的闭环控制允许提供恒定风量，因而允许在变化的环境条件下提供恒定的冷却功率。
在一个实施例中，将内部闭环控制设备设计为具有电流传感器的闭环电流控制器。电流传感器被设计为将马达电流闭环控制为恒定值，使得电动机所消耗的电流小于控制系统的功率电子器件的最大允许电流。这允许实现非常简单的内部闭环控制。
在另一实施例中，将内部闭环控制设备设计为闭环电流控制器。内部闭环控制设备控制电流，使得电动机所消耗的电流暂时超过控制系统的功率电子器件的最大允许连续电流，以提供增大的风量。在这种情况下，将内部闭环控制设备设计为限制消耗增大的电流的时间量，使得不会对功率电子器件造成损坏。这允许暂时提供增大的风量。
在一个实施例中，控制设备具有第二最大值，并且预设可以被设置的受控变量的最大值，散热器风扇被设计为：在电动机利用所述散热器风扇达到设置第二最大值所需的速率之前，使得电动机的马达电流在室温下增大至第一最大值，所述第一预定期望值(5)依据温度和/或海拔高度和/或环境空气密度产生。在室温下的空气比在更高温度下的空气致密。因此，与更高的温度或例如更高的海拔相比，在室温需要增大的功率使散热器风扇以预定速率工作。如果预设第一最大值和第二最大值，使得散热器风扇例如在室温下无法以最大速率工作，并且仅能在更高温度下或更高海拔达到最大速率，则可以对散热器风扇速率进行连续闭环控制达到其最大速率，而不再必需散热器风扇紧急工作模式。
在一个实施例中，控制设备具有PWM接口或数字数据接口，具体是CAN总线接口或FlexRay接口或LIN总线接口，所述接口被设计为将控制系统与其他车辆控制系统耦接，并从至少一个其他车辆控制系统接收期望值。这允许散热器风扇用在各种车辆结构中，并允许散热器风扇灵活地适于各种应用。
只要合理，可以以任何可预想的组合对上述实施例和展开进行组合。本发明的其他可能实施例、展开和使用还包括关于实施例的先前或以下描述的本发明的特征的组合，即使未明确说明。在这种情况下，更具体地，本领域技术人员还将会将作为改进或添加的各方案加入本发明的各基本形式。
附图说明
以下将参照在附图的示意图中详细说明的实施例，更加详细地对本发明进行说明，其中：
图1是根据本发明的控制设备的示例性实施例的框图；
图2是根据本发明的散热器风扇装置的示例性实施例的框图；
图3是根据本发明的方法的示例性实施例的流程图；
图4是根据本发明的控制设备的另一示例性实施例的框图；以及
图5是示出可以在根据本发明的散热器风扇装置2的实施例中记录的两条速率曲线和两条功率曲线的图示。
附图意在传达对本发明实施例的进一步了解。附图示出了本发明的实施例，并且结合说明书阐明了本发明背后的原理和概念。其他实施例和许多提及的优点相对于附图来说是清楚的。附图的要素不必真实示出相对彼此的比例。
在附图中，除非特别指出，否则在每种情况下，对相同要素、特征和组件，或服务于相同功能并具有相同效果的要素、特征和组件提供相同的附图标记。
具体实施方式
图1是根据本发明的控制设备1的示例性实施例的框图。
在这种情况下，通过附图标记1表示根据本发明的控制装置。控制设备1具有外部闭环控制设备3和内部闭环控制设备6。
外部闭环控制设备3产生受控变量4，该受控变量4可以馈送至散热器风扇2的电动机10(图1中未示出)。此外，外部闭环控制设备3选取预定期望值5，其为受控变量4提供期望值。
在控制设备1中，在外部闭环控制设备3和受控变量4的输出之间提供内部闭环控制设备6。内部闭环控制设备6被设计为监视电动机10的马达电流。此外，如果马达电流超过预定的第一最大值，则内部闭环控制设备6被设计为以通过闭环电流控制产生的受控变量4替换由外部闭环控制设备3产生的受控变量4。在该过程中，内部闭环控制设备6实现闭环电流控制，使得如果作为预定期望值5的结果，马达电流超过预定的第一最大值，则控制马达电流为恒定电流值。
控制设备1具有用于预定期望值5的PWM输入。例如，其可通过适合的控制设备，在机动车中以非常简单的方式作为PWM调制信号产生。
此外，根据分立电路元件构造外部闭环控制设备3和内部闭环控制设备6。在其他实施例中，可以在例如控制设备1的存储单元中，将外部闭环控制设备3和内部闭环控制设备6存储为计算机程序产品，并且可以通过特别针对该目的而提供的控制设备1的处理设备或控制单元来执行。
图2是根据本发明的散热器风扇装置2的示例性实施例的框图。
图2的散热器风扇装置具有根据本发明的被设计为控制散热器风扇2的控制设备1。散热器风扇2具有电动机10和叶轮11。
在其他实施例中，散热器风扇装置可以在机动车中安装，并与车辆的数字车辆总线连接。在这样的实施例中，控制设备1经由车辆总线接收数字数据形式的预定期望变量5。
图3示出了根据本发明的方法的示例性实施例的流程图。
在第一步骤S1，根据第一预定期望值5产生散热器风扇2的电动机10的受控变量4。在第二步骤S2，如果受控变量4呈现使散热器风扇2的电动机10的马达电流超过该马达电流的预定第一最大值，则以闭环方式控制该马达电流。
图4是根据本发明的控制设备1的另一示例性实施例的框图。
图4中的控制设备1也具有外部闭环控制设备4和内部闭环控制设备6。不同于图1，图4中的外部闭环控制设备4具有第一求和单元12，用于在正输入处获得期望速率5和在负输入处获得散热器风扇2(未示出)的当前速率。将期望速率5与当前速率之差馈送至闭环速率控制器13。基于期望速率5与当前速率之差，该控制器产生受控变量4。受控变量4例如可以是要馈送至电动机10的电压4。
闭环速率控制器13的输出与内部闭环控制设备6的决策单元14耦接。决策单元14确立电动机10的马达电流的电流强度是否超过预定第一最大值。
如果马达电流低于预定第一最大值，则决策单元14向选择单元15传送闭环速率控制器13所产生的受控变量4。所述选择单元与电动机10的马达绕组18耦接，并向马达绕组18发送受控变量4，例如电压4。
如果当前马达电流高于预定第一最大值，则决策单元14不向选择单元15传送受控变量4。在这种情况下，决策单元14将马达电流的预定第一最大值路由至第二求和单元16的正输入。第二求和单元16在第二、负输入处获得在马达绕组18中流过的当前马达电流强度，并确立当前马达电流强度与预定第一最大值之差。将该差馈送至闭环电流控制器17，该闭环电流控制器17产生受控变量4，使得马达电流呈现恒定值。在这种情况下，马达电流的恒定值对应于与控制设备1的功率电子器件的最大允许连续电流强度相对应的电流强度。
闭环电流控制器17产生的受控变量4被传送至选择单元15的第二输入。如果选择单元15接收由闭环电流控制器产生的受控变量4，则选择单元15不向马达绕组18传送闭环速率控制器13所产生的受控变量4，而是传送闭环电流控制器所产生的受控变量4。
图5是示出可以在根据本发明的散热器风扇装置2的实施例中记录的两条速率曲线和两条功率曲线的图示。
图5是x轴表示输入PWM信号的图示，输入PWM信号表示预定期望值5。该图示左侧示出的第一y轴示出了以rpm为单位的0到3500的速率。该图示右侧的该图示的第二y轴示出了以watt为单位的电功率。
该图示示出了两条速率曲线。第一速率曲线示为平滑线；第二速率曲线以菱形构成的线示出。这些速率曲线在约750rpm、10％PWM开始，并且均线性增大到3000rpm高达80％的输入PWM信号。第一速率曲线延伸到3000rpm，没有任何进一步增大地直至100％的输入PWM信号。第二速率曲线以线性方式进一步增大到3400rpm，直至90％的输入PWM信号。第二速率曲线延伸到3400rpm，没有任何进一步增大地直至100％的输入PWM信号。
该图示还示出两条功率曲线。第一功率曲线示为平滑线，而第二功率曲线以三角形构成的线示出。
第一功率曲线从0watt起以恒定增大的梯度从0％的输入PWM信号延伸到80％的输入PWM信号，且功率为400watt。第一功率曲线没有任何进一步增大地延伸直至100％的输入PWM信号。
第二功率曲线以恒定增大的梯度(然而小于第一曲线的梯度)从0％的输入PWM信号延伸到90％的输入PWM信号，且功率为400watt。第二功率曲线没有任何进一步增大地延伸直至100％的输入PWM信号。
在图5的图示中，平滑线所示出的两条曲线表示根据本发明的散热器风扇装置2在室温下和0m的海拔处的行为。此外，所有曲线表示根据本发明的控制设备1的行为，其可以发射400watt的最大连续输出功率。
如果根据本发明的控制设备1在室温下工作，则输出功率早在3000rpm达到400watt的最大值。然而，如果输入PWM信号进一步增大，则内部闭环控制设备6将电流控制为恒定值，使得控制设备1的输出功率不超过400watt。
菱形或三角形构成的曲线表示根据本发明的散热器风扇装置2在高温或稀薄空气(例如，如果散热器风扇装置在高海拔处工作)中的行为。从图示中可以看出，由于散热器风扇装置移动的空气的较低密度，达到特定速率所需的电功率低于室温时的情况。
典型地，该速率限于散热器风扇装置在室温下和0m海拔需要最大可能电功率的速率。然而，如果这种散热器风扇装置工作在更高温度下，即，以较稀薄的空气，则无法传送所需的气团，因为这在较低空气密度下需要较高速率。如果引擎预示过热危险，则激活紧急工作模式，从而散热器风扇装置以增大的速率旋转。
然而，作为当引擎预示过热危险时限制速率为3000rpm且仅在3400rpm的速率激活紧急工作模式的替代，根据本发明的控制设备1允许该速率线性增大到3400rpm的最大速率，并限制输出功率仅在该点。
在图示中，通过紧邻第二功率曲线的箭头示出可以另外以线性方式控制根据本发明的散热器风扇装置的功率范围。该箭头开始于80％PWM，且紧邻第二功率曲线延伸至90％PWM。
尽管以上参照优选实施例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以多种方式进行修改。
附图标记列表
1      控制设备
2      散热器风扇
3      (外部)闭环控制设备
4      受控变量
5      期望值
6      (内部)闭环控制设备
10     电动机
11     叶轮
12     求和单元
13     闭环速率控制器
14     决策单元
15     选择单元
16     求和单元
17     闭环电流控制器
18     马达绕组

Claims (12)

1.一种用于散热器风扇(2)、更具体地用于机动车的散热器风扇(2)的控制设备(1)，包括：
外部闭环控制设备(3)，被设计为：根据第一预定期望值(5)，针对所述散热器风扇(2)的电动机(10)产生受控变量(4)；以及
内部闭环控制设备(6)，被设计为：当所述外部闭环控制设备(3)产生的所述受控变量(4)呈现使所述散热器风扇(2)的所述电动机(10)的马达电流超过预定第一马达电流最大值的值时，根据预定第一马达电流最大值，对所述马达电流进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，
所述预定期望值(5)指定期望速率；并且
所述外部闭环控制设备(3)被设计为闭环速率控制器(3)，所述闭环速率控制器(3)具有被设计为检测所述电动机(10)的速率的速率检测装置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，
所述预定期望值(5)指定期望风量；并且
所述外部闭环控制设备(3)被设计为闭环风量控制器(3)，所述闭环风量控制器(3)具有被设计为检测散热器风扇的风量的风量检测装置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，
所述内部闭环控制设备(6)被设计为具有电流传感器(9)的闭环电流控制器(6)，所述电流传感器(9)被设计为检测所述电动机(10)的马达电流，所述内部闭环控制设备(6)还被设计为将所述马达电流控制为恒定值，使得所述电动机(10)所消耗的电流小于所述控制设备(1)的功率电子器件的最大允许电流。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，
所述控制设备(1)具有所述受控变量(4)的第二最大值，并且预设能够被设置的所述受控变量(4)的最大值；所述散热器风扇(2)被设计为：在所述电动机(10)利用所述散热器风扇达到设置所述第二最大值所需的速率之前，使得电动机(10)的马达电流在室温下增大至所述第一最大值；所述第一预定期望值(5)依据温度和/或海拔高度和/或环境空气密度产生。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备(1)具有PWM接口或数据接口，具体是CAN总线接口或FlexRay接口或LIN总线接口，所述接口被设计为将控制设备(1)与其他车辆控制设备耦接，并从至少一个其他车辆控制设备选取所述期望值(5)。
7.一种散热器风扇装置，更具体地用于机动车的散热器风扇装置，包括：
散热器风扇(2)，具有叶轮(11)和驱动所述叶轮(11)的电动机(10)；以及
根据权利要求1至6中任一项所述的控制设备(1)，所述控制设备(1)与所述散热器风扇(2)耦接，并被设计为控制所述散热器风扇(2)的所述电动机(10)。
8.一种控制机动车的散热器风扇(2)的方法，更具体地使用根据权利要求1至6中任一项所述的控制设备(1)来控制机动车的散热器风扇(2)的方法，包括以下步骤：
根据第一预定期望值(5)，针对所述散热器风扇(2)的电动机(10)产生受控变量(4)；
当所述受控变量(4)呈现使所述散热器风扇(2)的所述电动机(10)的马达电流超过所述预定第一马达电流最大值的值时，根据所述预定第一马达电流最大值，以闭环方式对所述马达电流进行控制。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述预定期望值(5)指定期望速率；并且
所述受控变量(4)指定速率，所述散热器风扇(2)的速率被检测以产生所述受控变量(4)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述预定期望值(5)指定期望风量；并且
所述受控变量(4)指定风量，所述散热器风扇(2)的风量被检测以产生所述受控变量(4)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，
在所述马达电流的闭环控制期间，控制所述马达电流为恒定值，所述电动机(10)所消耗的功率低于致动所述电动机(10)的所述控制设备(1)的功率电子器件的最大允许功率。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，
预设第二最大值，从而预设能够被设置的所述受控变量(4)的最大值，在控制所述受控变量(4)为所述第二最大值之前，当产生所述受控变量(4)时，所述散热器风扇(2)的所述马达电流在室温下增大至所述第一最大值。
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