CN105720740B - 确定用于发热装置的冷却剂流体的有效温度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于动态地监测在发热装置处的流体温度的方法，包括利用温度传感器监测保持在流体容器中的流体的温度。确定第一流体流速和第二流体流速。基于流体温度和通过主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过主动冷却剂回路中的热交换器的流体的第三流体流速和温度降。基于穿过热交换器的流体的第三流体流速和温度降确定通过主动冷却剂回路供应给电机的流体温度。基于容器中的流体的温度和通过主动冷却剂回路供应给电机的流体的温度确定流体的有效温度。

Description

确定用于发热装置的冷却剂流体的有效温度的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于包括电机的发热装置的冷却系统，和与之相关的温度。

背景技术

在此提供的背景技术描述用于大体展现本发明背景的目的。在本背景技术部分描述的程度内的本申请发明人的工作、以及在递交申请时没有成为现有技术的方面既没有明示也没有暗示作为抵触本申请的现有技术。

在操作期间产生热的装置可装备有冷却系统，以将热去除来防止温度相关的损坏。一种形式的发热装置包括电马达/发电机(电机)，包括混合动力和电动车辆应用中使用的那些。发热装置可提供温度反馈给控制系统，以控制操作和防止对马达绕组的温度相关损坏，所述损坏由在与服役寿命相关的优选温度范围之外的操作导致。这样的控制系统可包括控制例程，以当温度超过临界温度时，减小马达扭矩输出。但是，减小马达扭矩输出从发热装置的期望性能的角度看是不期望的。

发明内容

描述了一种用于发热装置的冷却系统，其包括流体泵，该流体泵流体地连接至被动冷却剂回路和主动冷却剂回路，所述被动冷却剂回路和主动冷却剂回路每个与发热装置流体连通。主动冷却剂回路包括热交换器、被动旁通控制阀和旁通回路。一种用于动态地监测在发热装置处的流体温度的方法，包括利用温度传感器监测保持在流体容器中的流体的温度，该容器将流体供应给流体泵。确定通过被动冷却剂回路的第一流体流速和通过主动冷却剂回路的第二流体流速。基于流体的温度和通过主动冷却剂回路的第二流体流速来确定穿过主动冷却剂回路中的热交换器的流体的第三流体流速和温度降。基于穿过热交换器的流体的第三流体流速和温度降来确定通过主动冷却剂回路供应给电机的流体温度。基于容器中的流体的温度和通过主动冷却剂回路供应给电机的流体温度确定流体的有效温度。

在根据本发明的方法中，当所述流体的温度小于用于激活所述被动旁通控制阀的最小临界温度时，所述第三流体流速是零。

在根据本发明的方法中，当所述流体的温度大于用于激活所述被动旁通控制阀的上临界温度时，所述第三流体流速等于第二流体流速。

在根据本发明的方法中，所述热交换器包括空气冷却的热交换器，并且其中，基于所述流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过主动冷却剂回路中的热交换器的流体的温度降的步骤还包括：基于流体温度、第二流体流速和环境空气温度来确定穿过所述热交换器的流体的温度降。

在根据本发明的方法中，基于容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路供应给所述电机的流体温度确定有效流体温度的步骤包括：合计所述第一流速和容器中的流体温度、以及合计所述第二流速和通过所述主动冷却剂回路供应给所述电机的流体的温度。

在根据本发明的冷却系统中，基于所述流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过所述主动冷却剂回路中的热交换器的第三流体流速的控制例程包括：基于所述流体的温度来确定所述被动旁通控制阀的开度的大小，以及基于所述被动旁通控制阀的开度的大小确定穿过所述热交换器的第三流体流速。

在根据本发明的冷却系统中，当所述流体的温度小于用于激活所述被动旁通控制阀的最小临界温度时，所述第三流体流速是零。

在根据本发明的冷却系统中，当所述流体的温度大于用于激活所述被动旁通控制阀的上临界温度时，所述第三流体流速等于所述第二流体流速。

在根据本发明的冷却系统中，所述热交换器包括空气冷却的热交换器。

在根据本发明的冷却系统中，基于所述流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过所述主动冷却剂回路中的热交换器的流体的温度降的控制例程还包括：基于所述流体的温度、所述第二流体流速和环境空气温度来确定穿过热交换器的流体的温度降。

本发明教导的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施如所附的权利要求中定义的本发明教导的一些最佳模式和其它实施例的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

现在将通过示例并参考附图来描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出根据本发明的电驱动(electrically-powered)马达/发电机(电机)、包括第一和第二冷却剂回路的相关联冷却/润滑系统、和控制器，以及

图2示意性地示出根据本发明的用于确定流体的有效温度的控制例程，其用于参考图1所述的冷却/润滑系统和相关联电机的实施例。

具体实施方式

现参考附图，其中，说明书仅用于阐释一定特定实施例的目的，而不是对其进行限制的目的，图1示意性地示出了电驱动马达/发电机(电机)20、相关联冷却/润滑系统40和执行控制例程200的控制器10的元件。如在此所述的，电机20用于在车辆上产生牵引作用，但是本发明并没有被如此限制。电机20是发热装置的一个例子。可以在本发明的范围内考虑其他发热装置，所述其他发热装置采用执行控制例程200的控制器10和相关冷却/润滑系统40的实施例。

电机20包括定子22和同轴转子24，且可以是任何适当的电机，诸如异步马达或同步马达。在一个实施例中，电机20是牵引马达，转子24联接至车辆传动系，以产生用于车辆推进的牵引扭矩。未示出其他马达控制元件，诸如逆变器、电池和相关电路。

冷却/润滑系统40包括流体泵送元件44、第一被动冷却剂回路46和第二主动冷却剂回路50，该第二主动冷却剂回路50供应用于冷却和润滑电机20的流体41，所述流体41从容器42抽出。在一个实施例中，流体41是变速器油，具有已知的润滑和比热属性。流体泵送元件(泵)44是电动装置，其具有已知的速度和流速属性。泵4将流体41从容器42抽出，并将加压流体41供应给第一和第二冷却剂回路46、48。泵44优选地利用从控制器10发出的脉宽调制控制信号或利用另外的适当控制信号而被控制。替换地，泵44可以是机械驱动的泵，其可旋转地联接至发动机曲柄轴。温度传感器12监测容器42中的或在冷却/润滑系统40中的另外的适当位置处的流体41的温度。温度传感器12信号连接到控制器10。

第一被动冷却剂回路46包括流体导管和其他能够将加压流体41供应到定子总管48的元件。定子总管48定位为靠近电机20的定子22，且将流体流41供应到定子22的端部匝(end turns)，以实现其冷却。第一冷却剂回路46是被动的，因为不存在这样的装置：该装置用于将热添加到流动通过其的流体41或从其去除。应意识到，一些热传递可通过流体导管发生。

第二主动冷却剂回路50包括流体导管和其他能够将加压流体41供应到转子总管60的其他元件。第二冷却剂回路50包括热交换器52和旁通回路56，二者均通向齿轮箱58，其中，通过热交换器52和旁通回路56的流体流41被旁通控制阀54控制。在一个实施例中，热交换器52是空气冷却的热交换器，其依赖于对流和/或辐射热传递而将热从流体41去除。替换地，热交换器52可以是利用空气或另外的第二流体来将热从流体41去除的任何适当装置。当电机20在车辆上实施时，热交换器52可在适当位置展开，以允许环境空气穿过其(thereacross)流动，且可还包括可控风扇和/或可控通风口，以控制环境空气流的大小。第二冷却剂回路50是主动的，因为其包括这样的装置，即：热交换器52，用于将热添加到流动通过其的流体41或从其去除。响应于流体41进入旁通控制阀54时的温度，旁通控制阀54控制通过热交换器52和旁通回路56的流体流速的大小。在一个实施例中，利用当流体41达到预设定温度时熔化的蜡球或其他适当的温度控制元件被动地控制旁通控制阀54，由此允许流体流流动通过热交换器52和旁通回路56中的任一个或二者。替换地，旁通控制阀54可以是主动装置，其可操作地连接至控制器10，并响应于由温度传感器12测量的流体温度而控制通过热交换器52和旁通回路56的流体流速的大小。这样，用于冷却电机20的流体41源自容器42，并由第一和第二冷却剂回路46、50供应。

控制器10包括可执行控制例程200，且当控制例程200在车辆上被利用时，控制器10信号连接至容器温度传感器12、环境空气温度传感器14和车辆速度传感器16。控制器10可以是一体的装置，或是多个构造为通信的离散装置。控制器10和包括控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器这样的相关术语以及类似术语是指以下内容的任一个或各种组合：一个或多个专用集成电路(ASIC)，一个或多个电子电路，一个或多个中央处理单元，例如，一个或多个微处理器和相关联非瞬态存储器部件，其具有存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机访问、硬驱动等)的形式。非瞬态存储器部件能够存储机器可读指令，其具有一个或多个软件或固件程序或例程、一个或多个组合逻辑电路、一个或多个输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及其他可被一个或多个处理器访问以提供所述功能的部件。一个或多个输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关装置，这样的输入以预设定采样频率或响应于触发事件而被监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语意思是包括标定和查找表的任何控制器可执行指令集。每个控制器执行一个或多个控制例程，以提供期望的功能，包括监测来自传感装置和其他联网的控制器的输入，以及执行控制和诊断例程来控制促动器的操作。例程可在正在进行的操作期间以规则间隔执行，例如每100微秒或3.125、6.25、12.5、25和100毫秒执行。替换地，例程可响应于触发事件的发生而被执行。控制器之间的通信以及控制器、促动器和/或传感器之间的通信可利用直接连线的链接件、联网通信总线链接件、无线链接件或任何另外的适当通信链接件实现。通信包括以任何适当形式交换数据信号，包括例如，经由导电介质交换电信号、经由空气交换电磁信号、经由光学波导交换光学信号等。术语“模式”是指基于处理器或处理器可执行的代码以及对或物理过程或装置的物理存在进行模仿的相关标定。

图2示意性地示出用于确定流体41的有效温度的控制例程200，其用于针对相关联电机20的冷却/润滑系统40的实施例，其中，冷却/润滑系统40包括关于图1所述的第一和第二冷却剂回路46、50。如在此所述的，电机20和相关联的冷却/润滑系统40在一个实施例中用在车辆上。替换地，控制例程200可用于包括多个冷却剂回路的冷却系统的任何实施例，其中，一个冷却剂回路是被动冷却剂回路，另一个冷却剂回路是供应用于冷却发热装置的流体41的主动冷却剂回路。如之前所述的，直到流体41的温度足够高，流体41才被引导通过热交换器52，以最小化变速器的变速箱58中的旋转损失。在一个实施例中，利用蜡球被动地控制流体41开始被引导通过热交换器52时所处的温度，一旦流体41达到一定温度，所述蜡球熔化。由此，系统不具有关于通过热交换器52的流体流的大小的直接反馈。控制例程200是在正在进行的操作期间周期性地执行的规划例程。

控制例程200通过收集关于第二冷却剂回路50的一些部分中的流体流速的信息而执行，所述信息包括通过第一冷却剂回路46的第一流速203和通过第二冷却剂回路50的第二流速204，所述第二冷却剂回路包括热交换器52、旁通回路56和旁通控制阀54。流体流速可在其他地方被确定，诸如通过其他控制器和传感系统。第一和第二流速203、204关于泵速、流体温度、管线压力、回路布局和其他因素被确定，且是系统特定的。这样，它们可以是预标定项，所述预标定项存储在存储器装置中且在需要时被取用。

与操作该控制例程200相关联的参数包括车辆速度202、通过热交换器52的流体41的第二流速204和其比热、在容器中的流体41的温度(容器温度)206和环境温度208。车辆速度202可被能用来确定穿过热交换器的空气流速的另外适当参数替换。车辆速度202用作影响热传递的、穿过热交换器52的空气速度的代表(proxy)。其他影响穿过热交换器的空气速度的因素包括散热器风扇速度和开闭器状态(打开、部分打开、关闭)，且可归因于使用标定、矫正因素和/或其他已知控制技术。

当旁通控制阀54完全打开且100％的第二流速204流动通过热交换器52时，车辆速度202、通过热交换器52的流体41的第二流速204及其比热、容器温度206和环境温度208的参数的状态用于估计穿过热交换器52的流体41的温度降(220)。用于估计温度降的控制方程如下：

其中：

c_p＝流体的比热[J/kg*K]；

ΔT＝穿过热交换器的流体的温度降[摄氏度]225；

hA＝热交换器的热阻的倒数[瓦特/K]212；

T_Oil＝热交换器入口处的流体温度[摄氏度]，即，容器温度206；和

T_Ambient＝环境空气温度[摄氏度]208。

穿过热交换器52的流体41的温度降ΔT 225可如下显示，假定所有从流体41去除的热都耗散到环境空气中，由此将从方程消除：

hA项212表示热交换器52的热阻的倒数，且是关于车辆速度202和其他元件的热交换器设计属性210的属性。关于确定用于热交换器52的热阻hA的值212的细节是本领域技术人员已知的，且不在此详细讨论。

温度降ΔT 225可与最大可允许温度降215比较(230)。在瞬时效应可更加明显的操作条件下的低流体流速的情况中，ΔT的值可简略(clip)为最大可允许温度降ΔTmax235，以避免不切实际的温度预测。温度降ΔT 225和最大可允许温度降215的这种比较在一些实施例中可被省略。

容器温度206被减去温度降ΔT 225(231)(其在一个实施例中由最大可允许温度降ΔTmax235限制)，以确定热交换器出口温度236。容器温度206还用于确定旁通控制阀54的状态。当旁通控制阀54是被动装置时，即，如参考图1所述的，特征流速标定曲线可被开发和实施为一维(1-D)查找表237，该查找表237提供关于流体41的温度(即，容器温度206)的阀开度(例如，0％至全开100％)238的大小。容器温度206可用于确定阀开度238的大小，且当压力和第二流速204已知时，阀开度238的大小可容易转换为第三流速。在一个实施例中，当流体温度小于最小临界温度时，旁通控制阀54关闭，且与第二流速204相关联的全部流体41引导到变速箱58，并绕过热交换器52。随着由容器温度206表示的流体温度增加，旁通控制阀54部分地打开，且引导一部分第二流速204通过热交换器52。这在此称为第三流速。第二流速204的其余部分绕过热交换器52到变速箱58。当容器温度206达到上临界温度时，旁通控制阀54完全打开(100％)，全部流体41被引导通过热交换器52到达变速箱58，且由此第三流速等于第二流速204。在一个实施例中，最小临界温度和与旁通控制阀54相关联的上临界温度是可标定温度。

阀开度238的大小和热交换器出口温度236利用加权平均或其他适当技术组合，以估计通过第二冷却剂回路50供应至转子总管60的加压流体41的流体温度245(240)。以此方式，穿过热交换器52的流体温度降被从容器温度206减去，且经由1-D查找表被加权用于旁通控制阀54的开启状态，使得当旁通控制阀54关闭时，流体温度245被估计为与容器温度206相同，当旁通控制阀54完全打开时，流体温度245被估计为与热交换器出口温度236相同。在任何过渡状态期间，当旁通控制阀54部分打开时，控制例程200基于第三流速确定热交换器出口温度236和容器温度206之间的流速加权平均值。

容器温度206、流体温度245、通过第一冷却剂回路46的第一流速203和通过第二冷却剂回路50的第二流速204被合计以根据以下方程如下确定用于冷却电机的单个有效流体温度255(250)：

其中：

T_Sump＝容器温度

T_Cooler＝油冷却器温度

另外，容器温度206作为输入的1-D标定表可以被开发为关于冷却剂温度提供与定子和转子冷却的有效性相关的缩放因子。关于冷却剂温度开发和实施与定子和转子冷却的有效性相关的缩放因子是系统特定的，且可被本领域技术人员开发。

单个有效流体温度255可在实时时间温度估计算法中使用，以确定电机的温度，由此允许将来自电机的扭矩输出最大化的马达控制，同时防止由在影响服役寿命的温度限制之外的操作而导致的对马达绕组的温度相关损坏。

控制例程200在冷却系统的实施例的背景下被描述，该冷却系统包括单个第一被动冷却剂回路46和单个主动第二冷却剂回路50。利用计算单个有效流体温度的方程(3)的改变，本领域的技术人员可容易地将在此所述的构思用于包括多个第一被动冷却剂回路46和/或多个主动第二冷却剂回路50的冷却系统。

控制例程200优选地包括有利于并入到车辆控制系统中的简化，包括最小化由系统中的系统动力学导致的瞬时效应。测试已经显示出，系统中的瞬时现象的温度效应相对较小，是几度的量级，且在算法的期望准确度内。此外，表现为热时间常数的容器中流体和电机的热容量用于缓解瞬时效应。此外，穿过热交换器的空气的温度可不反应环境空气温度。在一个实施例中，热交换器52可以是一组热交换器的一部分，且将暴露于温度高于环境温度的空气。如果例如热交换器52位于发动机散热器后方，应当小心，因为在该情况下，空气温度可明显比环境空气热，且必须在任何实施中考虑。因为控制例程200依赖于许多输入，该控制例程200包括适当的默认动作，如果任何输入信号指示故障发生或由于通信故障而不可获得的话。作为例子，如果有助于估计单个有效马达冷却流体温度255的任何输入信号不可获得，则容器温度可直接用作马达冷却流体温度。

详细描述和附图或视图支持和描述本发明的教导，但是本发明教导的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于执行本发明的最佳模式和其他实施例，存在各种替换涉及和实施例，用于实践限定在所附权利要求中的本发明教导。

Claims (10)

1.一种用于动态地监测流体温度的方法，该流体用在用于发热装置的冷却系统中，所述冷却系统包括流体泵，该流体泵流体地连接至被动冷却剂回路和主动冷却剂回路，所述被动冷却剂回路和主动冷却剂回路二者中的每一个与所述发热装置流体连通，其中，所述主动冷却剂回路包括热交换器、被动旁通控制阀和旁通回路，该方法包括：

利用温度传感器监测保持在流体容器中的流体的温度，该流体容器将所述流体供应给所述流体泵；

确定通过所述被动冷却剂回路的第一流体流速和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速；

基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速，确定穿过所述主动冷却剂回路中的热交换器的流体的第三流体流速和温度降；

基于穿过热交换器的流体的第三流体流速和温度降，确定通过所述主动冷却剂回路供应给所述发热装置的流体温度；和

基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路供应给所述发热装置的流体温度，确定流体的有效温度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过主动冷却剂回路中的热交换器的第三流体流速的步骤包括：基于所述流体容器中的流体的温度来确定所述被动旁通控制阀的开度的大小，以及基于所述被动旁通控制阀的开度的大小来确定穿过所述热交换器的第三流体流速。

3.如权利要求2所述的方法，其中，当所述流体容器中的流体的温度小于用于激活所述被动旁通控制阀的最小临界温度时，所述第三流体流速是零。

4.如权利要求2所述的方法，其中，当所述流体容器中的流体的温度大于用于激活所述被动旁通控制阀的上临界温度时，所述第三流体流速等于所述第二流体流速。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述热交换器包括空气冷却的热交换器，并且其中，基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过主动冷却剂回路中的热交换器的流体的温度降的步骤还包括：基于所述流体容器中的流体的温度、第二流体流速和环境空气温度来确定穿过所述热交换器的流体的温度降。

6.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路供应给所述发热装置的流体温度确定流体的有效温度的步骤包括：合计所述第一流速和所述流体容器中的流体的温度、以及合计所述第二流速和通过所述主动冷却剂回路供应给所述发热装置的流体的温度。

7.如权利要求1所述的方法，其中，确定流体的有效温度包括：确定在所述发热装置处的流体的有效温度。

8.一种用于动态地监测流体温度的方法，该流体用在用于电机的冷却系统中，所述冷却系统包括流体泵，该流体泵流体地连接至被动冷却剂回路和主动冷却剂回路，所述被动冷却剂回路和主动冷却剂回路二者中的每一个与所述电机连通，其中，所述主动冷却剂回路包括空气冷却的热交换器和被动旁通控制阀以及旁通回路，该方法包括：

利用温度传感器监测保持在流体容器中的流体的温度，该流体容器将流体供应给所述流体泵；

确定通过所述被动冷却剂回路的第一流体流速和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速；

基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速，确定穿过所述主动冷却剂回路中的热交换器的流体的第三流体流速和温度降；

基于穿过所述热交换器的流体的第三流体流速和温度降，确定通过所述主动冷却剂回路供应给所述电机的流体温度；和

基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路供应给所述电机的流体温度，确定在电机处的有效流体温度。

9.如权利要求8所述的方法，其中，基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速确定穿过主动冷却剂回路中的热交换器的第三流体流速的步骤包括：基于所述流体容器中的流体的温度来确定所述被动旁通控制阀的开度的大小，以及基于所述被动旁通控制阀的开度的大小来确定穿过所述热交换器的第三流体流速。

10.一种用于电机的冷却系统，包括：

流体泵，流体地连接至与所述电机流体连通的被动冷却剂回路，流体地连接至与所述电机流体连通的主动冷却剂回路，并流体地连接至流体容器；

所述主动冷却剂回路包括热交换器、被动旁通控制阀和热交换器旁通回路；和

控制器，周期性地执行控制例程，所述控制例程包括：

利用温度传感器监测保持在流体容器中的流体的温度，该流体被供应给所述流体泵；

确定通过所述被动冷却剂回路的第一流体流速和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速；

基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路的第二流体流速，确定穿过所述主动冷却剂回路中的热交换器的流体的第三流体流速和温度降；

基于穿过热交换器的流体的所述第三流体流速和温度降，确定通过所述主动冷却剂回路供应给所述电机的流体温度；和

基于所述流体容器中的流体的温度和通过所述主动冷却剂回路供应给所述电机的流体温度，动态地确定有效流体温度。