CN104097592A - 基于速度的流动装置诊断系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于速度的流动装置诊断系统和方法。车辆或其他系统包括流动装置、部件和控制器。控制器在车辆/系统中执行诊断流动性能的方法。流动装置是泵、风机或风扇。响应于检测到的激活条件而命令来自流动装置的校准的上速度限值。在维持上速度限值达校准的持续时间后，关闭流动装置。在惰行时间间隔期间，确定流动装置的速度，所述惰行时间间隔由命令上速度限值和达到校准的下速度限值之间的时段限定。在惰行时间间隔上，计算速度的绝对变化率，其中当在惰行时间间隔期间计算的变化率的最大绝对斜率落在校准范围之外时，控制器执行控制动作。

Description

基于速度的流动装置诊断系统和方法

技术领域

本发明涉及用于流动装置的基于速度的诊断系统，以及使用该系统的方法。

背景技术

流体经由流动装置在汽车或其他系统中循环。流动装置通常是用于液体或冷却剂的泵和风机或风扇（当空气为冷却介质时）。循环流体可被用来执行热管理或流体促动功能。例如，一些车辆动力传动系使用相对高电压的电池模块作为电能源，用来为一个或多个牵引电动机供能。电池模块和相关的功率电子元件在持续使用期间产生大量的热。因此，形式为空气或冷却剂的循环流体被用来调节这些部件的操作温度。另外，加热、通风和空调（HVAC）风机被用来使空气运动而进出车辆舱室。在其他应用中，流体可经由泵在压力下循环，以将流体动力源提供到使用点，例如以促动阀或活塞。因此，对给定流动装置的功能性状态的认知对系统的总体控制而言是必要的。

发明内容

这里公开了一种系统，其具有流动装置、流体供应、部件和控制器。控制器与流动装置通信，且配置为在不使用流动传感器的情况下确定流动装置当前是否正在产生输出流动。在检测到的激活条件（比如钥匙事件）期间，控制器命令流动装置的速度达到校准的上速度限值，允许流动装置稳定在上速度限值，并随后关闭流动装置。在本文中称为“惰行事件”的该阶段中，由于摩擦力作用在流动装置上，流动装置的速度逐渐降低到校准的下速度限值。

流动装置可以输出形式为频率信号的原始速度信号。当流动装置惰行到下速度限值时，控制器接收频率信号，并使用处理器和相关控制逻辑来计算隐含的速度（Underlying speed）变化率。计算的绝对变化率，其是速度的导数的绝对斜率值，经由控制器与校准的速度范围对比。当在惰行期间计算的流动装置的变化率下降到该校准速度范围之外时，控制器执行关于流动装置的控制动作。

本文还公开了一种方法，其包括：经由控制器接收来自系统中的流动装置的原始速度信号，检测激活条件，和响应于检测到的激活条件而经由控制器命令来自流动装置的上速度限值。该方法还包括，在维持上速度限值校准的持续时间后命令来自流动装置的下速度限值，使得流动装置的速度在校准的惰行时间间隔上降低至下速度限值，并计算惰行时间间隔上的速度的绝对变化率。该方法进一步包括，当计算的绝对变化率下降到校准范围之外时，执行关于流动装置的控制动作。

另外，公开了一种车辆，其具有控制器、转换装置、和经由来自转换装置的周期信号控制的流动装置，所述周期信号例如为脉宽调制（PWM）、局部互联网络（LIN）或控制器区域网络（CAN）。流动装置配置为输出原始速度信号，其例如为反馈频率信号的形式。车辆进一步包括与流动装置流体连通的电池模块和功率电子元件。电池模块和功率电子元件经由通过流动装置循环的流体而被加热或冷却。控制器经由转换装置与流动装置通讯，并检测作为激活条件的钥匙事件，并响应于检测到的钥匙事件命令来自流动装置的校准的上速度限值。

在维持校准的上速度限值校准的持续时间后，控制器随后关闭流动装置，并确定在惰行时间间隔（由命令上速度限值与流动装置达到校准的下速度限值之间的时段限定）期间流动装置的速度，包括经由处理器处理PWM反馈信号。另外，控制器计算在惰行时间间隔上的速度的变化率，确定最大绝对斜率，即在惰行时间间隔内变化率的绝对值，并将最大绝对斜率与校准的流动装置的校准的最大绝对斜率对比。当最大绝对斜率与校准的最大绝对斜率之间的差超出阈值时，经由控制器执行关于流动装置的控制动作。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是车辆的示意图，该车辆具有示例性流动装置和控制器，所述控制器诊断本文提出的流动装置的性能；

图2是描述示例流动装置的性能相对于校准的流动装置的性能的曲线的示意图；

图3是描述了用于诊断图1中所示的流动装置中一个的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相似的附图标记在若干幅视图中表示相同或相似的部件，图1中示意性地显示了系统10。系统10可以是如图所示的示例车辆。然而，可以容易地预见非车辆系统作为替代，而不脱离本发明的意图范围，例如工业或住宅加热、通风和空调（HVAC）系统、流体动力系统、或具有下述类型的流体回路14和/或140的任何其他系统。为了说明的一致性，下文将描述图1的示例车辆。因此，系统10在下文中称为车辆10。

图1的车辆10可包括一个或多个流动装置12。如这里使用的，术语“流动装置”表示任何流体泵、风机、风扇、或其他提供足以令流体在相应流体回路14或140中循环的原动力的流动装置，所述流体为液体、气体或其组合。为了简明，图1中显示了仅两个流动装置12，其中流体回路14的流动装置12为风机或风扇，流体回路140的流动装置12为泵。在本发明的范围内可以使用更多或更少的流动装置12。

由一个或多个流动装置12提供的原动力通常为扭矩的形式，所述扭矩被施加到可旋转的带翼片或带叶片的轴，如本领域所理解的。本发明目的在于诊断流动装置12的性能，特别在于，在不需要物理体积流量传感器的情况下，诊断来自流动装置12的相关输出流动存在或不存在。反之，在流动装置12的从校准的上速度限值（N_U）到下速度限值（N_L）的强制惰行期间（图2），控制器20处理来自相应流动装置12的原始速度信号（箭头N₁₂）。以此方式，图1的控制器20确定流动装置12是否正常运行。在下文中参考图2和3更详细地叙述了上和下速度限值N_U和N_L的设定和使用。

这里可意识到，流动装置12（当为传统风扇、风机或泵的形式时）可以以相对较高的速率旋转而不产生相应的输出流动。多种故障模式可能导致这样的结果，其中流动通道阻塞是常见例子。阻塞可能由于接纳的碎屑或软管损坏而发生。其他故障模式包括未检测到的流体泄露，或甚至是断裂、弯曲或缺失的叶片。

在开环空气冷却系统中，比如图1中所示的流动回路14中，碎屑可能经由进气口13被流动通道接纳。作为示例，一些空气冷却系统从车辆舱室内抽吸进气空气，并因此可由于乘客、货物或碎屑而被无意中堵塞。尽管闭环流体冷却或促动系统（比如流体回路140）往往不易于由于被接纳的外部碎屑而发生流动通道阻塞，但是仍存在由其他源头产生的阻塞。例如，可能由于退化的流体密封件而存在密封材料碎屑，并且可能存在金属刮屑或其他常见污染物。阻塞可能由于部分或完全塌陷的软管或夹持件（特别是流体供应管线）而发生。

在这样的故障模式中，图1中所示的流动装置12可表现出惰行情况，其相对于校准的/好的流动装置12从期望性能偏离。通过控制器20执行的本诊断方法由此超越了流动装置12的瞬时速度以及典型的内部电诊断方法，比如测量供应到流动装置12的电流，二者可以对应或可以不对应于输出流动的存在。尽管这样的传统方法可与本方法结合使用，但是图1的控制器20特别地检查在校准的持续时间上的强制惰行期间流动装置12的速度斜率或变化率。

本分析法响应于检测的激活条件（比如车辆起动/钥匙开启或关闭/钥匙关闭，即钥匙循环（key cycle））而被执行。如下文将参考图2描述的，性能正被诊断的流动装置12在校准的上速度限值（N_U）下被自动地关闭或被供应降低水平的功率，其后由于流体阻力、摩擦和其他力逐渐发挥作用，被允许以逐渐减慢的速度变化率“惰行”到较低的速度限值（N_L）。

作为本方法的一部分，图1的控制器20计算流动装置12的原始速度（N₁₂）在上速度限值（N_U）与下速度限值（N_L）之间的导数，如图2所示，以便确定在该惰行时间间隔期间的最大绝对斜率。随后将该最大绝对斜率与可允许斜率的校准范围对比。如果计算的最大绝对斜率落在可允许斜率的校准范围之外，即相对于使用正常运转的流动装置12的好的、正常的或以其他方式“知道是好的”的系统来说在被记录的容差下更陡峭或更窄，则控制器20关于被诊断的流动装置12执行控制动作，如下文关于图3所述。

仍参考图1，示例流体回路14、140可以是用于使冷却剂循环到部件30、32的热管理环路，所述部件在操作中产生热。流体回路14提供空气冷却环路的简化的示例，其中在该示例中箭头A表示循环的空气，其中形式为风机或风扇的流动装置12将空气循环到部件30。当车辆10配置为混合电动或电池电动车辆时，部件30可以是用于高电压电池模块的相关功率电子元件。这样的流体回路14将要求经由进气口13来自周围环境的新鲜的空气进入，所述进气口13可包括过滤器15和/或挡板，以便限制碎屑或其他可能的流动通道障碍物的进入。为了图示的简要，流体回路14和140的结构在图1中被大大简化。本领域普通技术人员将意识到，其他部件或装置可能存在于流体回路14和140（比如换热器、膨胀阀、蒸发器、冷凝器、减压阀等）中。

流体回路14提供了液体或液体/气体冷却剂环路的简化的示例，其中形式为油、制冷剂或冷却剂（取决于应用）的流体（箭头F）经由流动装置12（在这种情况中为流体泵），从贮槽18被抽吸，并在压力下被循环到正被加热、冷却或被促动的部件32。部件32可以是与部件30相同类型的部件，例如电池模块或相关的功率电子元件，或其可以是活塞、阀、汽缸或其他液压促动的装置。由此，流体回路140中的流动装置12可以实施为变速器、动力转向装置、燃料或水泵，且流体回路14的流动装置12可以实施为HVAC风机或风扇，用于将被加热或被冷却的空气引导到车辆10的乘客车厢，而这不会脱离本发明的意图保护范围。

为了诊断车辆10或其他系统中使用的流动装置（一个或多个）12中任何一个的流动性能，图1的控制器20可被设置为与其性能将要被诊断的每一个流动装置12通信。控制器20可实施为计算机装置（一个或多个），其具有用于执行图2的示例方法100中详细列出的任务必须的硬件和软件元件。例如，控制器20可包括处理器22、有形非瞬时存储器24（例如ROM、光学介质、闪存等）以及任何所需的瞬时存储器（比如RAM和EEPROM）。控制器20还应包括所有必需的输入/输出（I/O）装置、网络接口卡、收发器26等。去往和来自控制器20的信号可分别经由适当的控制链接件和/或无线地从流动装置（一个或多个）12发送，或发送到流动装置（一个或多个）12，所述控制链接件例如为传输导体、控制器区域网络（CAN）总线、串联连接器。

在一种可能的配置中，图1的流动装置12的控制可经由脉宽调制（PWM）完成。在其他配置中，局部互联网络（LIN）或控制器区域网络（CAN）可被使用。如本领域熟知的，周期信号，其在图1中示出为PWM信号（箭头PWM），可响应于源自控制器20的命令（箭头11）被发送到流动装置12，在该例子中是经由转换模块33进行的。转换模块33可以是控制器20或流动装置12的一部分，或转换模块33可以是分开的部件。

响应于PWM信号（箭头PWM）的接收，流动装置12的速度被确定并被发送到控制器20。流动装置（一个或多个）12可使用任何可用的技术用于速度测量，包括例如反EMF、电流检测、编码器/霍尔效应传感器等。频率反馈信号（箭头f）随后经由转换模块33或在非PWM实施例中经由其他适当结构被传送到控制器20，其中速度（箭头N₁₂）最终通过控制器20发送或计算。

在图1的非限制实施例中，频率反馈信号（箭头f）是频率调制信号，其将相应流动装置12的速度（N₁₂）编码。反馈信号（箭头f）可以作为任何已存在的通信协议的一部分而产生。控制器20处理接收的频率域数据，以确定流动装置12的隐含的速度，或直接接收反馈信号（箭头f）以达到相同的效果。图1的控制器20随后响应于预定的激活条件，经由处理器22计算在校准的停机运转时间间隔上的速度（N12）的绝对变化率，即如下文参考图3所说明的。如图2所示，该绝对变化率具有相应的斜率（M₁₂），其通过控制器20与已知的良好系统的斜率（M_X）对比，该已知的良好系统采用例如已知良好的或校准的流动装置12。控制器20随后经由输出信号（箭头29）执行例如对状态指示器25或存储器24的控制动作。

参考图2，一组曲线50示出了经由图1的控制器20执行的下面的控制方法。图2是时序图，其中时间（t）绘制在水平轴线上，速度N绘制在垂直轴线上。曲线N₁₂示出了给定的一个流动装置12的速度。由此，在t₀和t₁之间，流动装置12被命令以稳态速度运行，其在图2的示例中是上速度限值（N_U）。在大约t₁处，在经过适用于将速度（N₁₂）稳定在上速度限值（N_U）处的延迟（t_s）之后，图1的控制器20关闭流动装置12，并允许流动装置12惰行到校准的下速度限值（N_L）。上速度限值（N_U）可被设定到流动装置12的最大速度，且下速度限值（N_L）可被设定到零，或为二者之间的任何位置处，图2中显示了用于下速度限值（N_L）的后一种可能。相应的上和下速度限值（N_U和N_L）之间的差还应足够大，以提供希望的分辨率，例如在一种可能的配置中为最大理论速度的至少70%，并且小于最小理论速度的约25%。

在流动装置12被关闭后不久，其速度开始衰减。校准的/正常运行的流动装置12的期望的衰减轨迹由曲线N_X示出在图2中。但是，发生故障的流动装置12可能表现出与曲线N₁₂所示明显不同的轨迹。控制器20计算在流动装置12在上速度限值（N_U）处关闭和最终达到下速度限值（N_L）之间的持续时间Δt中的最大绝对斜率，即在相应的斜率曲线M12的点70处，其中该持续时间为惰行时间间隔。用于流动装置12的最大绝对斜率对应于图2中的点70。控制器20随后比较记录在图1的存储器24中的校准流动装置的最大绝对斜率，即点60。根据点60与70之间的绝对变化值，适当的控制动作被执行。

参考图3，用于诊断图1中所示流动装置12的性能的示例方法100可由控制器20执行，其中控制动作最终作为该诊断的结果通过控制器20执行。方法100开始于步骤102，其中控制器20确定是否已经满足预定的激活条件（En）。举例来说，步骤102可能必须单独地或结合部件30或32的温度测量来检测图1的车辆10的起动或钥匙启动事件。即，如果图1的车辆10尚未运行达到一定时间，则部件30或32的温度可能足够低，由此不要求在后面测试的持续时间进行冷却。如果部件30或32是由流体促动，而不是由流体加热或冷却的，则可替代地使用不同的条件，比如特定的变速器档位状态，或车辆关闭/钥匙关闭可被用作激活条件。

步骤102的目的是识别一时间段，在该时间段期间，方法100的剩余步骤的执行可以进行，而不会与被诊断的流动装置12的正常加热、冷却或促动功能不适当地干涉。因为对于以下诊断测试的一部分，流动装置12将被命令关闭，因此步骤102的条件应适于最小化对驾驶功能的任何明显的影响，同时尽可能维持得令驾驶员感知不到。一旦检测到激活条件，则方法100行进至步骤104。

在步骤104，图1的控制器20命令来自其性能要被诊断的特定流动装置12的上速度限值（N_U）。该上速度限值（N_U）可以是流动装置12的最大旋转速度，其稳态速度如图2中所示，或是其他速度值，只要该速度足够高以执行方法100的后序步骤。步骤104的一部分可能需要经由转换模块33向流动装置12发送如图1中所示的PWM信号（箭头PWM）。方法100随后行进至步骤106。

步骤106需要等待达到之前在步骤104中命令的速度并且该速度足够稳定，这发生在已经过去图2的持续时间t_S之后。稳定可能需要激活图1的控制器20的计时器以执行延迟，该延迟期间流动装置12的速度不应变化以在例如命令的上速度限值（N_U）的±5%之内。一旦流动装置12的速度已经稳定，则方法100进行至步骤108。

在步骤108，图1的控制器20关闭流动装置12，比如通过停止PWM信号（箭头PWM）的发送。甚至在去往流动装置12的功率被中断之后，该流动装置12仍将继续由于其自身惯性而旋转，但由于摩擦和流动阻力的作用速度逐渐降低。流动装置12的速度最终衰减至图2的t₂处的校准的下速度限值（N_L）。如上所述，下速度限值（N_L）可以是如图2中所示的非零值，或其可以是零。在图2的从上速度限值（N_U）到下速度限值（N_L）的惰行时间间隔（Δt）的整个持续时间，描述流动装置12速度的原始速度频率信号被控制器20接收和记录。方法100随后行进至步骤110。

步骤110包括经由图1的控制器20计算图1的流动装置12的速度变化率（当其从步骤104命令的上速度限值（N_U）惰行到步骤108命令的下速度限值（N_L）时）。即，斜率（M₁₂）被作为图2的速度曲线（N₁₂）的导数（即速度变化ΔN₁₂除以其速度降低到下速度限值（N_L）的水平所经历的时间）计算。方法100随后行进至步骤112。

步骤112需要找到在惰行时间间隔（Δt）上的流动装置的速度变化的最大绝对斜率，即图2的点70，并随后将该最大绝对斜率值与斜率值的校准的范围[U,L]对比，以确定来自步骤110的最大绝对斜率值是否超过或小于该范围的限值，即图2的点70与点60之间变化的绝对差值是否为可接受的值。

尽管图2的例子中显示的速度信号（曲线N₁₂）减速快于相应的校准速度信号（N_X），且由此所得斜率（曲线M₁₂）在点70处具有最大值，该最大值超过校准斜率（M_X）的最大值，这可以指示特定的故障，比如流动通道阻塞，但是在其他故障模式中可能发生相反的情况。例如，假设流体泄露或损坏的风扇叶片，假定损坏的风扇叶片没有立即锁止流动装置12，则降低的流体阻力将作用在流动装置12的旋转部分上，由此在图2所示的惰行时间间隔（Δt）期间减慢流动装置12的速度下降率。当最大绝对斜率落在校准范围之外时，步骤112进行至步骤114，而当最大绝对斜率落在校准范围内时，进行至步骤116。

在步骤114，图1的控制器20执行与所怀疑的故障模式（即，当最大绝对斜率比允许的斜率更陡峭时为可能的流动通道阻塞或堵塞，或当最大绝对斜率比允许的斜率更平缓时为可能的流体泄露或叶片损坏）相对应的第一控制动作（I）。步骤114可能需要在控制器20的存储器24中记录诊断代码，将诊断代码经由远距离传送单元（未示出）发送到远程位置，或致动图1的指示器25以提供通知驾驶员流动装置12应维护的视觉和/或听觉的警告。步骤114可包括临时性地使部件30和/或32禁用，和/或使流动装置12禁用，以便保护部件30、32或流动装置12。

步骤116，很类似于步骤114，包括执行与合格诊断相对应的第二控制动作（II）。由于这样的诊断通常不指示给驾驶员，因此步骤116可仅需要在存储器24中记录合格诊断的代码，或经由远距离传送单元将合格诊断的结果发送到远程数据源。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本发明相关领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (8)

1.一种系统，包括：

具有某一速度的流动装置，其中该流动装置配置为输出原始速度信号；

部件，与所述流动装置流体连通；和

控制器，与所述流动装置通信，且配置为：

检测激活条件；

响应于检测到的激活条件，命令来自流动装置的校准的上速度限值；

在维持校准的上速度限值持续校准的稳定时间间隔后，关闭流动装置；

在惰行时间间隔期间确定流动装置的速度，所述惰行时间间隔由命令上速度限值与流动装置达到校准的下速度限值之间的时段限定；

计算惰行时间间隔上的速度变化率；和

当计算的变化率的最大值落在校准范围之外时，执行关于流动装置的控制动作。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统是车辆，且其中所述激活条件是车辆的钥匙事件。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述部件是车辆的电池模块和功率电子元件中的至少一种。

4.如权利要求1所述的系统，其中校准的范围是在相同的校准惰行时间间隔上，校准的或好的流动装置的最大绝对斜率的允许范围。

5.如权利要求1所述的系统，其中流动装置是流体泵，且所述部件经由通过流体泵循环的流体而被冷却或加热。

6.如权利要求1所述的系统，其中流动装置是流体泵，且所述部件经由通过流体泵循环的流体被促动。

7.如权利要求1所述的系统，其中流动装置是风机或风扇，且所述部件经由通过所述风机或风扇循环的空气被冷却或加热。

8.如权利要求1所述的系统，其中执行控制动作包括禁用流动装置和禁用所述部件中的至少一种。