CN106103973A - 用于避免在起动期间可能过热的管理热力发动机起动机的工作的方法 - Google Patents

Abstract

一种管理配置为使热力发动机起动的起动机的工作的方法，其包括：确定第一温度值的步骤；确定对应于预建立的热模型的第一温度值的热系数的步骤，该预建立的热模型描述了在所述起动机点的温度随时间的变化；在预建立的热模型的基础上，计算使得在起动机点的温度达到大于第一温度值的第二温度值的剩余时间的步骤；当所述剩余时间小于预确定的持续时间时，至少在预定义的时间段禁止起动机的步骤。

Description

用于避免在起动期间可能过热的管理热力发动机起动机的工 作的方法

技术领域

本发明涉及机动车辆中的起动机的热学领域。

更具体地，本发明涉及一种方法和系统，其允许在可能的过热之前预测起动机激活/工作的剩余时间。本发明还涉及配备有这种系统的机动车辆。

背景技术

机动车辆中起动机的温度管理构成制造商的主要挑战。通常地，起动机在车辆的起动阶段和重新起动阶段时可能剧烈发热。起动机激活时间的延长引起其温度的较大升高，这存在影响其工作和/或其寿命的风险。该风险还更符合配备有自动停止和自动重新起动系统(根据英语术语，又表示为“停止和起动”系统)的车辆。在该系统中，在车辆及其发动机停止之后，控制起动机以使热力发动机自动重新起动。一段时间内的重复且间隔较小的重新起动的情况，强烈激发起动机。允许管理起动机的策略因此表现为特别需要考虑，以便保护起动机免受可能的过热。

文件DE10347683提出了一种策略，其在交流起动机的功率电子器件的温度超过阈值时，禁止自动停止和自动重新启动的功能。功率电子器件优选地通过MOS晶体管实现，其用作半导体开关元件。电子组件的温度通过由传感器实施的直接测量来确定，或者可替换地，根据环境温度或者根据与交流起动机的冷却系统相关的冷却液的温度来推断。然而，对于该技术，实施禁止自动停止和自动重新起动功能的策略，限制在考虑起动机允许的极限温度限制。这意味着禁止该功能导致起动机临界温度的潜在危害。

发明内容

所提出的本发明旨在通过提出管理配置为使热力发动机起动的起动机的工作的方法来解决上述问题，其包括：

-确定第一温度值(T₁)的步骤；

-确定对应于预建立的热模型的第一温度值(T₁)的热系数的步骤，该预建立的热模型描述在所述起动机点的温度随时间的变化T(t)＝Ae^Bt+C，T(t)表示在时刻t所述起动机点的温度，A、B和C表示在温度T(t)时所述的热系数；

-计算使得在起动机点的温度从第一温度值(T₁)起达到第二温度值(T₂)的剩余时间的步骤，在具有确定的热系数的预建立的热模型的基础上，第二温度值(T₂)大于第一温度值(T₁)；

-当所述剩余时间小于预确定的持续时间时，至少在预定义的时间段禁止起动机的步骤。

技术效果是允许在达到引起起动机过热的临界温度之前确定起动机激活的剩余时间，并且允许确保机动车辆的起动。

有利地，该剩余时间通过以下量给出：其中Ln、T₂和T₁分别表示自然对数、第二温度值和第一温度值。

有利地，该方法包括通过设置在所述起动机点处的传感器测量第一温度值(T₁)的步骤。

有利地，该方法包括根据预测所述起动机点的温度的模型估算第一温度值(T₁)的步骤。

有利地，在该方法中：

-热系数A等于T₁是在t₁时刻的第一温度值；

-热系数B等于其中

оC_balai是起动机的放电刷的热容，

оR_rotor是起动机的转子的热阻，以及

оR_stator是起动机的定子的热阻，

-热系数C等于其中

оP_balai是放电刷的热功率，

о当起动机熄火时，iact＝0，并且当起动机激活时，iact＝1；以及

оT_{rotor_ini}和T_{stator_ini}分别是起动机的转子的预确定的初始温度和起动机的定子的预确定的初始温度。

有利地，该方法包括根据预测所述起动机点的温度的模型估算第一温度值(T₁)的步骤。

有利地，在该方法中，T_{rotor_ini}和T_{stator_ini}等于与起动机连接的热力发动机的温度。

有利地，在该方法中，所述热系数是在所述起动机点的不同温度值下预建立的。

有利地，在该方法中，起动机点的温度是起动机的放电刷的温度。

有利地，在该方法中，所述第二温度值是起动机的过热温度。

根据第二方面，提出一种管理配置为使热力发动机起动的起动机的工作的系统，其包括：

-能够确定第一温度值(T₁)的装置，

-能够确定对应于预建立的热模型的第一温度值(T₁)的热系数的装置，该预建立的热模型描述在所述起动机点的温度随时间的变化T(t)＝Ae^Bt+C，T(t)表示在时刻t所述起动机点的温度，A、B和C表示温度T(t)时的热系数，

-能够计算使得起动机点的温度从第一温度值(T₁)起达到第二温度值(T₂)的剩余时间t的装置，在具有确定的热系数的预建立的热模型的基础上，第二温度值(T₂)大于第一温度值(T₁)，

-当所述剩余时间小于预确定的持续时间时能够至少在预定义的时间段禁止起动机的装置。

有利地，该剩余时间通过以下量给出：其中Ln、T₂和T₁分别表示自然对数、第二温度值和第一温度值。

附图说明

根据对实施方式的描述，并参照下文的附图，使本发明的其它目的和优点得以显现，在附图中：

-图1示出根据实施方式的系统，其在达到临界温度之前预测起动机的剩余激活时间；

-图2示出根据实施方式的起动机的热模型的等效电路。

具体实施方式

理解到，后文描述的实施方式还涉及起动机、交流起动机，并且更一般地，涉及所有能够使机动车辆的热力发动机起动/重新起动的装置。

图1中示出一种系统，其在达到对应于起动机过热的临界温度之前，预测起动机的剩余激活时间。在该系统中，第一模块1包括预建立的起动机热变化的分析模型。该模型的特征参数是热时间常数和/或使起动机的热损失模型化并表示其发热的系数。这些参数根据起动机的温度随时间变化。有利地，所有该模型的特征参数根据以下输入由第一模块1计算：

-与热力发动机的热状态相关的温度信息101T_co，例如发动机的冷却液(例如：水)的温度。该输入是由车载诊断系统控制的标准参数；

-起动机的活动状态102(熄火或激活)，作为示例其可以由车辆的控制系统给出。该信息尤其允许热模型确定起动机的加热(激活状态)或者冷却(熄火状态)；

-在计算分析模型的特征参数的时刻，描述起动机热状态的起动机的温度103。

根据实施方式，起动机的温度103通过温度的物理测量确定，其通过设置在起动机中的一个或多个传感器实现。根据另一个实施方式，起动机的温度根据现有技术中可用的温度预测模型来确定。

根据实施方式，基于第一模块1的输入101,102,103，热模型的特征参数104借助于预录入的方程来计算。该方程与预建立的热模型有关，热模型与热常数和/或热系数相关。

根据另一个实施方式，特征参数104的值根据第一模块1的输入101,102,103通过比较这些输入值与预建立的测量表的步骤来确定，测量表与特征参数104相关。

计算/确定的特征参数104随后从第一模块1输出并且用作第二模块2的输入。

第二模块2的输入包括：

-在计算分析模块的特征参数104时刻，起动机的温度103；

-热模型的特征参数104，其在前通过第一模块1计算；

-不能超过的临界温度值105。该临界温度值105是预确定的阈值，其可以例如根据已有的起动机的热模型来选择。

有利地，第二模块2使用预配置的算法，其基于为第一模块1提出的热变化分析模型。更具体地，第二模块2将预配置的算法应用于输入103,104,105以在达到临界温度105之前预测起动机剩余激活时间106。该算法的实施方式在后文展开。

通过第一模块1计算的特征参数104是决定微分方程的参数，其描述起动机在每个时刻的特征温度的变化。因此，已知起动机的温度103和热模型在每个时刻的特征参数104，第二模块2能够解这些方程以推导出将起动机在确定时间的激活和表征起动机过热的临界温度105的到达隔开的时间间隔。第二模块2因此允许在可能的发热之前预测起动机的剩余激活持续时间105。该持续时间动态变化，并且其是起动机的温度以及起动机的激活时刻的函数，因此

-当起动机未激活时，其冷却并且在发热之前的剩余激活持续时间105增加；

-在起动机激活时、在车辆启动/重新启动时，起动机的温度升高，并且在过热之前的剩余激活持续时间105随着起动机的温度接近临界温度而合乎逻辑地减少。

有利地，第一模块1和第二模块2通过在如处理器的适当载体上编程的软件指令的集合来实现。有利地，这些模块包括在机动车辆的计算机中。

根据不同的实施方式，基于在每个时刻对在发热之前的剩余激活持续时间105的计算，实施管理起动机的策略以保护起动机。作为示例，根据气象条件(外部温度)和车辆电池的负荷状态，通过测量或模拟来提前确定对于这些条件的起动/重新起动的持续时间的模型，并因此确定起动机所需的激活时间是可能的。基于比较在发热之前的起动机的剩余激活持续时间106，并且基于已知在确定情况中起动机激活所需的时间，可能例如在使用自动停止和重新起动“Stop-and-Start(停止和起动)”策略时，允许或者禁止车辆的热力发动机的停止。有利地，因为注意对起动机的使用，即为其激活持续时间选择小于发热之前的剩余时间的时间段，所以决不会因此到达与起动机过热有关的临界温度105。

图2示出热力发动机的起动机的热模型的等效电路。该模型考虑温度204T_co，其表征热力发动机的热状态，例如发动机冷却液的温度，以及构成起动机的元件的特征温度，即：

-起动机定子的温度201T_stator；

-起动机转子的温度202T_rotor；

-起动机放电刷的温度203T_balai。

在该模型中，起动机的定子、转子和放电刷另外通过以下量建模：

-热源，其为起动机中的能量损失建模

о转子的热功率205P_rotor(由于干摩擦或粘性摩擦的损失)；

о放电刷的热功率206P_balais(磁损失)；

о定子的热功率207P_stator(由于焦耳效应的能量损失)；

-热容

о转子的热容208C_rotor；

о放电刷的热容209C_balai；

о定子的热容210 C_stator；

-热阻

о转子的热阻211R_rotor；

о定子的热阻212R_stator；

另外，在起动机内部通过对流进行的热传递由以下建模：

-热阻213R_conv1，其与起动机的间隙(转子和定子之间的空的空间)中的热传递有关；

-热阻214R_conv2，其与起动机的轭(culasse)和车辆的热力发动机之间的热传递有关。

从图2的模型开始，起动机的热动力学因此可以通过如下微分方程系统建模：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{T}}_{rotor}\\ {\stackrel{\·}{T}}_{stator}\\ {\stackrel{\·}{T}}_{balai}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{\τ}}_1& {\mathrm{\τ}}_2& {\mathrm{\τ}}_{rotor}\\ {\mathrm{\τ}}_4& -{\mathrm{\τ}}_3& {\mathrm{\τ}}_{stator}\\ {\mathrm{\τ}}_6& {\mathrm{\τ}}_8& -{\mathrm{\τ}}_7\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{T}_{rotor}\\ T_{stator}\\ T_{balai}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\τ}}_5\\ 0\end{array}\right]T_{co}+\left[\begin{array}{c}coeff1\\ coeff2\\ coeff3\end{array}\right]\·iact,$

其中是转子、定子和放电刷的温度对时间的导数；

并且其中引入以下标记：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{1}{C_{rotor}}\[\frac{1}{R_{rotor}}+\frac{1}{R_{conv1}}\],{\mathrm{\τ}}_2=\frac{1}{R_{conv1}{C}_{rotor}},{\mathrm{\τ}}_3=\frac{1}{C_{stator}}\[\frac{1}{R_{stator}}+\frac{1}{R_{conv1}}+\frac{1}{R_{conv2}}\],$

${\mathrm{\τ}}_4=\frac{1}{R_{conv1}{C}_{stator}},{\mathrm{\τ}}_5=\frac{1}{R_{conv2}{C}_{stator}},{\mathrm{\τ}}_6=\frac{1}{R_{rotor}{C}_{balai}},{\mathrm{\τ}}_7=\frac{1}{C_{balai}}\[\frac{1}{R_{rotor}}+\frac{1}{R_{stator}}\]$

${\mathrm{\τ}}_8=\frac{1}{R_{stator}{C}_{balai}},{\mathrm{\τ}}_{stator}=\frac{1}{R_{stator}{C}_{stator}},{\mathrm{\τ}}_{rotor}=\frac{1}{R_{rotor}{C}_{rotor}},$

${\mathrm{coeff}}_1=\frac{P_{rotor}}{C_{rotor}},{\mathrm{coeff}}_2=\frac{P_{stator}}{C_{stator}},{\mathrm{coeff}}_3=\frac{P_{balai}}{C_{balai}},$

，并且是允许区分情况的变量，其中：

-起动机熄火(不产生损失)：iact＝0；

-起动机激活(产生热损失)：iact＝1。

根据不同的实施方式，对于起动机的温度范围，例如在区间[30℃,+200℃]中，预先识别图2中提出的等价模型的参数集合(τ₁,τ₂,τ₃,τ₄,τ₅,τ₆,τ₇,τ₈,τ_rotor,τ_stator,coeff1,coeff2,coeff3)。对于变量iact，其根据第一模块1输入提供的起动机的激活状态102来确定。

特定数量的这些参数，例如热阻和热容然后根据起动机估算的温度动态地变化。因此观察到以下温度相关性“f()”，其中：

-热阻

R_rotor＝f(T_rotor,T_balai),R_stator＝f(T_balai,T_stator)

R_conv1＝f(T_rotor,T_stator),R_conv2＝f(T_stator,T_co)；

-热容

C_rotor＝f(T_rotor),C_balai＝f(T_balai),C_stator＝f(T_stator)；

-与损失相关的系数，其与热容相关

coeff₁＝f(T_rotor),coeff₂＝f(T_stator),coeff₃＝f(T_balai)。

根据不同的实施方式，为了初始化这些参数，还为了根据起动机中估算的温度动态地更新这些参数的值，使用预录入的热模型，和/或测量表，测量表基于与不同使用条件下的起动机温度相关的物理测量确定。例如，对于确定于起动机点的现时温度，对应于现时温度的热系数通过与预建立的模型的比较来识别，预建立的模型包括用于所述现时温度值的这些系数的值。可替换地，如果该温度和相关的系数在该模型中不可用，则可以使用最接近于现时温度的温度，又或者系数可以通过预建立的模型的插值来推导。

根据实施方式，起动机的放电刷的温度T_balai识别为起动机的最临界的温度之一。事实上，放电刷剧烈发热存在损坏的风险，因此其降低了起动机的寿命和性能。于是提前识别决不会达到的临界温度值T_{balai_MAX}。该值例如可以对比于测量表或预建立的对起动机的热模拟来识别。

为了不达到温度值T_{balai_MAX}，在该温度未达到之前，在每个时刻计算剩余的时间间隔Δt_MAX。时间间隔Δt_MAX在此与使现时时间t_c和时刻t_max的隔开的时间间隔有关，现时时间t_c与放电刷的现时温度T_{balai_courant}有关，时刻t_max与临界温度T_{balai_MAX}的到达有关。有利地，对剩余时间Δt_MAX的预测于是允许做出关于管理起动机的策略的决定，例如在连续起动并因此在发热趋势时，禁止需要起动机在后使用的热力发动机的自动停止。

此外，假设起动机的定子的温度201T_statorr和转子的温度202T_rotor在其初始值附近变化较小：T_rotor≈T_{rotor_ini}并且T_stator≈T_{stator_ini}。

有利地，转子和定子的温度初始值T_{rotor_ini}和T_{stator_ini}相对于热力发动机、测量表、热模型的温度还或者预建立的对转子、定子和放电刷的热模拟来初始化。

在先建立的微分方程系统中，决定起动机放电刷的温度的微分方程因此可以按以下方式近似：

${\stackrel{\·}{T}}_{balai}\≈-{\mathrm{\τ}}_7{T}_{balai}+({\mathrm{\τ}}_6{T}_{rotor\_ini}+{\mathrm{\τ}}_8{T}_{stator\_ini}+coeff\·iact)$

分别记为：

T＝T_balai；a＝-τ₇；b＝(τ₆T_{rotor_ini}+τ₈T_{stator_ini}+coeff3·iact)

放电刷的温度变化方程于是可以以的形式表达，其中是温度T对时间的导数。已知这种方程的通解具有形式：(或者更普遍地：T(t)＝Ae^Bt+C，其中A＝K，B＝a，以及)。

考虑到前述方程在现时时刻t_c的解，T_c是放电刷在现时时刻t_c的温度值并且T_MAX是不能达到的放电刷的阈值温度，其与时间t_max有关：T_MAX＝T(t＝t_max)＝T_{balai_MAX}。

现时时刻t＝t_c被选为起动机放电刷的热变化模型的初始值，在t＝t_c时：

$\begin{array}{c}{T}_c=T\left(t_c\right)={\mathrm{Ke}}^{{\mathrm{at}}_c}-\frac{b}{a}\⇒K=(T_c+\frac{b}{a})e^{-{\mathrm{at}}_c}\⇒\\ T\left(t\right)=(T_c+\frac{b}{a})e^{a(t-t_c)}-\frac{b}{a}\end{array}$

因此在t＝t_MAX时，

令Δt_MAX＝t_MAX-t_c，其为现时时刻t_c和与对应于到达温度T_max的到达时刻t_max隔开的时间间隔，于是得到：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_{MAX}=t_{MAX}-t_c=\frac{1}{a}\ln \[\frac{T_{MAX}+\frac{b}{a}}{T_c+\frac{b}{a}}\]\⇒\\ {\mathrm{\Δt}}_{MAX}=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_7}\ln \[\frac{-{\mathrm{\τ}}_7{T}_{balai\_MAX}+{\mathrm{\τ}}_6{T}_{rotor\_ini}+{\mathrm{\τ}}_8{T}_{stator\_ini}+coeff3\·iact}{-{\mathrm{\τ}}_7{T}_{balai\_courant}+{\mathrm{\τ}}_6{T}_{rotor\_ini}+{\mathrm{\τ}}_8{T}_{stator\_ini}+coeff3\·iact}\].\end{array}$

有利地，该表达式允许在起动机过热之前，实时预测起动机的极限激活持续时间或剩余激活持续时间。

另外，理解到为了简化该计算，起动机的其它组成元件，例如起动机的功率电子器件，可以被考虑在内。这些元件的热损失也可以根据与图2中提出的相同类型的等效电路通过热功率、热容、热阻来建模。因此，允许计算Δt_MAX的方程在此作为示例提出。

有利地，决定该时间间隔Δt_MAX的计算的所有方程在第二模块2中实施。

有利地，确定时间间隔Δt_MAX然后允许考虑管理起动机的策略。因此，根据实施方式，在“Stop-and-Start(停止和起动)”策略的范围内，如果在现时时刻t_c，确认在过热之前起动机的剩余激活持续时间Δt_MAX是例如小于已知的重新启动的标准持续时间，则管理起动机的策略在于防止热力发动机的停止，已知重新启动于是导致起动机过热。

根据另一个实施方式，计算ΔtMAX对于所有车辆允许确保起动机充分冷却并且确保相对于已知的起动时间，设置充足的起动机的激活时间，以准许车辆安全起动的尝试。前述实施方式因此允许预防起动机的温度的过度上升，并且同时允许改善机动车辆工作的可靠性。

Claims (11)

1.一种管理配置为使热力发动机起动的起动机的工作的方法，其包括：

-确定第一温度值(T₁)的步骤；

-确定对应于预建立的热模型的所述第一温度值(T₁)的热系数的步骤，该预建立的热模型描述在所述起动机点的温度随时间的变化T(t)＝Ae^Bt+C，T(t)表示在时刻t所述起动机点的温度，A、B和C表示在温度T(t)时的所述热系数；

-计算使得在起动机点的温度从所述第一温度值(T₁)起达到第二温度值(T₂)的剩余时间的步骤，在具有确定的所述热系数的所述预建立的热模型的基础上，所述第二温度值(T₂)大于所述第一温度值(T₁)；

-当所述剩余时间小于预确定的持续时间时，至少在预定义的时间段禁止所述起动机的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述剩余时间通过以下量给出：其中Ln、T₂和T₁分别表示自然对数、所述第二温度值和所述第一温度值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括通过设置在所述起动机点处的传感器测量所述第一温度值(T₁)的步骤。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括根据预测所述起动机点的温度的模型估算所述第一温度值(T₁)的步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

-热系数A等于T₁是在t₁时刻的所述第一温度值；

-热系数B等于其中

o C_balai是所述起动机的放电刷的热容，

o R_rotor是所述起动机的转子的热阻，以及

o R_stator是所述起动机的定子的热阻，

-热系数C等于其中

o P_balai是所述放电刷的热功率，

o 当所述起动机熄火时，iact＝0，并且当所述起动机激活时，iact＝1；以及

o T_{rotor_ini}和T_{stator_ini}分别是所述起动机的所述转子的预确定的初始温度和所述起动机的所述定子的预确定的初始温度。

6.根据前项权利要求所述的方法，其中T_{rotor_ini}和T_{stator_ini}等于与所述起动机连接的热力发动机的温度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热系数是在所述起动机点的不同温度值下预建立的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述起动机点的温度是所述起动机的所述放电刷的温度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二温度值是所述起动机的过热温度。

10.一种管理配置为使热力发动机起动的起动机的工作的系统，其包括：

-能够确定第一温度值(T₁)的装置，

-能够确定对应于预建立的热模型的所述第一温度值(T₁)的热系数的装置，该预建立的热模型描述在所述起动机点的温度随时间的变化T(t)＝Ae^Bt+C，T(t)表示在t时刻所述起动机点的温度，A、B和C表示温度T(t)时的所述热系数，

-能够计算使得起动机点的温度从所述第一温度值(T₁)起达到第二温度值(T₂)的剩余时间t的装置，在具有确定的所述热系数的所述预建立的热模型的基础上，所述第二温度值(T₂)大于所述第一温度值(T₁)，

-当所述剩余时间小于预确定的持续时间时能够至少在预定义的时间段禁止所述起动机的装置。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述剩余时间通过以下量给出：其中Ln、T₂和T₁分别表示自然对数、所述第二温度值和所述第一温度值。