CN107288735B - 一种建立汽车电子风扇转速控制函数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，包括以下几个步骤：获取一组发动机转速r_e和对应发动机发热量Q_e的数据做散点图；根据散点图得到的发动机转速r_e和对应的发热量Q_e数据关系建立发热量关于转速r_e的函数f₁；根据散热器实际散热量Q_r、散热器的进水温度T_w以及环境温度T_a的数据；推导出第一个关于散热器标准散热Q_n的函数f₂。本发明将可以精确控制发动机温度，在保证发动机正常工作的前提下，减少油耗，减少设计成本，提高燃油经济性，以达到节能减排的效果。

Description

一种建立汽车电子风扇转速控制函数的方法

技术领域

本发明涉及一种建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，涉及汽车技术领域。

背景技术

车辆热管理系统的电控化、智能化和集成化是未来汽车的设计发展趋势。电控技术的散热风扇凭借其可提供精确的热量散失，实现智能化热量控制同时还可与汽车整车控制系统相匹配等性能，对改善驾驶舒适性和车辆的整体性能，提高燃油经济性以达到节能减排的效果具有越来越重要的研发意义。

国外最先研究发动机冷却系统自动控制的是美国在其发表于1981年3月的专利号为US4257554的专利文件中。该专利提出把传统的发动机通过V带轮驱动的冷却风扇替换为电动冷却风扇，该电动冷却风扇能根据发动机负荷及冷却液温度的不同实现自动调速，减少发动机的功率输出，降低传热损失，缩短预热时间，提离发动机的工作效率。2000年日本专家发表了JP98125363的专利，设计了一套用于防止全球变暖的汽车发动机的电子控制冷却系统，该电子控制系统包括散热器、冷却风扇及恒温器。用电子控制系统把冷却风扇连接到恒温器，这样能使冷却液的上限温度保持在适宜的温度范围之内。

我国的汽车工业起步较晚，要达到国外先进的热管理技术还有很长的路要走。2006年，大连理工大学的徐继涛研究了基于改进PID控制的发动机冷却系智能控制系统。该系统通过NTC负温度系数传感器进行数据采集，经过单片机的内部A/D转换、PID控制算法，最后通过PWM的输出信号实现对冷却风扇和循环水泵直流电动机的调速，并且具有实时温度显示和故障报警功能。2011年沈阳工业大学单超颖等设计一种新型汽车发动冷却智能控制器，该控制器是基于AVR单片机运用模糊pro控制策略来控制冷却液温度。但是，目前对于电子风扇的转速控制基本上都是基于温度反馈调节，这样虽然能够满足发动机的散热要求，但是在一定程度上浪费了能量，增加了油耗，且需要通过整车实验来标定风扇转速，增加了开发成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种可以解决现有基于温度反馈调节电子风扇转速导致的油耗和设计成本较大等问题的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于包括以下几个步骤：

S1：获取一组发动机转速r_e和对应发动机发热量Q_e的数据做散点图；

S2：根据散点图得到的发动机转速r_e和对应的发热量Q_e数据关系建立发热量Q_e关于转速r_e的函数f₁；

S3：根据散热器实际散热量Q_r、散热器的进水温度T_w以及环境温度T_a的数据；推导出第一个关于散热器标准散热Q_n的函数f₂；

S4：获取一组水流量q、散热器迎面风速V_r以及散热器标准散热量Q_n的数据并根据自变量不同分别作标准散热量和水流量的曲线图以及标准散热量与迎面风速的曲线图；

S5：根据标准散热量和水流量的曲线图以及标准散热量与迎面风速的曲线图建立第二个关于散热器标准散热量Q_n的函数f₃；

S6：获取一组发动机转速r_e和水流量q的数据作散点图并绘制曲线图；

S7：根据步骤S7中绘制的曲线图建立水流量关于发动机转速的函数f₄；

S8：获取一组散热器迎风面风速v_r、车速V_C以及风扇转速r_f的数据并按照自变量不同分别作散点图并绘制迎面风速与车速的曲线图以及迎面风速与风扇转速之间的曲线图；

S9：根据步骤S9中绘制的曲线图建立散热器迎风面风速v_r关于车速VC和风扇转速rf的函数f5；

S10：根据发动机舱热平衡条件建立发动机通过水带走的发热量和散热器实际散热量之间的函数f0；

S11：根据上述各步骤建立的函数f0、f1、f2、f3、f4以及f5来建立以风扇转速作为输出、车速、发动机转速、散热器进水温度以及环境温度作为输入的函数组合方程。

本发明进一步限定的技术方案为：所述S2步骤进一步包括：

S21：根据散点图建立发动机发热量Q_e关于发动机转速r_e的函数f₁：其中：a₀＝0；

S22：利用最小二乘法拟合出函数f₁中系数a₁、a₂、a₃和a₄的值后带入f₁公式；即函数f₁：

进一步的，所述S3步骤进一步包括：

S41：所述散热器标准散热Q_n和散热器实际散热量、散热器的进水温度T_w以及环境温度T_a之间的函数f₂的表达式为：

进一步的，所述S5步骤进一步包括：

S51：根据相同迎面风速条件下标准散热量和水流量的线性关系以及相同水流量条件下标准散热量和迎面风速三次方关系建立第二个关于散热器标准散热量Q_n的函数f₃：其中：b₀＝0；

S52：根据步骤S4中获取的已知离散数据点，利用最小二乘法拟合出函数f₃中系数b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆以及b₇的数值后所述函数f₃的表达式为：

进一步的，所述S7步骤进一步包括：

S71：根据水流量和发动机转速之间的线性关系建立的函数f₄表达式为：q＝c₀+c₁·r_e；其中：c₀＝0；

S72:根据步骤S6中获得的已知离散数据点，利用最小二乘法拟合出系数C₁的数值后，函数f₄表达式为：q＝38.41395×r_e；

进一步的，所述S9步骤进一步包括：

S91：根据相同风扇转速下迎面风速与车速之间的线性关系以及相同车速下迎面风速与风扇转速之间的二次方关系建立函数f₅的表达式为：其中：d₀＝0；

S92：根据步骤S8中获取的已知离散数据点，利用最小二乘法拟合出函数f₅中系数d₁、d₂、d₃、d₄以及d₅的数值后函数f₅的表达式为：

进一步的，所述f₀的表达式为：Q_e＝Q_r。

进一步的，所述步骤S11中的函数组合方程表达式为：

本发明的有益效果是：本发明是基于发动机舱热平衡的冷却传热各路径的传递函数推导建立，结合相应的实验和CFD仿真技术，建立了以车速、发动机转速、散热器进水温度和环境温度作为输入，电子风扇转速作为输出的控制函数组，可以精确控制发动机温度，在保证发动机正常工作的前提下，减少油耗，减少设计成本，提高燃油经济性，以达到节能减排的效果。

附图说明

图1为本发明电子风扇转速函数建立的推导示意图。

图2为发动机发热量Q_e和发动机转速r_e之间的散点图。

图3为拟合函数f₁的曲线图。

图4为标准散热量与水流量的趋势线图。

图5为标准散热量与迎面风速的趋势线图。

图6为拟合函数f₃的趋势云图。

图7为发动机转速和水流量之间的散点图。

图8为拟合函数f₄的趋势线图。

图9为迎面风速与车速之间的线性关系图。

图10为风扇转速与迎面风速之间的趋势线图。

图11为拟合函数f₅的趋势云图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的某商用车型的发动机型号为F1C国五：

A:根据《F1C国五发动机的技术规范》提供的16个已知数据点(r_e，Q_e)作散点图2可知，当发动机转速在0～4kr/min之内，发动机的发热量(通过水带走)与其转速近似成四次方关系，故可用四次多项式曲线方程来表示，函数f₁的形式如下：

当发动机不工作(即r_e＝0)时，发动机的发热量为0，故函数f₁的常数项系数a₀＝0；根据已知的16个离散数据点(r_e，Q_e)，利用最小二乘法拟合出函数f₁的其余4个系数的值，函数f₁的图像如图3所示，表达式如下：

式中，Q_e为发动机发热量，Kw；

r_e为发动机转速，kr/min；

B:由于散热器标准散热量表征的是在进水温度与环境温度差值60℃时的散热性能，其与实际散热量之间的换算公式f₂的表达式如下：

式中，Q_n为散热器标准散热量，Kw；

Q_r为散热器实际散热量，kW；

T_w为散热器的进水温度，℃；

T_a为环境温度，℃；

C:根据F1C国五的散热器台架试验数据，将30个数据点(q，v_r，Q_n)按自变量不同分别作散点图并绘制趋势线，得到标准散热量与水流量的趋势线图4、标准散热量与迎面风速的趋势线图5。

由图4可知，当水流量在0～200L/min之内，相同的迎面风速下，标准散热量与水流量近似成线性关系；由图5可知，当迎面风速在0～12m/s之内，相同的水流量下，标准散热量与迎面风速近似成三次方关系。

故q、V_r和Q_n之间的三元关系可用规范的三次多项式曲面方程(z＝k₀+k₁x+k₂y+k₃x²+k₄xy+k₅y²+k₆x³+k₇x²y+k₈xy²+k₉y³)来近似表示，其中q最高保留一次方项，v_r最高保留三次方项，如下式：

对规范的三次多项式曲面方程，共有10个系数，故10个数据点能确定唯一的方程，而已知的数据点(q，v_r，Q_n)有30个，故上式可增加一项即可拟合不规范的四次多项式曲面方程，以提高方程的拟合精度。

综上，标准散热量与水流量、迎面风速的关系近似可用不规范的四次多项式曲面方程来表示，函数f₃的形式如下式：

当水流量和迎面风速都为0时，故函数f₃的常数项系b₀＝0；根据已知的30个离散数据点(q，v_r，Q_n)，利用最小二乘法拟合出函数f₃的其余7个系数的值，函数f₃图像如图6所示，表达式如下：

式中，Q_n为散热器标准散热量，kW；

q为水流量，L/min；

v_r为散热器迎面风速，m/s；

D:根据水泵的性能实验数据，将62个已知数据点(r_e，q)作散点图7可知，当发动机转速在0～4kr/min之内，水流量与发动机转速近似成线性关系，故可用直线方程来表示，函数f₄的形式如下式：

q＝c₀+c₁·r_e

当发动机不工作(即r_e＝0)时，水流量为0，故函数f₄的常数项系数c₀＝0；根据已知的62个离散数据点(r_e，q)，利用最小二乘法拟合出函数f₄的c₁系数的值，函数f₄图像如图8所示，表达式如下：

q=38.41395×r_e

式中，q为水流量，L/min；r_e为发动机转速，kr/min；

E:根据发动机舱流场CFD仿真数据可知，将42个数据点(v_c，r_f，v_r)按自变量不同分别作散点图并绘制趋势线，得到迎面风速与车速的趋势线图9、迎面风速与风扇转速的趋势线图10。

由图9可知，当车速在0～120km/h之内，相同的风扇转速下，迎面风速与车速近似成线性关系；由图10可知，当风扇转速在0～2.5kr/min之内，相同的车速下，迎面风速与风扇转速近似成二次方关系。

故v_c、r_f和v_r之间的三元关系可用规范的二次多项式曲面方程(z＝k₀+k₁x+k₂y+k₃x²+k₄xy+k₅y²)来近似表示，其中v_c最高保留一次方项，r_f最高保留二次方项，如下式：

对规范的二次多项式曲面方程，共有6个系数，故6个数据点能确定唯一的方程，而已知的数据点(v_c，r_f，v_r)有42个，故上式可增加一项即可拟合不规范的三次多项式曲面方程，以提高方程的拟合精度。

综上，迎面风速与车速、风扇转速的关系近似可用不规范的三次多项式曲面方程来表示，函数f₅的形式如下式：

当车速和风扇转速都为0时，故函数f₅的常数项系数d₀＝0；根据已知的42个离散数据点(v_c，r_f，v_r)，利用最小二乘法拟合出函数f₅的其余5个系数的值，函数f₅图像如图11所示，表达式如下：

式中，v_r为散热器迎面风速，m/s；v_c为车速，km/h；r_f为风扇转速，kr/min；

F:根据发动机冷却传热理论基础，发动机舱热平衡条件为发动机(通过水带走)发热量等于散热器实际散热量，故函数f₀表达式如下：

Q_e＝Q_r

综上A-F所建立的各路径传递函数及推导关系，如图1所示：可得如下电子风扇转速的控制函数组：

利用上述电子风扇转速的控制函数，分别计算该车型在怠速、最大扭矩点、中间点和最大功率点四种工况下，理论所需的电子风扇转速值，总结如下表：

上述表中数值：每种工况下的第Ⅰ行风扇转速数据是适用于水温为Tw＝98℃，环境温度为Ta＝45℃时；第Ⅱ行风扇转速数据适用于水温为Tw＝98℃，环境温度为Ta＝35℃时；第Ⅲ行风扇转速数据适用于水温为Tw＝98℃，环境温度为Ta＝25℃时。上述实施例为本发明的汽车电子风扇转速控制函数的建立方法的详细过程，建立了以车速、发动机转速、散热器进水温度和环境温度作为输入，电子风扇转速作为输出的控制函数组，可以精确控制发动机温度，在保证发动机正常工作的前提下，减少油耗，减少设计成本，提高燃油经济性，以达到节能减排的效果。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于包括以下几个步骤：

S1：获取一组发动机转速r_e和对应发动机发热量Q_e的数据做散点图；

S2：根据散点图得到的发动机转速r_e和对应的发热量Q_e数据关系建立发热量Q_e关于转速r_e的函数f₁；

S3：根据散热器实际散热量Q_r、散热器的进水温度T_w以及环境温度T_a的数据；推导出第一个关于散热器标准散热Q_n的函数f₂；

S4：获取一组水流量q、散热器迎面风速v_r以及散热器标准散热量Q_n的数据并根据自变量不同分别作标准散热量和水流量的曲线图以及标准散热量与迎面风速的曲线图；

S5：根据标准散热量和水流量的曲线图以及标准散热量与迎面风速的曲线图建立第二个关于散热器标准散热量Q_n的函数f₃；

S6：获取一组发动机转速re和水流量q的数据作散点图并绘制曲线图；

S7：根据步骤S7中绘制的曲线图建立水流量关于发动机转速的函数f4；

S8：获取一组散热器迎风面风速v_r、车速VC以及风扇转速rf的数据并按照自变量不同分别作散点图并绘制迎面风速与车速的曲线图以及迎面风速与风扇转速之间的曲线图；

S9：根据步骤S9中绘制的曲线图建立散热器迎风面风速v_r关于车速VC和风扇转速rf的函数f5；

S10：根据发动机舱热平衡条件建立发动机通过水带走的发热量和散热器实际散热量之间的函数f0；

S11：根据上述各步骤建立的函数f0、f1、f2、f3、f4以及f5来建立以风扇转速作为输出、车速、发动机转速、散热器进水温度以及环境温度作为输入的函数组合方程。

2.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述S2步骤进一步包括：

S21：根据散点图建立发动机发热量Q_e关于发动机转速r_e的函数f1：其中：a₀＝0；

S22：利用最小二乘法拟合出函数f₁中系数a₁、a₂、a₃和a₄的值后带入f₁公式；即函数f₁：

3.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述S3步骤进一步包括：

S41：所述散热器标准散热Q_n和散热器实际散热量、散热器的进水温度T_w以及环境温度T_a之间的函数f₂的表达式为：

4.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述S5步骤进一步包括：

S51：根据相同迎面风速条件下标准散热量和水流量的线性关系以及相同水流量条件下标准散热量和迎面风速三次方关系建立第二个关于散热器标准散热量Q_n的函数f₃：其中：b₀＝0；

S52：根据步骤S4中获取的已知离散数据点，利用最小二乘法拟合出函数f₃中系数b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆以及b₇的数值后所述函数f₃的表达式为：

5.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述S7步骤进一步包括：

S71：根据水流量和发动机转速之间的线性关系建立的函数f₄表达式为：q＝c₀+c₁·r_e；其中：c₀＝0；

S72:根据步骤S6中获得的已知离散数据点，利用最小二乘法拟合出系数C₁的数值后，函数f₄表达式为：q＝38.41395×r_e。

6.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述S9步骤进一步包括：

S91：根据相同风扇转速下迎面风速与车速之间的线性关系以及相同车速下迎面风速与风扇转速之间的二次方关系建立函数f₅的表达式为：其中：d₀＝0；

S92：根据步骤S8中获取的已知离散数据点，利用最小二乘法拟合出函数f₅中系数d₁、d₂、d₃、d₄以及d₅的数值后函数f₅的表达式为：

7.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述f₀的表达式为：Q_e＝Q_r。

8.根据权利要求1所述的建立汽车电子风扇转速控制函数的方法，其特征在于所述步骤S11中的函数组合方程表达式为：