CN107560839A - 用于调节体积流量的方法和用于仿真液体回路的试验台 - Google Patents

Abstract

一种用于调节体积流量的方法和一种用于实施所述方法的具有液体回路的试验台。泵和节流阀在液体回路中串联连接，并且根据液体的体积流量的理论值调节节流阀的开口宽度，以便借助开口宽度确定泵的关于压差记录体积流量的特性曲线。在确定特性曲线之后这样调节泵的压差，使得所述体积流量相当于体积流量的理论值。

Description

用于调节体积流量的方法和用于仿真液体回路的试验台

技术领域

本发明涉及一种用于温度调节的液体回路并且特别是涉及一种具有用于仿真温度调节的液体回路的试验台。

背景技术

嵌入式系统是由终端用户通常不可重新编程的计算机系统，所述计算机系统固定安装在装置中，以便在所述装置中进行控制、调节或监控。通常，嵌入式系统以紧凑的、独立的单元的形式制造，所述嵌入式系统通过接口与装置通信(所述嵌入式系统安装在所述装置中)并且于是也称为电子控制器。许多嵌入式系统例如在汽车制造中、在航空和航天飞行中以及在工业机器人的控制中承担与安全相关的任务。在批量生产相应的系统之前，就无缺陷的功能方面耗费地检验在这样的嵌入式系统上存储的软件。

一种为此确立的方法是硬件在环仿真。在此，有实时能力的仿真计算机或简称HIL(Hardware in the Loop)与以下称为试验件的要测试的嵌入式系统连接，并且设置用于以硬实时运行用于仿真试验件的环境的软件模型。HIL借助软件模型来计算用于试验件的输入数据、例如仿真的传感器值，并且将所述输入数据经由试验件的数据输入端提供给试验件。反过来，HIL从试验件的数据输出端读取试验件的输出数据、例如用于执行器的控制信号并且借助软件模型处理所述输出数据。试验件因而在很大程度上虚拟的环境中工作并且能在所述环境中无危险地并且以可重复的方式被测试。通常，HIL也以试验台的形式构造并且于是除试验件本身之外还包含物理的、即非虚拟的其他组件，所述组件同样与仿真计算机相互作用。所述其他的物理的组件尤其可以是由试验件操控的组件、例如马达、被调节的减震器或制动系统。

发明内容

本发明涉及以下特殊情况，即，在应安装批量生产的嵌入式系统的最终产品中，设置通过液体回路对嵌入式系统的冷却、加热或温度调节。用于仿真试验件的环境的软件模型在该情况下包含对液体回路的仿真。为了正确地再调节温度对试验件的物理作用，HIL需要用于调节试验件温度的装置，以便将试验件的实际温度适配于软件模型的预给定，理想地以自身的液体回路的形式，以便实际地模拟在最终产品中的嵌入式系统的环境。必须设置液体回路，以便精确模拟借助软件模型计算出的预给定，即除了液体的温度之外，液体的体积流量也必须能在尽可能宽的区间上被准确调节。但由现有技术已知的液体回路没有设置针对其体积流量的这样的调节。

在该背景下，本发明的任务是，描述一种拓展现有技术的用于调节液体回路的体积流量的方法，所述方法在宽的数值范围上能够实现体积流量的对于硬件在环仿真的要求足够准确的调节。本发明的任务尤其是，描述一种具有用于影响试验件温度的液体回路的试验台，所述试验台在宽的数值范围上能够实现液体回路的不仅温度而且体积流量的对于硬件在环仿真的要求足够准确的调节。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求8的特征的试验台解决。从属权利要求的技术方案是本发明的有利的实施方案。

因此，本发明的主题是：一种用于调节含有液体的第一液体回路的体积流量的方法，其中在所述第一液体回路中泵和节流阀串联连接。根据体积流量的理论值，调节节流阀的开口宽度、尤其是节流阀内的流动横截面积。通过调节节流阀的开口宽度来影响泵的特性曲线，所述特性曲线关于泵的压差记录通过泵或在所述第一液体回路中的体积流量。在将节流阀调节到一个开口宽度并且由此调节泵的一条特性曲线之后，这样调节泵的压差，使得在所述第一液体回路中的体积流量相当于体积流量的理论值。

泵的压差指的是在泵的两侧通过泵形成的压差并且因此指的是经在整个第一液体回路上所下降的压差。因此，通过操控泵的泵功率原则上可调节压差。

本发明的优点是，本发明就可调节性的精度方面在宽的数值范围上改善体积流量的可调节性。泵的特性曲线——如其在以上所定义的那样——在理想化的条件下是按照以下公式的根函数：

(A：流动的横断面积，D：液体的密度，P：动态的压力或压差。)在确定的特性曲线中，通过操控压差对体积流量的足够准确的调节只在压差的窄的数值区间内是可能的，在该数值区间内，特性曲线的变化过程既不过于陡峭也不过于平缓。但通过调节节流阀的开口宽度可能的是，改动横断面积A并且从理论上无限多条特性曲线中选取具有对于体积流量的当前的理论值有利的变化过程的特性曲线。

给出的公式通常仅近似地适用，尤其是因为在节流阀内可能是紊流的流动。但所述特性曲线也在切合实际的假定下近似描述根函数。

本发明的另一个优点是，本发明在宽的数值范围上在小压差的情况下能够实现体积流量的调节并且以这种方式提高试验台的安全性。在确定的特性曲线中，泵由于根函数的逐渐平坦的变化过程必须在体积流量的理论值较大的情况下构建高的压差，以便将体积流量适配于预给定。试验台的软管快速到达其负荷极限，这首先鉴于液体的可能高的温度是危险的。按照本发明的试验台连续以显著低于1bar的压差工作。由此排除了导管的由压力决定的破裂。如果尽管在试验台的液体导管上出现损坏或漏的位置，但仍没有产生由热液体形成的宽水柱。

节流阀的开口宽度优选这样调节，使得不超过压差的临界值。特别优选地，临界值不高于1bar、0.5bar或0.3bar。此外优选这样调节的开口宽度，使得压差的理论值的特性曲线的一阶导数具有用于通过调节压差来调节体积流量有利的值。这表示，在对应于体积流量的理论值的压差的位置上，特性曲线的一阶导数应该具有适度的值，即，特性曲线因此既不过于平缓也不过于陡峭地伸展，以便在上述位置上能够实现体积流量的准确的调节。

特别有利地，节流阀的开口宽度从预先定义的、尤其是以数字列表形式存储的开口宽度的选择中选取。为此在一种示例性的实施方式中，将体积流量的设置的数值区间分解成多个足够小的子区间，对于每个子区间通过测量确定一条特性曲线，所述特性曲线在整个相应的子区间内具有按照上述定义的有利的变化过程，即，所述特性曲线的一阶导数在整个相应的子区间内在不超过压差的临界值的情况下具有对于体积流量的调节有利的值，并且记下节流阀的相应于每个子区间所确定的特性曲线的开口宽度。以这种方式构建表格，所述表格给每个子区间配设节流阀的一种开口宽度。所述表格作为数字表格存储在试验台中。借助所述表格，对于体积流量的理论值读取节流阀的开口宽度并且按照读取的开口宽度调节节流阀。

在一种此外有利的设计方案中，借助多个珀耳帖元件调节液体的温度。通过使在珀耳帖元件上施加的电压反向，珀耳帖元件可用于不仅加热而且冷却液体，并且可以通过缩放或脉宽调制所施加的电压以简单的方式调节珀耳帖元件的加热或冷却功率。由此，珀耳帖元件良好适用于安装在HIL中，因为典型的HIL原始设置用于也以高的功率输出模拟的和脉宽调制的电信号。

此外优选地，借助软件模型由处理器计算体积流量的理论值和温度的理论值。特别优选地，处理器安装在仿真器、尤其是安装在HIL中，其中节流阀、泵和所述多个珀耳帖元件由仿真器操控并且借助所述第一液体回路来影响试验件温度。

本发明的主题此外是一种用于仿真用于温度调节的液体回路的试验台，所述试验台具有含有液体的第一液体回路以及泵和节流阀，它们在所述第一液体回路中串联连接，并且所述试验台设置用于，实施按照权利要求1至7之一所述的方法，其中尤其是所述试验台设置用于，接纳试验件并且借助所述第一液体回路影响试验件温度。

优选地，用于液体的存储容器不仅结合到第一液体回路中而且结合到第二液体回路中，其中这样确定液体的存储容器和液位，使得在每个时刻大多数的液体处于存储容器中，并且其中在第二液体回路上设置用于调节存储容器中的液体的温度的珀耳帖元件。

特别优选地，试验台分成两个分离的组件，其中在第一组件中安装有处理器并且在第一组件中安装有试验件或者说第一组件设置用于接纳试验件，并且其中在第二组件中安装有试验台的除第一液体回路之外的液压设备、亦即尤其是泵和节流阀，其中所述第一液体回路布置在所述第一组件和所述第二组件之间。该结构方式在两方面是有利的。一方面，主要实现按照本发明的方法的第二组件是独立的并且由此以简单的方式对于其他试验台可再利用或可复制，并且另一方面，试验台的电气设备和液压设备尽可能好地分开，这提高了试验台的安全性。

附图说明

以下参考附图进一步阐述本发明。在此，同类部件标有相同标记。所示出的各实施方式极其示意性地表示，即距离以及横向和竖直延伸尺寸不是按比例的，并且除非另有说明，彼此不具有可推导的几何关系。

其中：

图1示出按照本发明的试验台在一种优选的实施方式中的示图；

图2示出安装在试验台中的用于影响试验件温度的液压设备的示意图以及

图3示出泵关于节流阀的开口宽度的特性曲线的简图。

具体实施方式

图1的示图示出构造为硬件在环仿真器的具有试验件UUT的试验台HIL的透视图。试验件UUT在示出的应用示例中是用于混合车辆的蓄电池单池的智能的直流电压变换器。所述智能的直流电压变换器具有集成的包括自身处理器的电子控制器，即真正的直流电压变换器和用于控制直流电压变换器的控制器构造为不可分的单元。所述智能的直流电压变换器此外配备有水流通道并且所述水流通道设计用于安装在用于冷却智能的直流电压变换器的水循环中。

试验台HIL由两个分离的组件构成。在第一组件CMP1中安装有处理器单元CPU，所述处理器单元包括试验台HIL的处理器和试验件UUT。在第一组件中还安装有：供电单元PSU、用于多个可插入的电路板、尤其是I/O卡以及用于辅助处理器CPU和减轻其负担的卡的插入格层RCK，以及用于以物理形式模拟在系列车辆中的试验件UUT的电气环境的电气设备。所述电气设备尤其是具有：

-作为用于直流电压变换器UUT的高压侧的电源的高压供电单元HVPS，

-作为用于直流电压变换器UUT的高压侧的能量阱的高压接收单元，

-作为用于直流电压变换器UUT的低压侧的电源的低压供电单元LVPS以及

-作为用于直流电压变换器UUT的低压侧的能量阱的低压接收单元LVPD。

试验台HIL的处理器单元CPU利用软件模型编程，以便以硬实时仿真试验件的环境，借助软件模型给试验件提供输入数据并且在运行软件模型时考虑试验件的输出数据。

在第二组件CMP2中安装有液压设备，以便以物理形式模拟试验件的通过软件模型仿真的水冷却。以液态水填充的第一液体回路CCL1布置在第一组件CMP1和第二组件CMP2之间。试验件UUT借助其水流通道结合到第一液体回路CCL1中，从而借助第一液体回路CCL1影响试验件UUT的温度。

在插入格层RCK中插入有I/O卡IO，并且第一组件CMP1设计用于，借助I/O卡IO在处理器单元CPU和第一组件CMP1的外围设备之间交换数据。借助数据线在I/O卡IO和第二组件CMP2之间设置数据连接DL，并且试验台HIL设置用于，借助数据连接DL将用于执行器的控制信号传输给第二组件CMP2并且将第二组件CMP2的传感器值传输给处理器单元CPU。

图2的示图简明示出试验台HIL的液压设备的示意图，所述试验台包括第一液体回路CCL1和第二液体回路CCL2。除去第一液体回路CCL1的导管或软管的部分之外，整个液压设备、尤其是所有在示图中空间上设置在设有附图标记CMP2的括号上方的构件安装在第二组件CMP2中。水的存储容器TNK不仅结合到第一液体回路CCL1中而且结合到第二液体回路CCL2中并且所述存储容器包含液压设备中大多数的水。由处理器单元CPU读取的第一温度传感器TS1测量在存储容器TNK中水的温度。浮动开关FLT测量在存储容器TNK中的水位并且设置用于在水位降低时关断试验台HIL。

第一液体回路CCL1布置在第一组件CMP1和第二组件CMP2之间并且被引导通过试验件UUT的水流通道。由第一组件CMP1操控的第一泵P1和由第一组件操控的节流阀VLV在第一液体回路CCL1中串联连接。第一泵P1关于水在第一液体回路CCL1中的流动方向设置在节流阀VLV之前。体积流量传感器VS、第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3设置在第一液体回路CCL1上并且由处理器单元CPU读取。体积流量传感器VS测量在所述第一液体回路中的体积流量。第二温度传感器TS2测量在试验件UUT之前的水温，并且第三温度传感器TS3测量在试验件UUT之后的水温。处理器单元CPU设置用于，借助第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3计算试验件UUT的能量平衡、尤其是余热。

借助软件模型，处理器单元计算第一液体回路CCL1中的体积流量的理论值并且根据体积流量的理论值操控节流阀VLV，以便调节第一泵P1的特性曲线。处理器单元CPU设置用于，通过操控第一泵P1的泵功率这样调节第一液体回路中的体积流量，使得由体积流量传感器VS读入的体积流量相当于体积流量的理论值。体积流量的由软件模型计算出的理论值不是常量，而是可变量，并且处理器单元CPU设置用于，将第一液体回路CCL1中的体积流量与体积流量的可变理论值动态适配。

处理器单元CPU此外设置用于，借助软件模型计算用于第一液体回路CCL1中水的温度的理论值，并且第二液体回路CCL2设置用于，调节存储容器TNK中水的温度。第二泵P2设置在第二液体回路CCL2中并且不由处理器单元CPU操控，而是以恒定的泵功率工作。在示图中代表性地通过唯一的珀耳帖元件表示的多个珀耳帖元件PLT设置在第二液体回路CCL2上，以便将第二液体回路CCL2中的水按要求加热或冷却。处理器单元CPU设置用于，借助第一温度传感器TS1和第二温度传感器TS2读入在所述第一液体回路中水的温度并且通过操控珀耳帖元件PLT动态地适配于温度的借助软件模型计算出的、可变的理论值。

珀耳帖元件PLT借助热交换板与第二液体回路CCL2耦合。为了使水冷却到室温以下变得容易，热交换板和珀耳帖元件PLT悬浮地设置并且尤其是不与第二组件CMP2的壳体壁连接。珀耳帖元件PLT的余热借助风扇从第二组件CMP2中导出。

图3的示图借助第一泵的特性曲线图表简明示出节流阀VLV的开口宽度的预先定义的选择的创建。在图表中示出的特性曲线是示例性的并且没有反映真实的特性曲线或实际实施的测量。所述示图仅用于，为本领域技术人员提供用于创建开口宽度的预先定义的选择的说明。对于复制按照本发明的试验台所公开的实施例需要的是，按经验引入或通过测量确定第一泵的合适的特性曲线。

特性曲线图表针对节流阀VLV中的流动的三种不同的横断面积A₁，…，A₃示出第一泵P1的三条特性曲线，所述特性曲线作为第一液体回路CCL1中的以升每分钟测量的体积流量关于第一泵P1以bar测量的压差的记录。按照体积流量的当前理论值，示例性地设置节流阀VLV的三种不同的横断面积或开口宽度：用于在4至6L/min的范围内的大体积流量的第一横断面积A₁，用于2至4L/min的范围内的体积流量的第二横断面积A₂，以及用于1至2L/min的范围内的小体积流量的第三横断面积A₃。这样选择横断面积，使得相应的特性曲线在配设给相应的横断面积的体积流量区间内既不过于陡峭也不过于平缓地伸展，即特性曲线的一阶导数在整个区间内具有适度的值，并且对应于体积流量的相应的理论值的压差从未超过0.3bar的值。

当然，按照具体的试验台的要求和准确的结构方式，可定义原则上任意数量的预先定义的开口宽度。所述开口宽度的预先定义的选择以数字表格的形式存储在通过处理器单元CPU可读取的存储器中，所述数字表格将预先定义的开口宽度配设给其相应的体积流量区间。为了将体积流量适配于体积流量的相应的当前的理论值，处理器单元设置用于，读取节流阀的配设给体积流量的当前的理论值的开口宽度，相应地调节节流阀并且接着通过操控第一泵使体积流量适配于体积流量的理论值。

由申请人根据公开的实施例的范例所构建的试验台具有16个功率分别为56W的珀耳帖元件。上述试验台以对于硬件在环仿真的要求而言足够的精度在1L/min至6L/min的范围内调节体积流量并且在10℃至80℃的范围内调节温度并且在此从未超过0.3bar的压差。在所述设计之前的研究表明，符合这些要求的调节利用在市场上可获得的泵系统在没有其他措施、例如节流阀的按照本发明的应用的情况下是不能实现的。

Claims (13)

1.用于调节含有液体的第一液体回路的体积流量的方法，在所述第一液体回路中泵和节流阀串联连接，其特征在于，根据液体的体积流量的理论值这样调节节流阀的开口宽度，使得关于泵的压差记录体积流量的特性曲线的一阶导数具有用于通过调节压差来调节体积流量的有利的值，并且这样调节泵的压差，使得所述体积流量相当于体积流量的理论值。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，这样调节开口宽度，使得压差不超过预先定义的临界值，尤其是其中所述临界值不高于1.0bar、0.5bar或0.3bar。

3.按照权利要求1或2之一所述的方法，其中，从开口宽度的预先定义的选择中选取所述开口宽度。

4.按照上述权利要求之一所述的方法，其中，借助多个珀耳帖元件调节液体的温度。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，由处理器借助软件模型计算体积流量的理论值和温度的理论值。

6.按照权利要求5所述的方法，其中，处理器安装在仿真器中、尤其是安装在硬件在环仿真器中，所述仿真器操控节流阀、泵和所述多个珀耳帖元件并且借助所述第一液体回路来影响试验件温度。

7.用于仿真用于温度调节的液体回路的试验台，其中，所述试验台具有含有液体的第一液体回路并且在所述第一液体回路中泵和节流阀串联连接，其特征在于，试验台设计用于，读入液体的体积流量的理论值，根据体积流量的理论值这样调节节流阀的开口宽度，使得关于泵的压差记录体积流量的特性曲线的一阶导数具有用于通过调节压差来调节体积流量的有利的值，并且这样调节泵的压差，使得所述体积流量相当于体积流量的理论值。

8.按照权利要求7所述的试验台，其中，所述试验台设计用于，读入液体的温度的理论值并且借助多个珀耳帖元件调节液体的温度。

9.按照权利要求8所述的试验台，其中，用于液体的存储容器结合到第一液体回路和第二液体回路中并且所述珀耳帖元件设置在第二液体回路上。

10.按照权利要求7至9之一所述的试验台，其中，在试验台中安装有用于运行软件模型的处理器并且所述试验台设计用于，借助软件模型确定体积流量的理论值和温度的理论值，尤其是其中试验台设计为硬件在环仿真器。

11.按照权利要求7至10之一所述的试验台，其中，所述试验台设置用于，接纳试验件并且借助所述第一液体回路影响试验件温度。

12.按照权利要求11所述的试验台，其中，所述试验台具有两个分离的组件，在第一组件中安装有处理器，在第一组件中安装有试验件或者说第一组件设置用于接纳试验件，在第二组件中安装有泵和节流阀并且第一液体回路布置在所述第一组件和所述第二组件之间。

13.按照权利要求7至12之一所述的试验台，其中，所述试验台设置用于，根据体积流量的理论值从开口宽度的预先定义的选择中选取开口宽度。