CN105308852B - 用于运行电动风扇驱动器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行风扇驱动器的转速受调节或转速受控制的电动马达(EM)的方法和设备，该电动马达联接到机动车的车载电网电压(U_B)上，并且电动马达的马达转速(n)被调节到预先给定的第一转速额定值(n_soll)上，其中，当车载电网电压(U_B)波动时，马达转速(n)被调节到与第一转速额定值(n_soll)相比更低的转速额定值(n*_soll)上。

Description

用于运行电动风扇驱动器的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于运行机动车的电动风扇驱动器(风扇)的方法和设备。方法在此尤其被理解为用于借助调节或控制装置对机动车的电动驱动风扇的联接到车载电网电压上的无刷电动马达进行转速调节的调节方法。风扇尤其被理解为机动车的、尤其是暖气和/或空调风扇驱动器的所谓的HVAC风扇(Heating Ventilation Air Condition，暖通空调)或者散热器通风风扇。

背景技术

在变化的运行电压的影响下，对在机动车中所使用的风扇和/或通风装置马达的转速调节以及相应的调节或控制电路例如由DE 44 08 442 A1、由DE 44 44 810 A1、由DE198 55 424 A1并且由DE 10 2010 048 747 A1公知。已公知的控制或调节方法基本上基于在电动风扇驱动器的电动马达的负载回路中的借助脉宽调制(PWM)驱控的半导体开关的占空比依赖于变化的运行电压或车载电网电压地进行改变。

当机动车的车载电网，尤其是车载电网电压和/或车载电网电流波动时，由于对这种电动马达或电动风扇驱动器的转速进行调节，所以尤其是在最大或百分百地对转速调节进行调制的情况下明显会出现转速振荡。车载电网的这种振荡也可以是由运行决定的，或按规定所期望或需要的，例如用于车辆电池的能量回收(Rekuperation)。在此，在最大15.5V和最小12V的发电机额定电压的情况下例如可能会出现3V/s的电压变化梯度。

这种振荡在风扇空气流中从声学上可以察觉到，也就是能够听到。因此，经常需要将电动马达相应高地设计，也就是说，超规格地设计，以便保持或提供调整余量(Stellreserve)。此外，HVAC系统的最大可达到的转速与空调器的一个或多个风门位置(Klappenstellung)有关，也就是与负载有关，并且并不会限制在固定的值上。车辆中的其他运行条件也可以是负载波动或负载变化的原因。因此，所使用的驱动马达相应地成本会很高，并且/或者不能够利用到车辆中的最大的空气流(100％空气流)。

这些缺点尤其是在带刷电机和/或无刷直流电机的情况下是可以预料到的，无刷直流电机模拟带刷电机，这是因为无刷直流电机由系统决定地必须具有相应的调整余量。所谓的直流或DC模仿(模拟DC特性曲线)意味着：关于由操作部件预先给定的设定点出现的马达转速随着马达电流的上升而下降。

发明内容

本发明的任务在于，说明一种用于运行机动车的电动风扇驱动器(风扇)的特别适合的方法和一种按照该方法工作的设备。尤其地，风扇应该尽可能噪音低地工作。为此，应该以适合的方式限制由给风扇驱动器供能的车载电网的波动导致的声学上的影响。

根据本发明，该任务在方法方面利用一种用于运行风扇驱动器的转速受调节的电动马达的方法来解决，在设备方面利用一种用于对机动车的电动风扇驱动器进行转速调节的设备来解决。

在所述方法中，电动马达联接到机动车的车载电网电压上，其中，所述电动马达的马达转速被调节到预先给定的第一转速额定值上，其特征在于，在设定的时间区间期间，所述马达转速被调节到依赖于所述车载电网电压的电压波动来设定的、小于所述第一转速额定值的转速额定值上，并且在所述时间区间结束之后，所述马达转速重新被调节到所述第一转速额定值上，从而所述风扇驱动器的风扇在所有运行条件下总是以至少近似百分之百的功率且在此尽可能低噪音地工作。

所述设备具有驱控电动马达的功率开关和调节器，所述功率开关接入用车载电网电压加载的负载电流回路中，所述调节器在程序和/或电路技术上被设置和设立成用于执行上述的方法。

本发明具有有利的改进方案、设计方案和变型方案。

为此，提供了一种用于运行转速受调节的或转速受控制的、联接到机动车的车载电网电压上的电风扇驱动马达的方法，将该电风扇驱动马达的马达转速调节到预先给定的第一转速额定值上。当车载电网电压波动时，将马达转速调节到与第一转速额定值相比更低的转速额定值上。适合的是，依赖于作为HVAC系统工作的风扇的当前的风门位置并且/或者依赖于电动马达的当前的马达负载来调节电动马达的马达转速。

在本发明的一个有利设计方案中，对于一段预先给定的或能预先给定的时间，马达转速被调节到依赖于电压波动和/或负载波动来设定的转速额定值上。该转速额定值小于预先给定的最大转速。适宜的是，在设定的时间区间期间进行该时间有限的转速调节。转速也可以时间有限地被调节到相对于最大转速或相对于第一转速额定值减小的转速额定值上，并且在该时间区间结束之后重新被调节到最大转速或第一转速额定值上。

根据该方法的一个适合的改进方案规定，优选最大的转速额定值从起始水平出发依赖于车载电网电压的尤其是第一次的电压下降的曲线，首先下降到过渡水平或中间水平上，并且在第一时间区间或第一时间区段结束后恒定地保持在所下降到的水平上，以及在第一和/或第二时间区间或第二时间区段结束之后重新调整到起始水平上。附加或替选地，(最大)转速额定值可以从起始水平出发依赖于负载曲线或负载升高，首先下降到过渡水平或中间水平上，并且在第一时间区间或第一时间区段结束后恒定地保持在所下降到的水平上，以及在第一或第二时间区间(第二时间区段)结束之后重新被调节到起始水平上。

用于对机动车的电动风扇驱动器，优选是HVAC系统进行转速调节的设备包括驱控电动马达的形式优选为多个以桥电路互连的半导体开关的功率开关，该(这些)功率开关接入用车载电网电压加载的负载电流回路中。此外，该设备还包括调节器(调节装置或调节电路)，其在程序和/或电路技术上被设置和设立成用于执行根据本发明的方法。

因此，根据本发明规定，一旦调节器达到要限定的阈值，或者在调节装置(调节设备)内超过该阈值，驱动风扇的电动马达就获得和/或存储尤其是针对HVAC系统的此刻的风门位置的最大可能的转速。因此，在风扇驱动器运行期间，当车载电网电压和/或负载电流回路的负载波动时，依赖于当前的风门位置并且/或者依赖于当前的马达负载，首先将马达转速调节到预先给定的第一转速额定值上，并且随后调节到与第一转速额定值相比更低的转速额定值上。

适合的是，借助调节或控制装置，风扇驱动器的或者其电动马达的马达转速在预先给定的时间内，也就是在设定的时间间隔或时间区间期间被调节到依赖于电压波动和/或负载波动来设定的转速额定值上，该转速额定值小于预先给定的最大转速。在此适宜的是，马达转速在该时间区间期间被调节到相对于最大转速或第一转速额定值减小的转速额定值上，并且在该时间区间结束之后才重新被调节到最大转速或第一转速额定值上。

特别优选地，优选最大的转速额定值从起始水平出发，尤其依赖于车载电网电压的(第一次的)电压下降的曲线并且/或者依赖于负载曲线和/或负载升高，首先尤其是下降到过渡水平或中间水平上，并且在第一时间区间或第一时间区段结束后恒定地保持在所下降到的水平上，以及在第一和/或第二时间区间或第二时间区段结束之后重新调节到起始水平上。

利用本发明实现的优点尤其在于，在实践中的所有运行条件下，风扇总是可以在可接受的声学上的干扰(颤动)的同时通过如下方式以至少近似百分之百的功率使用，即，使风扇总是重新获得最大转速并进而获得最大空气量。这有利地导致驱动马达(电动马达)不必超规格地设计(设计得过大)，并且同时可以廉价地制造。

附图说明

下面，借助附图详细阐述本发明的实施例。其中：

图1以转速时间图表示出随时间变化的车载电网电压(U_DC)和与之同步的实际转速(转速曲线或转速实际值曲线)(n_ist)的曲线以及额定转速(n_soll)在时间上恒定的曲线；

图2以根据图1的图表示出由于在车载电网电压骤降并且随后再次升高的情况下的车载电网波动导致转速变化的示例，其中包括时间上的控制曲线(ma)；

图3以根据图2的图示示出由于在车载电网随时间多次(可变地)改变的情况下的车载电网波动，例如由于能量回收导致的转速变化；

图4a和图4b示出具有或没有转速变化的与具有和没有正弦形的电压波动的车载电网电压有关的转速曲线；

图5以方框图示出在第一实施方式中的用于转速调节和/或用于由车载电网波动导致的转速变化的调节电路；并且

图6以方框图实现在第二实施方式中的用于转速调节和/或用于由车载电网波动导致的转速变化的调节电路。

彼此相应的部分和参量在所有附图中设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出在驱动机动车风扇的电动马达的预先给定的转速额定值n_soll的情况下，实际转速n_ist的在控制极限上，例如在最大的马达电压的情况下随车载电网电压U_DC变化的曲线。在图表左边部分中能够看出的是，实际转速n_ist在车载电网电压U_DC相应较低的情况下没有达到转速额定值n_soll。在时间t上能够看出的是，实际转速n_ist的随着车载电网电压U_DC的曲线变化同步改变的曲线围绕转速额定值n_soll发生相对较大的转速波动。电动的风扇驱动器或通风驱动器的这种转速特性例如在机动车的乘客舱中导致不期望的能察觉的噪音形成。

图2和图3以类似的图表示出车载电网电压U_DC在开始近似恒定期间，实际转速n_ist与转速额定值n_soll几乎完全的重叠。在特定的时间点t₁时，车载电网电压U_DC斜坡式地在时间点t₃下降到最小值，以便随后重新斜坡式地升高到提高的水平上。

图2示出转速额定值n_soll在车载电网电压U_DC的局部的电压骤降处的转速变化，也就是说，尤其是转速额定值n_soll在车载电网电压U_DC的局部的电压骤降处的匹配，而图3示出在例如具有车载电网电压U_DC的多次电压骤降和电压升高的能量回收的情况下的转速变化。

在车载电网电压U_DC的曲线上方示出转速调节的调制度ma(modulationamplitude，调制幅度)的曲线。该调制度ma在时间t₂与时间t₃之间的时间间隔内达到最大值ma_max，并且在时间t₄低过最小值ma_min。在时间间隔t₃-t₂期间，转速额定值n_soll下降，并且维持在该水平一直到时间点t₅，从低过调制度ma的最小值ma_min的时间点t₄开始的时间区间Δt＝t_{ma_min}在时间点t₅结束。从该时间点t₅起，转速额定值n_soll连续上升至初始水平。

因此，风扇驱动器的或电动马达的最大转速n*_max原则上基于调节的或所调节的功率部分的调制度ma来确定，并且在需要时，也就是说，在超过最大值ma_max时减小。如果在较长的时间段t上识别出调制度ma的减弱，那么就逐渐提高允许的最大转速。调制度ma在此被限定为相对于最大可能的输出电压的当前输出电压。

类似地，在根据图3的车载电网电压U_DC的曲线中，转速额定值n_soll随车载电网电压U_DC的下降边沿而下降。随后，转速额定值n_soll在比较低的水平上恒定地分布，其中，该较低的转速额定值优选在车载电网电压U_DC达到最低的电压值时被调整出。

只要调制度ma在时间t<t_{ma_min}时小于最小值ma_min，那么就不提高最大转速额定值n*_max，也就是说，内部最大转速保持恒定(在t<t_{ma_min}时ma<ma_min→n*_max)。如果调制度ma大于或等于最大调制度ma_max，那么最大转速额定值n*_max就等于转速实际值n_ist，也就是说，内部最大转速被同步(ma≥ma_max→n*_max＝n_ist)。如果调制度ma在时间t≥t_{ma_min}时小于最小值ma_min，那么就缓慢提高最大转速额定值n*_max(在t≥t_{ma_min}时ma<ma_min→n*_max)。

图4a和图4b示出在带和不带叠加的具有1V_pp/2Hz的正弦的车载电网电压U_DC＝12V的情况下对转速调节或控制的功能性进行测试的结果。在图4a中，上方的曲线示出转速额定值(额定转速)n_soll和由于叠加有正弦(正弦曲线)的车载电网电压U_DC导致的当前转速(实际转速)n_ist。能够看到的是，实际转速与车载电网电压的波动同步地波动。图4b示出在车载电网电压U_DC出现正弦波动时，由于转速额定值(转速变化)n_soll有针对性地下降导致的转速调节的结果。能够看到的是，调节不仅可以在出现正弦电压波动之前，而且更确切地说也可以在转速额定值n_soll已经下降之后，将实际转速n_ist调节到实际转速上，而不具有值得一提的转速波动。

结果是，由于在出现电压波动和/或负载波动的情况下转速波动减小，所以声学上的影响并且进而是由于比较强烈波动的马达转速而导致的噪音形成被最小化。

图5以简化的原理方框图示出用于由于驱动(未详细示出的)风扇的电动马达EM的车载电网发生波动或功率波动而导致的转速调节或转速变化的调节电路或设备。该电动马达配属有下面被称为功率开关的功率开关装置LS，其可以由一定数量的以H桥电路互连的功率开关，例如MOSFET来构建。驱控电动马达EM的功率开关LS接入用车载电网电压U_DC加载的负载电流回路中。

驱控功率开关LS的PWM调整器PWM(脉宽调制)布置在功率开关LS之前。调节器R布置在PWM调整器PWM之前，由比较器V获知的调整值作为包括实际转速n_ist和转速额定值n_soll或经修改的转速额定值的调整参量、调节参量或参考参量在输入侧输送给调节器。

修改转速额定值n_soll借助以n_max标注的转速修正值来实现，转速修正值借助优选作为软件实现的功能模块FA利用用于最小化转速波动的算法来获知。将一方面实际转速n_ist以及另一方面当前的调制度ma输送给功能模块FA，调制度可以在调节器R的输出侧获取。

实际转速n_ist借助传感器或无传感器地获知，例如由电动马达EM的电动力(EMK、U_EMK)获知。电动力一方面与转速n成比例，并且另一方面可以由车载电网电压U_DC与当前的马达电压U_M的差来获知。

图6示出用于尤其是由于车载电网波动导致的转速变化的比较复杂的调节电路。在根据图6的实施例中，加入了电动马达EM的相位电流的相应于I_{d_soll}(在没有磁场削弱OA的情况下)和I_{q_soll}的额定值。因此，I_q调节器R_q的调整参量和/或I_d调节器R_d的调整参量以简单的方式和方法在考虑到电动马达EM的转子位置θ_R的情况下用作调制度ma，其中，ma_q相应于调整参量或最大的调整参量，并且ma_ab相应于针对PWM调整器PWM的由此导出的调整参量。

确定电动马达EM的实际转速(转速实际值)n_ist和转子位置θ_R以及获知或计算出相位电流的实际值I_{q_istl}和I_{d_ist}借助功能模块FB由电动马达EM的(三相的)马达电压U_uvw和马达电流I_DC来实现。为此，功率开关LS在实施例中以适合的方式作为功能模块在B6电路中实施。由此，特别简单且可靠的是，电动马达EM的转速、转子位置和相应的相位电流可以借助针对各个相位u、v、w的电压U_uvw和针对马达电流的I_DC的参量或参数导出。

本发明并不局限于之前描述的实施例。相反地，本发明的其他变型方案也可以由本领域技术人员从中导出，而不会脱离本发明的主题。此外，所有结合实施例描述的单个特征尤其是也可以按不同的方式彼此组合，而不会脱离本发明的主题。

附图标记列表

EM 电动马达

FA 功能模块

FB 功能模块

LS 功率开关/功率装置

PWM PWM调整器

R 调节器

R_d I_d调节器

R_q I_q调节器

V 比较器

I_DC 马达电流

I_d,q 相位电流

n_ist 转速实际值

n_soll 转速额定值

n*_max 最大马达转速

ma 调制度

ma_ab 调整参量

ma_min 最小值

ma_max 最大值

ma_ab 调整参量

ma_q 调整参量

t_{ma_min} 时间区间

U_DC 车载电网电压

U_uvw 马达电压

θ_R 转子位置

Claims (4)

1.一种用于运行风扇驱动器的转速受调节的电动马达(EM)的方法，所述电动马达联接到机动车的车载电网电压(U_B)上，其中，所述电动马达的马达转速(n)被调节到预先给定的第一转速额定值(n_soll)上，其特征在于，在设定的时间区间(Δt)期间，所述马达转速(n)被调节到依赖于所述车载电网电压(U_B)的电压波动来设定的、小于所述第一转速额定值(n_soll)的转速额定值(n*_soll)上，并且在所述时间区间(Δt)结束之后，所述马达转速(n)重新被调节到所述第一转速额定值(n_soll)上，从而所述风扇驱动器的风扇在所有运行条件下总是以至少近似百分之百的功率且在此尽可能低噪音地工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电动马达(EM)的马达转速(n)依赖于作为HVAC系统工作的风扇的当前的风门位置来进行调节。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，转速额定值(n_soll)从起始水平出发依赖于所述车载电网电压(U_B)的电压下降的曲线，首先下降到过渡水平或中间水平上，并且在第一时间区间结束后恒定地保持在所下降到的水平上，以及在第二时间区间结束之后重新被调节到所述起始水平上。

4.一种用于对机动车的电动风扇驱动器进行转速调节的设备，所述设备具有驱控电动马达(EM)的功率开关(LS)和调节器(R)，所述功率开关接入用车载电网电压(U_DC)加载的负载电流回路中，所述调节器在程序和/或电路技术上被设置和设立成用于执行根据权利要求1所述的方法。