CN106207227B - 用于车辆的冷却水控制的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于车辆的冷却水控制的系统及方法。用于车辆的冷却水控制的方法包括以下步骤：检测冷却水的流量，并将检测的流量与预设的正常流量值进行比较；当检测的冷却水的流量小于预设的正常流量值时，增大冷却水泵速度指令以增大冷却水泵的RPM，直到冷却水泵的输出平均值达到冷却水正常循环时的基准输出值。

Description

用于车辆的冷却水控制的方法及系统
技术领域
本发明涉及用于车辆的冷却水控制的方法及系统，并且更具体地，涉及一种能够基于冷却水的流量对冷却水泵速度进行补偿控制的、用于车辆的冷却水控制的方法及系统。
背景技术
安装于燃料电池车辆中的燃料电池系统被配置为包括：氢供给系统，其配置为对燃料电池堆供应氢；空气供给系统，其配置为对燃料电池堆供应作为电化学反应所需的氧化剂的空气中的氧；燃料电池堆，其配置为基于氢和氧的电化学反应生成电力；以及热和水管理系统，其配置为在去除燃料电池堆的电化学反应热的同时，调节燃料电池堆的工作温度。
热和水管理系统包括：泵，其配置为使冷却水循环至燃料电池堆；散热器，其配置为使来自燃料电池堆的冷却后排出的冷却水冷却；以及离子过滤器，其配置为过滤从冷却回路洗脱的离子。热和水管理系统的散热器的上端安装有常压帽，并且储液器布置成大气开放式结构，且内部设置有水位传感器。为了在储液器中安装冷却水的水位传感器，需要预定的封装空间。因此，可能难以确保封装空间。此外，即使水位传感器安装在系统中，当包括水和空气的冷却水循环流动时，水位传感器也不会感测到冷却水的损失，因此仅识别出冷却水继续保持正常水位。
换言之，现有技术使用水位传感器、安装在管道中的压力传感器等来确定冷却水不足现象。然而，现有方法会由于干扰，即，例如冷却水的温度变化、由于冷却管线阀的开闭而导致的冷却回路中的变化、以及车辆或设备的振动等的影响，经常错误地感测到感测值。为了改善上述问题，将流量传感器安装在冷却水管道中，但是这种流量传感器昂贵，并且会因用于安装流量传感器的独立管道等的安装不便性而难以安装。此外，需要一种用于在冷却水不足时保持冷却性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够基于冷却水的流量对冷却水泵速度进行补偿控制的、用于车辆的冷却水控制的方法及系统。
根据本发明的示例性实施例，用于车辆的冷却水控制的方法可包括：检测冷却水的流量，并将检测的流量与预设的正常流量值进行比较；以及当检测的冷却水的流量小于预设的正常流量值时，增大冷却水泵速度指令以增大冷却水泵的每分钟转数(RPM)，直到冷却水泵的输出平均值达到冷却水正常循环时的基准输出值。
在增大冷却水泵速度指令的处理中，当冷却水泵处于其效率基于冷却水泵的RPM而改变的运行条件下时，可使用与冷却水泵的RPM对应的冷却水泵的效率图，来调节冷却水泵速度指令。冷却水泵的输出平均值可以是使用输入到电流控制器的电流指令值所计算的冷却水泵的输出平均值，其中该电流控制器对连接至冷却水泵的逆变器进行脉宽调制(PWM)控制。
上述方法还可包括：当在增大冷却水泵速度指令的处理中被增大的冷却水泵速度指令超过冷却水泵的最大RPM时，计算基于以最大RPM旋转的冷却水泵的冷却水流量的冷却能力；以及限制燃料电池堆的输出，以便不超过所计算的冷却能力。
增大冷却水泵速度指令的处理可包括：计算设定时间段内的冷却水泵的输出偏差；以及随着计算的输出偏差增大，附加地增大冷却水泵速度指令。限制燃料电池堆的输出的处理可包括：计算设定时间段内的冷却水泵的输出偏差；以及随着计算的输出偏差增大，增大燃料电池堆的输出限制量。
基于所计算的输出偏差的大小而附加地增大的冷却水泵速度指令的大小，可线性地增大或者可具有先前映射的关系。基于所计算的输出偏差的大小而增大的燃料电池堆的输出限制量的大小，可线性地增大或者可具有先前映射的关系。当所检测的冷却水的流量小于最小基准流量时，可不执行增大冷却水泵速度指令的处理，并可将燃料电池堆的输出调节为冷却水未循环时运行的最小输出。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细说明，将会更清楚地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点，其中：
图1A～图1C是示出根据本发明的示例性实施例的基于冷却水电机的RPM的冷却水泵的入口段和出口段之间的压力差、冷却水的流量和电机的输出或扭矩之间关系的示例性曲线图；
图2是示出按照根据本发明的示例性实施例的用于确定冷却水状态的方法，当冷却水电机在固定电流下运转时在正常状态和异常状态下的电机速度的示例性曲线图；
图3是示出按照根据本发明的示例性实施例的用于确定冷却水状态的方法，基于冷却水循环状态的冷却水电机的输出或扭矩的平均值的示例性曲线图；
图4是示意性地示出根据本发明的示例性实施例的控制冷却水泵的控制器的结构的示例性框图；并且
图5是示出根据本发明的示例性实施例的用于车辆的冷却水控制的方法的示例性流程图。
具体实施方式
将提供特定结构和功能的说明，用以说明在本说明书或申请中所公开的本发明的各种示例性实施例。因此，本发明的示例性实施例可以各种形式实施，并且本发明不应被解释为局限于本说明书或申请中所述的示例性实施例。
由于本发明的示例性实施例可进行各种变更并可具有多种形式，因此将在附图中示出并在本说明书或申请中详细说明特定的示例性实施例。然而，应当理解的是，本发明并不限于特定的示例性实施例，而是包括被包含在本发明的构思和范围内的所有变型、等效形式和替代形式。
诸如“第一”、“第二”等用语可用于说明各种组件，但该组件不应被解释为局限于该用语。这些用语仅用于将一个组件与另一组件区分开。例如，“第一”组件可被命名为“第二”组件，并且“第二”组件也可同样被命名为“第一”组件，而未背离本发明的范围。
应当理解，当一个元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件时，其可直接连接到或直接耦接到另一元件，或者连接到或耦接到另一元件并且其他元件介于二者之间。另一方面，应当理解，当一个元件被称为“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，其可连接到或耦接到另一元件，而没有其他元件介于二者之间。说明组件间关系的其他表述，即“在两者之间”、“直接在两者之间”、“相邻于”和“直接相邻于”等，应同样地进行解释。
本文所使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，而并非意在限制本发明。除非上下文另外明确指出，否则如本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件、和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，用语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
虽然示例性实施例被说明为使用多个单元来执行示例性处理，但是应当理解，示例性处理也可由一个或多个模块来执行。此外，应当理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为存储模块，并且处理器被专门配置为执行所述模块，以执行以下进一步说明的一个或多个处理。
可以理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、客车、货车、各种商用车辆在内的载客车辆、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，从石油以外的的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力二者的车辆。
除非另外指出，应当理解，本说明书中所使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，均与本领域技术人员所理解的含义具有相同的含义。必须理解的是，字典所定义的术语与在本领域的语境中的含义是相同的，并且它们不应被理想或过于正式地定义，除非上下文另外明确指出。
在下文中，将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。在各附图中，相同的附图标记表示相同的组件。
图1A～图1C是示出基于冷却水电机的RPM的冷却水泵的入口段和出口段之间的压力差、冷却水的流量以及电机的输出或扭矩之间的关系的示例性曲线图。参照图1A～图1C，当充足量的冷却水在冷却系统中循环时，冷却水泵的入口段和出口段之间的压力差及冷却水的流量可被控制在正常状态值的正常范围内，因此以恒定速度驱动冷却水泵所需的扭矩也可在正常状态值的恒定范围内表示。然而，当冷却水未正常循环时，冷却水的流量和压力差偏离正常范围，同时电机的扭矩或输出偏离正常状态范围，并且由于冷却水泵的负载的变化，冷却水泵的运转速度也不再跟随速度指令值而是产生振荡。上述正常范围根据冷却水管的结构而不同，并且在异常状态下的输出可比正常状态下的输出多或少20％。
图2是示出按照根据本发明的示例性实施例的用于确定冷却水状态的方法，当冷却水电机在固定电流下运转时在正常状态和异常状态下的电机速度的示例性曲线图。参照图2，当冷却水电机在固定电流下运转，从而电机的输出或扭矩在特定时间段内基本上恒定时，当冷却水循环状态正常时，电机的RPM可基本上恒定；然而，当冷却水循环状态异常时，即，当冷却水处于不足状态时，当冷却水泄漏时，或者当管道堵塞时，电机的RPM可由于负载的变化而产生振荡。
具体地，当电机的输出或扭矩在特定时间段内基本恒定，并且冷却水循环状态异常时，当冷却水少量不足时，冷却水泵(例如，电机)的负载可由于在冷却水管中形成的气泡而减小，因此平均RPM可比正常状态下增加，并且当气泡被引入到泵中时，RPM可由于负载的突然变化而产生振荡。此外，当由于冷却水的泄漏而使冷却水显著不足时，气泡可被连续地引入到泵中，因此RPM可连续地振荡或者水可能无法排出，从而RPM可比正常状态下更高。
与气泡被引入时相似，当异物在冷却水管中循环时，冷却水泵的负载可改变，因此RPM可产生振荡。此外，当冷却水管由于异物的存在或物理损坏而阻塞时，负载可突然减小，因此冷却水泵的RPM可比正常状态下大幅增加。
图3是示出按照根据本发明的示例性实施例的用于确定冷却水状态的方法，基于冷却水循环状态的冷却水电机的输出或扭矩的平均值的示例性曲线图。具体地，图3示出当冷却水的流量正常时和冷却水的流量不足时的电机的输出或扭矩的比较数据。然而，当冷却水的流量不足时，电机的输出或扭矩可产生振荡，图3示出电机的输出或扭矩的平均值。当冷却水的流量不足时，电机输出的平均值可降低，并且会产生其偏差。
作为获取电机的输出或扭矩的方法，存在测量直流(DC)段电流和电压的方法，测量3相电流和电压的方法，使用扭矩传感器测量3相电流和电压的方法，以及在测量3相电流后利用基于速度和输入电压的变化而预设的扭矩图的方法等。电流指令与电机扭矩可具有比例关系，因而可基于由电流指令或电流传感器确认的3相电流测量值(例如，3相电流的矢量和)来计算扭矩。
图4是示意性地示出根据本发明的示例性实施例的配置用于控制冷却水泵的控制器的结构的示例性框图。逆变器40可连接至冷却水泵电机50，并可由电流控制器30进行PWM控制。换言之，电流控制器30可配置为确定相电压输出值，以调节逆变器40的输出电流。特别地，电流控制器30可配置为，通过接收从速度控制器20生成的电流指令值和逆变器40的输出电流感测值作为反馈，来确定相电压输出值。
来自速度控制器20的电流指令值输出与冷却水泵电机50的扭矩可具有比例关系，因此可基于泵电机50的电流指令或逆变器40的输出电流感测值(例如，由电流传感器确认的3相电流的矢量值)来计算扭矩。虽然电机的扭矩和电流之间的关系只应用于不执行弱磁运行的基本恒定的扭矩运行控制区域，但是通常的冷却水泵电机都只在基本恒定的扭矩运行区域运行。被配置为调节冷却水泵电机50的RPM的速度控制器20可配置为，从车辆控制器10接收速度指令，并可接收冷却水泵电机50的当前RPM感测值作为反馈，以生成电流指令值并将生成的电流指令值发送给电流控制器30。
作为用于确定冷却水泵电机50的输出或扭矩的方法，存在将DC段的电流和电压相乘的方法，使用3相电流和电压的方法，使用扭矩传感器的方法，或者测量3相电流然后使用基于冷却水泵电机50的RPM和输入电压的变化而预设的扭矩图的方法。
图5是示出根据本发明的示例性实施例的用于车辆的冷却水控制的方法的示例性流程图。根据本发明的示例性实施例的用于车辆的冷却水控制的方法可包括：确定冷却水的流量是否不足或冷却水的循环是否异常(S501)。换言之，通过检测冷却水的流量并将检测的流量与预设的正常流量值相比较，当检测的冷却水的流量小于预设的正常流量值时，可确定冷却水的流量不足。
可根据由同一申请人提交并通过引用结合于本文的申请KR10-2014-0013723号中所记述的内容，来执行冷却水是否不足或冷却水的循环是否异常的确定。此外，当冷却水不足或冷却水的循环异常时，车辆控制器10可配置为执行对冷却水泵速度指令的补偿控制，用于增大冷却水泵速度指令，以便增大冷却水泵电机50的RPM，直到冷却水泵电机50的输出平均值达到冷却水正常循环时的基准输出值(S503)。当冷却水的流量充足时，可结束冷却水泵速度指令的补偿和燃料电池的输出限制控制(S509)。
即使当冷却水的流量比正常状态下的流量更加不足时，为了确保与正常状态下相同的冷却性能，即，为了确保与正常状态下相同的冷却水流量，也可增大冷却水泵速度指令。可执行对冷却水泵速度指令的补偿，直到冷却水泵电机50的当前输出平均值与冷却水正常循环时冷却水泵的输出值的误差变得低于输出误差允许基准值(S507)。
对冷却水泵的输出值的平均测量是为了当冷却水不足时，由于气泡的引入和测量传感器的噪声的引入，而基于时间平均值确定更精确的测量。当冷却水泵电机50的输出值的平均值与冷却水正常循环时冷却水泵的输出值之间的误差小于预设的输出误差允许基准值时，冷却水的流量可被确定为相等。由于冷却水泵的效率不会基于冷却水泵的RPM而显著地变化，因此上述情况是可能的。
然而，当冷却水泵的效率基于运行条件而显著改变时，通过反映冷却水泵效率图能够增大冷却水泵速度指令。换言之，当冷却水泵电机50处于冷却水泵效率基于冷却水泵电机50的RPM而改变的运行条件下时，车辆控制器10可配置为，使用与冷却水泵电机50的RPM对应的冷却水泵效率图，来调节冷却水泵速度指令。
冷却水泵电机50的输出平均值可以是使用输入到电流控制器30的电流指令值所计算的冷却水泵的输出平均值，其中电流控制器30被配置为对连接至冷却水泵电机50的逆变器40进行PWM控制。此外，当在增大冷却水泵速度指令时被增大的冷却水泵速度指令超过冷却水泵电机50的最大RPM时(S505)，可计算基于以最大RPM旋转的冷却水泵电机50的冷却水流量而计算的冷却能力，因此可限制燃料电池堆的输出以便不超过所计算的冷却能力(S511)。
可通过增大冷却水泵电机50的RPM指令来确保冷却水的流量。当冷却水泵电机50的速度指令值大于冷却水泵电机50的可旋转速度时，可停止通过增大电机速度对冷却水流量的补偿，因此可执行限制燃料电池堆的输出的操作(S511)。燃料电池堆的输出限制值基于以泵电机50的最大速度驱动的冷却水泵电机50的输出值来计算冷却水的流量，并且基于冷却水的流量来计算冷却系统的总的冷却能力。燃料电池堆的输出可被限制为冷却系统的冷却能力或更小，以便在燃料电池堆不被加热的范围内确保最大的输出性能。
换言之，可使用冷却水泵电机50的输出来确定冷却水是否正常循环，并且当冷却水泵的输出由于冷却水的异常循环而小于正常状态下的输出时，可执行增大冷却水泵速度的补偿控制，以确保冷却水的流量，从而确保正常状态下的冷却性能。另外，当冷却水的流量不足时，系统的输出可受到限制，因此，即使当冷却水异常循环时，也可确保冷却性能和输出性能。
此外，当车辆控制器10增大冷却水泵速度指令时，可在特定时间段内计算冷却水泵的输出偏差，因此随着计算的输出偏差增大，可附加地增大冷却水泵速度指令。此外，即使当限制燃料电池堆的输出时，也可在特定时间段内计算冷却水泵的输出偏差，因此随着计算的输出偏差的增大，可增大燃料电池堆的输出限制量。
如图2和图3中所示，当冷却水的不足增加时，气泡向冷却水泵电机50内的引入增加，同时冷却水泵电机50的输出变化量可增加。当在冷却水管中存在大量气泡时，即使相同流量的冷却水循环，由于气泡的原因，冷却效率也会小于无冷却水存在时的冷却效率，并且因为由于气泡的原因可局部发生过热现象，所以随着冷却水泵电机50的输出偏差值增大，速度指令值可增大，并且输出限制量可成比例地增大。可基于计算的输出偏差的大小而附加地增加的冷却水泵速度指令的大小和燃料电池堆的输出限制量的大小，可具有线性关系或先前映射的关系。
当检测的冷却水的流量小于最小基准流量时，可不增大冷却水泵速度指令，并且可将燃料电池堆的输出限制为冷却水未循环时可以运行的最小输出。当检测的冷却水的流量小于最小基准流量时是指，例如，当冷却水的泄漏量增大或者冷却水管阻塞从而阻止冷却水循环时。因此，当执行冷却水未循环的无负载运行时，可不进行冷却水泵电机50的速度指令值的增大控制，并且可将燃料电池的输出限制到无冷却水时的可能的输出。
虽然已参照附图中所示的示例性实施例，对本发明进行了说明，但其仅为示例。本领域技术人员将会理解，根据本发明，各种变型和等效的其他示例性实施例是可能的。因此，本发明实际的技术保护范围将由以下权利要求限定。

Claims (14)

1.一种用于车辆的冷却水控制的方法，包括以下步骤：
由控制器检测冷却水的流量，并将所检测的流量与预设的正常流量值相比较；
当所检测的冷却水的流量小于所述预设的正常流量值时，由所述控制器增大冷却水泵速度指令以增大所述冷却水泵的每分钟转数(RPM)，直到冷却水泵的输出平均值达到冷却水正常循环时的基准输出值；
当在所述增大冷却水泵速度指令的步骤中被增大的冷却水泵速度指令超过所述冷却水泵的最大RPM时，由所述控制器计算基于以最大RPM旋转的所述冷却水泵的冷却水流量所计算的冷却能力；以及
由所述控制器限制燃料电池堆的输出，以便不超过所计算的冷却能力，
其中限制燃料电池堆的输出的步骤包括以下步骤：
由所述控制器计算特定时间段内的所述冷却水泵的输出偏差；以及
随着所计算的输出偏差增大，由所述控制器增大所述燃料电池堆的输出限制量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述增大冷却水泵速度指令的步骤中，当所述冷却水泵处于冷却水泵的效率基于所述冷却水泵的RPM而改变的运行条件下时，使用与所述冷却水泵的RPM对应的冷却水泵的效率图，来调节所述冷却水泵速度指令。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却水泵的输出平均值是使用输入到电流控制器的电流指令值所计算的冷却水泵的输出平均值，所述电流控制器被配置为对连接至所述冷却水泵的逆变器进行脉宽调制(PWM)控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述增大冷却水泵速度指令的步骤包括以下步骤：
由所述控制器计算特定时间段内的所述冷却水泵的输出偏差；以及
随着所计算的输出偏差增大，由所述控制器附加地增大所述冷却水泵速度指令。
5.根据权利要求4所述的方法，其中基于所计算的输出偏差的大小而附加地增大的所述冷却水泵速度指令的大小，线性地增大或具有先前映射的关系。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于所计算的输出偏差的大小而增大的所述燃料电池堆的输出限制量的大小，线性地增大或具有先前映射的关系。
7.根据权利要求1所述的方法，其中当所检测的冷却水的流量小于最小基准流量时，不执行所述增大冷却水泵速度指令的步骤，并将燃料电池堆的输出调节为冷却水未循环时运行的最小输出。
8.一种用于车辆的冷却水控制的系统，包括：
存储器，其配置为存储程序指令；以及
处理器，其配置为执行所述程序指令，所述程序指令在被执行时配置为：
检测冷却水的流量，并将所检测的流量与预设的正常流量值相比较；并且
当所检测的冷却水的流量小于所述预设的正常流量值时，增大冷却水泵速度指令以增大所述冷却水泵的每分钟转数(RPM)，直到冷却水泵的输出平均值达到冷却水正常循环时的基准输出值，
其中所述程序指令在被执行时还配置为：
当在所述增大冷却水泵速度指令的处理中被增大的冷却水泵速度指令超过所述冷却水泵的最大RPM时，计算基于以最大RPM旋转的所述冷却水泵的冷却水流量所计算的冷却能力；并且
限制燃料电池堆的输出，以便不超过所计算的冷却能力，
其中所述限制燃料电池堆的输出的处理包括程序指令，其在被执行时配置为：
计算特定时间段内的所述冷却水泵的输出偏差；并且
随着所计算的输出偏差增大，增大所述燃料电池堆的输出限制量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中在所述增大冷却水泵速度指令的处理中，当所述冷却水泵处于冷却水泵的效率基于所述冷却水泵的RPM而改变的运行条件下时，使用与所述冷却水泵的RPM对应的冷却水泵的效率图，来调节所述冷却水泵速度指令。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述冷却水泵的输出平均值是使用输入到电流控制器的电流指令值所计算的冷却水泵的输出平均值，所述电流控制器被配置为对连接至所述冷却水泵的逆变器进行脉宽调制(PWM)控制。
11.根据权利要求8所述的系统，其中在被执行时配置为增大所述冷却水泵速度指令的所述程序指令还配置为：
计算特定时间段内的所述冷却水泵的输出偏差；并且
随着所计算的输出偏差增大，附加地增大所述冷却水泵速度指令。
12.根据权利要求11所述的系统，其中基于所计算的输出偏差的大小而附加地增大的所述冷却水泵速度指令的大小，线性地增大或具有先前映射的关系。
13.根据权利要求8所述的系统，其中基于所计算的输出偏差的大小而增大的所述燃料电池堆的输出限制量的大小，线性地增大或具有先前映射的关系。
14.根据权利要求8所述的系统，其中当所检测的冷却水的流量小于最小基准流量时，不执行所述增大冷却水泵速度指令的处理，并将燃料电池堆的输出调节为冷却水未循环时运行的最小输出。
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