CN108215776A - 活动空气挡板组件的车载诊断 - Google Patents

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Abstract

一种车辆包括车身和活动空气挡板组件。车身具有面向环境气流的第一端和背离环境气流的第二端。该组件设置在第一端或第二端处并且控制车身与路面之间的环境气流。该组件包括可调翼片、致动器、传感器和控制器。翼片在不同的收起位置与展开位置之间移位。致动器例如经由轴移动翼片。每个传感器测量致动器的单独性能参数。控制器执行一种方法以接收所测量的性能参数、使用所接收的性能参数从多个不同的可能故障模式中识别活动空气挡板组件的故障模式，并且执行对应于所识别的故障模式的控制动作。

Description

活动空气挡板组件的车载诊断
引言
本公开涉及一种用于执行活动空气挡板组件的车载诊断的系统和方法。机动车辆利用环境气流来冷却位于发动机舱内的动力系部件。环境气流可能会从车身下方或通过前格栅开口进入发动机舱。受致动器控制的空气挡板组件(也被不同地称为主动轮床、前定风翼或前扰流板)可被定位在车辆的前保险杠下方或与其成一体。展开式空气挡板门或翼片相对于环境气流选择性地展开或收起，以便控制进入发动机舱的环境气流的量。另外，可调整翼片的位置以在车身上生成期望的空气动力学下压力，以便增强整体车辆动力学和处理。
发明内容
本文公开了一种用于自动诊断上文通常描述的活动空气挡板组件中的故障模式的系统和方法。空气挡板组件可包括可调整翼片，其由翼片电动机或其它致动器致动。作为翼片致动器的闭环控制的一部分，翼片致动器的位置、电流消耗和反电动势(back-EMF)可由控制器单独感测或计算。例如，可使用位置传感器来测量翼片致动器的输出位置，例如翼片致动器的转子轴的输出位置，根据该输出位置，可确定翼片的相对位置，或可直接测量翼片位置。然而，如果翼片位置与控制器命令的翼片位置不同，那么在没有使用本方法的情况下，控制器通常不能确定位置传感器或翼片是否失效。因此，本公开旨在帮助解决这个潜在的性能问题，而不需要使用附加的传感器硬件，同时能够准确地识别检测到的故障模式的根本原因。
为了准确地隔离活动空气挡板组件的给定故障模式的根本原因，控制器可配置为处理某些致动器性能参数，包括翼片致动器的电流消耗和反电动势以及可能的任何相关联的电压或电流脉冲。翼片致动器的电流消耗可经由电流传感器直接测量，或可根据其它可用电气值(诸如测量的电压和校准的电阻)来计算，如本领域所公知的。为了测量反电动势，进入翼片致动器的脉宽调制(PWM)信号可中断校准持续时间。当PWM信号关闭时，生成可检测的电压和电流尖峰。这些尖峰中的一个可被控制器检测和使用作为定时机构来触发如本文阐述的反电动势的测量。
另外，电流消耗与被施加至翼片致动器的负载或转矩成比例。因此，可如本文阐述般检测和使用电流消耗的变化，以在翼片的命令展开或收起位置的同时确定翼片致动器的负载/转矩变化。翼片致动器的电流消耗的增加在本文被视为翼片致动器正在进行将可调翼片移动至命令展开位置的预期工作的指示，且反之亦然。如果测量的位置与测量的电流消耗不相关，那么控制器可例如通过记录诊断代码和/或采取其它合适的控制动作来记录对应的位置传感器故障。当翼片位置传感器数据和电流消耗充分相关时，但是反映翼片位置与命令的翼片位置不同时，控制器反而可确定翼片本身已经失效并且反而记录翼片故障。
使用反电动势与作用在翼片致动器上的负载或转矩成反比的识别也可检测翼片故障。测量反电动势允许控制器密切监控命令展开或收起翼片的任何时刻的负载。因此，当反向电动势在展开翼片期间从预期变化值变化超过校准量时，可检测并记录翼片故障。
在特定实施例中，一种车辆包括车身和活动空气挡板组件。车身具有面向环境气流的第一端和背离环境气流的第二端。活动空气挡板组件设置在车身的第一端或第二端处，并且配置为控制车身与路面之间的环境气流。另外，活动空气挡板组件包括可调翼片、翼片致动器、多个传感器和控制器。翼片致动器配置为使翼片在相对于路面具有第一高度的收起位置与相对于路面具有第二高度的展开位置之间移位，其中第一高度大于第二高度。翼片致动器配置为使可调翼片在收起位置与展开位置之间且包括收起位置和展开位置的任意位置移动。每个传感器可操作用于测量翼片致动器的单独性能参数。
此实施例中的控制器配置为接收所测量的性能参数、使用性能参数从多个不同的故障模式中识别空气挡板组件的故障模式，并且执行对应于所识别的故障模式的控制动作。
在某些实施例中，翼片致动器可为电动电动机，例如无刷直流电动机。
可能的故障模式可包括指示可调翼片的故障或失灵的第一故障模式、指示翼片致动器的故障或失灵的第二故障以及指示一个传感器的故障或失灵的第三故障。
传感器可包括电流传感器，其可操作用于测量翼片致动器的电流消耗；电压传感器，其可操作用于测量翼片致动器的反电动势；以及位置传感器，其可操作用于测量翼片致动器以及因此联接至该翼片致动器的可调翼片的相对位置。
对应于所识别的故障模式的控制动作可包括注册或记录指示所识别的故障模式的对应诊断代码。
还公开了一种用于诊断上述车辆中的活动空气挡板组件的性能的方法。该方法包括使用多个传感器测量翼片致动器的一组性能参数，并且还使用性能参数从多个不同的故障模式中识别空气挡板组件的故障模式，由此诊断空气挡板组件的性能。另外，该方法包括执行对应于所识别的故障模式的控制动作，这在某些实施例中可经由控制器来实现。
根据结合附图和所附权利要求书实行本公开的实施例和最佳模式的以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是具有如本文阐述的主动前空气挡板组件的示例性车辆的示意俯视图。
图2是图1中所示的主动前空气挡板组件的可能实施例的局部横截面侧视图。
图3是用作图1和2的示例主动前空气挡板组件中的翼片致动器的示例性翼片电动机的电流消耗的示意图，其中垂直轴上描绘电流消耗且水平轴上描绘电动机转矩。
图4是描述用于实施图1和2中所示的活动空气挡板组件的所公开的车载诊断的示例性方法的逻辑流程图。
图5是描绘垂直轴上的典型性能参数的变化振幅和水平轴上的时间的曲线图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记是指代相同的部件，图1示出相对于路面12定位的示例性车辆10。车辆10包括活动空气挡板组件42和控制器50，其中控制器50配置为调节活动空气挡板组件42的正在进行的操作。如下文参考图2至5详细解释，控制器50还配置为执行活动空气挡板组件42的车载诊断，由此从本文详细地解释的多个不同可能的故障模式中识别空气挡板组件42的具体故障模式。
图1的车辆10包括车身14。车身14又限定两个车身端部，即第一或前端16和第二或后端18。车身还限定两个侧面，即，左侧20和右侧22，其中术语“前”、“后”、“左”和“右”是指坐在典型的向前驾驶位置中的操作者的视角。前端16和后端18可包括相应的保险杠组件24和26。虽然在图1中被示为前活动空气挡板组件42，但是本领域一般技术人员将明白的是，在不同实施例中，空气挡板组件42可用于车辆10的端部16和/或18中的任一个或两个。
车辆10还包括配置为推进车辆10的动力系28。动力系28可包括内燃机30和变速器32。动力系28还可或替代地包括均未示出的一个或多个电动机/发电机和/或燃料电池，但是本领域技术人员可明白采用这种装置的替代动力系28。车辆10还包括多个车轮34和36。取决于动力系28的具体配置，来自发动机30的动力可通过车轮34和/或36的旋转传输至路面12。
另外如图1中所示，车身14可包括车罩38，其配置为覆盖车身14的前端16的一部分以限定发动机舱40。活动空气挡板组件42配置为控制来自车辆10外部(即，来自周围环境)进入并通过发动机舱40的环境气流(箭头44)，以冷却动力系28的部件。
如图2中所示，活动空气挡板组件42的翼片46具有由双头箭头PX指示的可变位置。翼片46(例如，面板或门)可选地联接至轴64或其它合适的联接机构，该联接机构配置为将翼片46旋转或以其它方式定位在第一/收起位置(P1)与第一/收起位置第二/展开位置(P2)之间且包括这些位置的任何位置。通常，位于车辆10前面的开口(诸如翼片46与路面12之间的间隙)以及车身14上的各种突出特征将倾向于干扰车身14周围的空气流动，因此降低车辆10的空气动力学特征。因此，控制器50可被编程或以其它方式配置为协调空气挡板组件42的操作与图1的动力系28的操作。具体地，当翼片46移动至比路面12高的第一高度H1处的收起位置P1时，车辆10的空气动力学特征得以改善，但是动力系28的冷却减小，而当翼片46移动至比路面12高的较低第二高度H2处的展开位置P2时，会出现相反情况。
另外，图2的活动空气挡板组件42包括例如经由轴64联接至翼片46的翼片致动器56。可选地实施为有刷直流(DC)电动机或其它合适的电动机、旋转式致动器或线性致动器的翼片致动器56可将驱动转矩施加至轴64或其它联接机构，以将翼片46在相应的收起位置P1与展开位置P2之间移位。轴64可选地实施为整体元件或可包括多个部件，例如两个不同的杆部件66和68，这些杆部件配置为利用位于杆部件66和68之间的弹簧部件70相对于彼此伸缩以预装载杆部件66和68并且可选地允许杆部件66在轴向负载下嵌入在杆部件68内部。
另外如图2中所示，发动机30通过循环通过容置在发动机舱40中的热交换器76的流体74而冷却。然后，由活动空气挡板组件42控制的环境气流44通过热交换器76以在流体74通过发动机30之后冷却流体74。因此，控制器50可根据发动机30上的负载来控制翼片致动器56的操作，以帮助从流体74中去除多余的热量，因此提供发动机冷却，如本领域中所公知。
作为下面描述的方法100的输入，控制器50从翼片致动器56的多个传感器75接收感测的性能参数(箭头SI)。性能参数(箭头SI)可包括翼片致动器56的位置、电流消耗和反电动势(back-EMF)。为了测量这样的性能参数(箭头SI)，传感器75可包括本领域中已知类型的位置传感器175、电流传感器275和电压传感器375，例如霍尔效应传感器、编码器、电流表、电压表等，其中根据需要通过控制器50计算此后在方法100中使用的所需值。
控制器50又可实施为具有必要存储器(M)和处理器(P)的一个或多个计算机装置，以及任何其它必要的硬件和软件，例如时钟或定时器、输入/输出电路等。存储器(M)包括足够数量的只读存储器，例如磁性存储器或光学存储器，其上记录有实施方法100的计算机可读指令。作为方法100的一部分，控制器50可生成输出信号(箭头CCO)并将其传输至诸如灯或显示屏等指示器装置85，和/或可例如经由记录对应于特定故障模式的位标志或诊断代码来记录故障或故障代码。如上所述，为了准确地识别图1和2的活动空气挡板组件42的给定故障模式或失灵的根本原因并将该给定阻障模式或失灵与其它可能的故障模式隔离(即，为了区分翼片46、翼片致动器56或位置传感器175是否经历了失灵)，控制器50经由处理器P处理性能参数(箭头SI)。
为了对反电动势的测量进行定时，从控制器50或另一个控制装置传递至翼片致动器56的脉宽调制信号(箭头SPWM)可由控制器50暂时中止校准的持续时间、在经由电压传感器375测量反电动势之前经由如文阐述的电流或电压尖峰来测量或检测。这个持续时间应当足够长，以便在允许测量反电动势停滞之前使翼片致动器56中的任何剩余电流完全消散。电流稳定所需的时间取决于翼片致动器56的绕组的电感，如本领域所公知。在另一个实施例中，也可从可用的电气值计算反电动势。
简要地参考图5(其在时间t0与t1之间描绘垂直轴上的振幅(A)和水平轴上的时间(t))，图1和2的控制器维持脉宽调制信号(标记为PWM，对应于图2的信号SPWM)以向翼片致动器56的绕组(例如，翼片电动机)生成调制电压命令(VW)。范围从0V至较高电压(标称上表示为V2)的PWM信号在t1处被关断或中断，此时在具有中点电压V1的调制电压命令(VW)中出现可检测的电气尖峰71。检测到存在电气尖峰71(如所示的电压尖峰或相关的电流尖峰)可促使控制器50在上述校准持续时间中进行计数，其中持续时间t1至t3提供反电动势测量间隙(GBEMF)，在该间隙中，控制器50可测量反电动势(被示为迹线VEMF)。在时间t2与t3之间存在稳定的反电动势区域(RS)，在该区域内，可获得最佳的反电动势测量精度，其中电压V3对应于所测量的反电动势(VEMF)。t1与t2之间的时间段表示由于任何PWM开关电路(未示出)中的电感(未示出)在PWM信号(箭头PWM)中止之后使它们的电荷倾卸而导致的电场崩溃。VEMF的实际值将随着翼片致动器56上的负载而变化，并且与翼片致动器56的速度成正比。
一旦反电动势测量完成，控制器50可接着命令翼片致动器56在t3处再次开启，并且继续至某个未来的时间点t4。使用反电动势与被施加至翼片致动器56的负载成反比的事实，可检测到失灵的空气挡板组件42。因此，无论活动空气挡板组件42的翼片46何时被命令展开或收起，测量反电动势均使得控制器50能够到达翼片致动器56上的负载。即，当在挡板46的命令展开期间反电动势变化超过预期校准值时，可检测到挡板46失灵。
为了进一步详细地描述这一点，图3中的曲线60描绘了翼片致动器56的电动机电流消耗(以安培表示)，其中垂直轴上描绘振幅(A)且水平轴上描绘根据转矩(T)变化的电动机负载。如上所述，翼片致动器56的电动机电流消耗与翼片致动器56施加的负载或转矩成比例。即，其中挡板46处于图2的收起位置P1，控制器50通常期望得到低的电流消耗和低的电动机转矩。类似地，其中翼片46处于展开位置P2，控制器50将期望得到高电流消耗和对应的高电动机转矩。因此，作为方法100的一部分，控制器50可考虑翼片致动器56的电流消耗的任何变化以确定预期(即，应当结合翼片46的命令收起位置P1或展开位置P2所观察到)的负载/转矩变化。换言之，由电流消耗引起的所计算的负载或转矩的变化可与翼片46的预期负载或转矩变化进行比较。这样的变化可用于检测当翼片46被命令展开或收起时翼片46展开或收起的故障。
另外，控制器50可使用电流消耗的任何增加作为翼片致动器56实际上正在进行将翼片移动至命令收起位置P1或展开位置P2所需的所请求工作的指示。如果图2中专用于感测位置的传感器175与电流消耗无关，那么位置传感器故障可由控制器50自动设定。当翼片位置传感器和消耗电流充分相关但是二者均不同于来自控制器50的命令翼片位置时，控制器50反而确定翼片46已经失效并且注册或记录适当的位标志或诊断代码。
具体参考图4来描述方法100，图4描绘了在本文可互换地用作过程步骤的逻辑框101至108。逻辑框101、103和105被共同地用于使用所测量或所计算的性能参数(箭头SI)从多个不同故障模式中识别活动空气挡板组件42的故障模式，由此诊断活动空气挡板组件42的性能。此后，方法100包括执行对应于所识别的故障模式的控制动作。
具体地，逻辑框101、103和105分别实施经由图2的位置传感器175测量翼片46的位置的过程步骤(框101)，这可能需要测量联接至翼片46的翼片致动器56的角位置。另外，方法100包括如上文参考图5所述般测量反电动势(框103)，并测量电流消耗(框105)。然后将翼片46的所测量的位置(箭头P56)馈送至逻辑框102中，同时将所测量的反电动势(箭头EMF)和电流消耗(箭头I)二者馈送至逻辑框104中。
逻辑框102可能需要处理来自框101的信号以确定所测量的位置信号与命令位置(即，由控制器50命令并因此被称为参考值的位置)相差的位置变化(ΔP)。然后将位置变化(ΔP)前馈至单独的诊断框106和108中。
逻辑框104需要处理来自步骤103和105的信号，以针对翼片46的命令位置确定分别与期望反电动势和电流相差的反电动势变化(ΔEMF)和电流消耗变化(ΔI)。框104将反电动势变化(ΔEMF)和电流变化(ΔI)输出至逻辑框108。
在逻辑框106处，控制器50根据命令位置和来自逻辑框102的位置变化(ΔP)确定活动空气挡板组件42是否正常工作，即，命令位置是否与翼片46或翼片致动器56的实际或测量的位置相同。如果是，那么控制器50生成通过输出信号(箭头CCP)，其可选地被注册为通过位标志或诊断代码。然而，如果逻辑框106确定位置变化(ΔP)超过校准阈值，那么方法100经由将启用信号(E)传输至逻辑框108来使得能够进一步诊断活动空气挡板组件42。
逻辑框108配置为区分三种不同可能的故障模式：图2中所示的传感器75中的位置传感器175的故障、翼片致动器56的故障以及翼片46的故障。除了启用信号(E)之外，逻辑框108的输入包括上述位置变化(ΔP)、反电动势变化(ΔEMF)和电流变化(ΔI)。来自逻辑框108的输出可包括对应于位置传感器故障的第一故障信号F1、对应于翼片致动器56的失效或故障的第二故障信号F2以及对应于翼片46的失效或故障的第三故障信号F3。
为了检测和隔离故障的根本原因，可使用当前变化(ΔI)来检测展开或收起翼片46的失败。电动机电流消耗的增加是翼片致动器56实际上正在进行展开所需的工作的指示器，而电流消耗的降低指示翼片46正在收起。如果位置传感器值与电动机电流增大或降低不相关，那么控制器50设定第一故障信号F1，其指示位置传感器有故障。
对于再次指示翼片致动器56失效的第二故障信号F2，控制器50基于命令翼片位置确定翼片致动器56的当前消耗是否对应于期望值。例如，如果控制器50命令挡板46展开，那么控制器50将期望得到如由图3中的P2指示的增加的电流消耗。然而，如果检测到低于期望电流消耗，那么控制器50注册第二故障信号F2，其指示翼片致动器56已经失效。
当位置传感器175和测量的电流消耗充分相关但是二者均不同于翼片46的命令位置时，控制器50确定翼片46已经失效。结果，控制器50记录第三故障信号F3。替代地，控制器50可通过评估反电动势来确定是否设定第三故障信号F3。如上所述，反电动势与被施加至翼片致动器56的负载成反比。因此，当挡板46被命令展开或收起时，翼片致动器56上的负载可受控制器50监测。当反电动势变化(ΔEMF)在挡板46展开期间大于期望校准值或在收起翼片46期间小于相同或另一个校准值时，检测到保证第三故障信号F3的翼片失灵。
使用本文公开的方法100，可通过增加活动空气挡板系统42的翼片46在被控制器50命令时展开或收起的保证来改善图1的车辆10的稳定性。本方法100允许提高由活动空气挡板组件42产生的空气动力学下压力的准确度的置信度。另外，由于不需要附加传感器或其它硬件来实施本文阐述的教导并识别活动空气挡板组件42中的各种失灵的根本原因从而允许技术人员能够快速地跟踪、精确定位并修复故障的事实，可实现成本优势。
详述和图或图式支持并且描述本教导，但是本教导的范围仅仅是由权利要求限定。虽然已详细地描述了用于实行本教导的某些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践随附权利要求书中限定的本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
车身；以及
活动空气挡板组件，其联接至所述车身并且配置为控制所述车身与路面之间的环境气流，所述活动空气挡板组件包括：
可调翼片；
翼片致动器，其配置为经由轴使所述可调翼片在相对于所述路面具有第一高度的收起位置与相对于所述路面具有第二高度的展开位置之间并包括这些位置的任何位置移动，其中所述第一高度大于所述第二高度；
多个传感器，每个传感器可操作用于测量所述翼片致动器的单独性能参数；以及
控制器，其配置为从所述多个传感器接收所测量的性能参数、使用所述所接收的性能参数从多个不同的可能的故障模式中识别所述活动空气挡板组件的故障模式，并且执行对应于所识别的故障模式的控制动作。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中所述致动器是电动机。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中所述电动机是无刷直流电动机。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中所述故障模式包括指示所述可调翼片的故障或失灵的第一故障模式、指示所述翼片致动器的故障或失灵的第二故障模式以及指示所述多个传感器中的一个传感器的故障或失灵的第三故障模式。
5.根据权利要求4所述的车辆，其中所述多个电传感器包括电流传感器，其可操作用于测量所述致动器的电流消耗；电压传感器，其可操作用于测量所述翼片致动器的反电动势；以及位置传感器，其用于测量所述翼片致动器的相对位置，且其中
所述第三故障模式指示所述位置传感器的故障或失灵。
6.根据权利要求5所述的车辆，其中对应于所述所识别的故障模式的所述控制动作包括在所述控制器的存储器中注册或记录诊断代码以指示所识别的故障模式。
7.一种用于控制车身与路面之间的环境气流的活动空气挡板组件，所述活动空气挡板组件包括：
可调翼片；
轴，其联接至所述可调翼片并且配置为使所述可调翼片在相对于所述路面具有第一高度的收起位置与相对于所述路面具有第二高度的展开位置之间移位，其中所述第一高度大于所述第二高度；
翼片致动器，其联接至所述轴并且配置为经由所述轴使所述可调翼片在所述收起位置与所述展开位置之间且包括这些位置的任意位置移动；
多个传感器，每个传感器可操作用于测量所述翼片致动器的单独性能参数；以及
控制器，其配置为从所述多个传感器接收所测量的性能参数、使用所接收的性能参数从多个不同的故障模式中识别所述活动空气挡板组件的故障模式，并且执行对应于所识别的故障模式的控制动作。
8.根据权利要求7所述的活动空气挡板组件，其中所述致动器是电动机。
9.根据权利要求8所述的活动空气挡板组件，其中所述电动机是无刷直流电动机。
10.根据权利要求7所述的车辆，其中所述故障模式包括指示所述可调翼片的故障或失灵的第一故障模式、指示所述致动器的故障或失灵的第二故障以及指示所述多个传感器中的一个传感器的故障或失灵的第三故障。
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