CN108448997A - 汽车天窗驱动电机的温度计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车天窗驱动电机的温度计算方法及装置，能有效计算汽车天窗用驱动电机温度，安全有效的保证天窗电机不会因为运行过热而烧毁的；本发明属于汽车天窗驱动电机保护和控制技术领域。本发明的方法包括：S1：获取汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值T_i‑1；S2：获取所述电机当前时刻的发热值T_f；S3：获取所述电机当前时刻的散热值T_dec；S4：获取所述电机当前时刻的温度值T_i，并存储；T_i＝T_i‑1+T_f‑T_dec；i表示当前时刻；具体保护及控制时，根据所述电机当前时刻的温度值T_i，确定所述电机是否执行自我保护动作。本发明获取的天窗驱动电机的温度误差在实际温度的±10％。

Description

汽车天窗驱动电机的温度计算方法及装置

技术领域

本发明属于汽车天窗驱动电机保护和控制技术领域，具体涉及一种汽车天窗驱动电机的温度计算方法及装置。

背景技术

汽车天窗电机为汽车天窗的驱动设备，该电机通常采用小型有刷直流电机，且因为电机成本及尺寸原因，通常不会安装电流传感器来检测电机运行的负载且不会安装温度传感器来实时监测马达电枢温度。

目前市场上主流的汽车天窗电机，为了防止电机过热而烧毁，通常用记录并规定电机运行时间的方法。例如：设定电机连续工作的时间，电机工作时，控制单元计算工作时间，电机在工作时间内可以连续工作。设定电机的散热时间，在散热时间内不工作。电机连续工作达到设定时间后，就停止工作进行散热。散热时间过后，电机继续工作。反复工作状态下，每工作一次进行一次散热。上述方法在天窗机械状态发生变化，电机负载增大的情况下，不能有效保证电机的安全运行。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种有效计算汽车天窗用驱动电机温度的方法及装置。

本发明的一种汽车天窗驱动电机的温度计算方法，所述方法包括：

S1：获取汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值T_i-1；

S2：获取所述电机当前时刻的发热值T_f；

S3：获取所述电机当前时刻的散热值T_dec；

S4：根据所述电机前一时刻温度值T_i-1、当前时刻发热值T_f和当前时刻散热值T_dec，获取所述电机当前时刻的温度值T_i，并存储；

T_i＝T_i-1+T_f-T_dec；i表示当前时刻。

优选的是，所述电机当前时刻的发热值T_f为：

其中，U表示电机的输入电压，K_t表示电机转矩系数，ω表示电机角速度，

R₀表示电机0℃下的内阻值，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间，λ为电阻经验补偿系数。

优选的是，所述电机当前时刻的散热值T_dec：

T_dec＝(T_i-1-T_e)C_cooling；

其中，T_e表示周围介质温度，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间。

本发明还提供一种汽车天窗驱动电机的温度计算装置，所述装置包括：

温度存储模块，用于存储汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值和当前时刻的温度值T_i-1；

发热值计算模块，用于计算所述电机当前时刻的发热值T_f；

散热值计算模块，用于计算所述电机当前时刻的散热值T_dec；

当前时刻温度计算模块：用于根据电机的前一时刻温度值T_i-1、当前时刻的发热值T_f和当前时刻的散热值T_dec，计算所述电机的当前时刻的温度值T_i；

T_i＝T_i-1+T_f-T_dec；i表示当前时刻；

散热控制模块，用于根据所述电机当前时刻的温度值T_i，确定所述电机是否进行散热。

优选的是，所述发热值计算模块中，计算的所述电机当前时刻的发热值T_f为：

其中，U表示电机的输入电压，K_t表示电机转矩系数，ω表示电机角速度，

R₀表示电机0℃下的内阻值，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间，λ为电阻经验补偿系数。

优选的是，所述散热值计算模块中，计算的所述电机当前时刻的散热值T_dec为：

T_dec＝(T_i-1-T_e)C_cooling；

其中，T_e表示电机周围介质温度，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明利用电机前一时刻温度值、当前时刻的发热值和当前时刻的散热值计算电机当前时刻的温度值，根据电机当前时刻的温度值判定该电机是否需要散热，进而实现热保护。经验证，本发明获得的天窗驱动电机的温度与实际天窗驱动电机的温度运行趋势相符合，且运行全过程中，本发明获取的天窗驱动电机的温度误差在实际温度的10％以内，进而可以证明有效性。所以本发明能安全有效的保证天窗驱动电机不会因为运行过热而烧毁。驱动电机在不同温度下运行特性也不同，在对于天窗马达运行特性要求比较高的工况下，采用该种方法，能够有助于识别马达的性能变化。

附图说明

图1为本发明的温度计算方法的流程示意图；

图2为实际搭载天窗负载的电机运行温度曲线和本发明获取的电机温度曲线对比图，其中，纵坐标表示温度，单位℃，横坐标表示采样时间，单位为s。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

在研究电机的发热过程时，假设所研究铁心和绕组是一个均匀的物体，假定在单位时间内产生的热量为Q，它的一部分热量将使该物体的温度升高，另一部分热量将散发到周围介质中去。

根据能量守恒原则，电机的能量平衡方程式为：

cmΔT+a_sATΔt＝Q (1)

式中：T为电机相对周围介质的温度，单位为℃，T_e为周围介质温度，T_i为当前电机温度，则T＝T_i-T_e；

Δt为采样时间，单位为s；

ΔT为Δt时间前后电机温度变化，单位为℃，T_i-1为Δt时刻前的电机温度，则ΔT＝T_i-T_i-1；

c为电机的比热容，单位为J/(kg·℃)；

m为电机的质量，单位为kg；

a_s为电机的表面散热系数，单位为W/(cm²·℃)；

A为电机的表面散热面积，单位为cm²；

令μ＝a_sA，则(1)式可变为如下形式：

cm(T_i-T_i-1)+μ(T_i-T_e)Δt＝Q (2)

对上式进行整理，T_i在等式左边，其他放等式右边，则：

对Q进行如下处理：Δt时间内电机发热量等于Δt时间内电机的输入电能(即UIΔt)减去Δt时间内电机的输出机械能(即T_tqωΔt)，所以Δt时间内电机发热量Q可以由下式进行计算：

Q＝(UI-T_tqω)Δt (4)

式中：

U为电机输入电压，单位为V；

I为电机输入电流，单位为A；

T_tq为电机输出转矩，单位为Nm；

ω为电机角速度，单位为rad/s；

根据电机通电后的感应电动势以及和电压的关系：

E＝K_eω (5)

U＝E+IR (6)

T_tq≈T_{el_mg}＝K_tI (7)

式中：

K_e为感应电动势系数，单位为V/rad；

K_t为转矩系数，单位为Nm/A；

E为感应电动势，单位为V；

ω为电机角速度，单位为rad/s；

U为电机输入电压，单位为V；

I为电机输入电流，单位为A；

R为电机内阻，单位为Ω；

T_tq为电机输出扭矩，单位为Nm；

T_{el_mg}为电机电磁转矩，单位为Nm；

而根据法拉第电磁感应定律、安培力公式以及牛顿力学有如下关系：

E＝BL V＝BL r*ω (8)

T_{el_mg}＝Fr＝BLIr＝BLr*I (9)

因此，K_e＝BLr＝K_t；

对于K_e与K_t的关系，也可以从直流电机的基本方程得出，具体推导如下所示，

式中：

Z_a为电枢绕组的总导体数，单位为1；

a_＝为并联支路数的一半，单位为1；

p为电机的极对数，单位为1；

n为电机转速，单位为rpm；

φ为电机每极的总磁通量，单位为Wb；

将电机转速n转换为角速度，有如下关系，

将上式代入(10)式，有

对比(5)式、(6)式、(11)式和(13)式，有

由(5)(6)(7)、(14)式，整理可得：

将(15)、(16)式代入(4)式，可得：

将(17)式代入根据公式(3)式，可得：

电机内阻R受温度影响，进行温度补偿，

R＝(1+λT_i-1)R₀ (20)

式中：

λ为电阻经验补偿系数，可以通过实际标定获得。

R₀为电机0℃下内阻值，单位为Ω；

将(20)式代入(18)式，得：

令有：

根据(22)式可知，电机当前时刻的温度值T_i由电机前一时刻温度值T_i-1、当前时刻发热值和当前时刻散热值组成；

本实施方式提供一种汽车天窗驱动电机的热保护方法如图1所示，包括：

S1：获取汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值T_i-1；

S2：获取所述电机当前时刻的发热值T_f；

S3：获取所述电机当前时刻的散热值T_dec；

S4：根据所述电机前一时刻温度值T_i-1、当前时刻发热值T_f和当前时刻散热值T_dec，获取所述电机当前时刻的温度值T_i，并存储；

T_i＝T_i-1+T_f-T_dec；i表示当前时刻；

S5：根据所述电机当前时刻的温度值T_i，确定所述电机是否进行自我保护；

当T_i高于散热阈值,电机进行散热,转入S6，否则,电机继续工作，转入步骤1；

S6：执行S1至S4，获取所述电机当前时刻的温度值T_i，根据该温度值T_i，确定电机是否停止散热。

当T_i低于工作阈值,电机正常工作，否则，继续散热；

本实施方式的工作阈值要低于散热阈值；

本实施方式分别获取电机前一时刻温度值、当前时刻的发热值和当前时刻的散热值,再根据T_i＝T_i-1+T_f-T_dec计算电机当前时刻的温度值，根据电机当前时刻的温度值判定该电机是否需要散热，进而实现热保护。同时本实施方式在散热时,还可以根据电机当前时刻的温度值,判定是否需要继续散热。

优选实施例中，电机当前时刻的发热值T_f为：

本实施方式的λ＝000426；

由于天窗控制器所选用的马达通常体积较小，存在散热系数比较难求取的问题，所以C_heating的值，可以通过在不同环境温度，不同电压等级下的标定试验来确定。

电机当前时刻的散热值T_dec：

T_dec＝(T_i-1-T_e)C_cooling。

本实施方式具体给出了电机当前时刻的发热值T_f和电机当前时刻的散热值T_dec具体计算方法，根据这种计算方法获取的电机当前时刻的温度值与电机实际的温度值非常接近，误差在实际温度的10％以内。所以本实施方式可以有效安全的保证天窗驱动电机不会因为运行过热而烧毁。

本实施方式还提供一种汽车天窗驱动电机的热保护装置，所述装置包括：

温度存储模块，用于存储汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值和当前时刻的温度值T_i-1；

发热值计算模块，用于计算所述电机当前时刻的发热值T_f；

散热值计算模块，用于计算所述电机当前时刻的散热值T_dec；

当前时刻温度计算模块：用于根据电机的前一时刻温度值T_i-1、当前时刻的发热值T_f和当前时刻的散热值T_dec，计算所述电机的当前时刻的温度值T_i；

T_i＝T_i-1+T_f-T_dec；i表示当前时刻；

散热控制模块，用于根据所述电机当前时刻的温度值T_i，确定所述电机是否进行自我保护；

优选实施例中，在电机进行散热时，所述散热控制模块，还用于获取所述电机当前时刻的温度值T_i，根据该温度值T_i，确定电机是否停止散热。

优选实施例中，发热值计算模块中，计算的所述电机当前时刻的发热值T_f为：

散热值计算模块中，计算的所述电机当前时刻的散热值T_dec为：

T_dec＝(T_i-1-T_e)C_cooling。

图2为实际搭载天窗负载的电机运行温度曲线和利用本实施方式的方法和装置获取的电机温度曲线对比图。从图2可知，通过本实施方式获取的天窗驱动电机温度与实际电机温度运行趋势相符合，且运行全过程中，本实施方式获取的天窗驱动电机温度误差在实际温度的10％以内。进而可以证明本实施方式的有效性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种汽车天窗驱动电机的温度计算方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：获取汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值T_i-1；

S2：获取所述电机当前时刻的发热值T_f；

S3：获取所述电机当前时刻的散热值T_dec；

S4：根据所述电机前一时刻温度值T_i-1、当前时刻发热值T_f和当前时刻散热值T_dec，获取所述电机当前时刻的温度值T_i，并存储；

T_i＝T_i-1+T_f-T_dec；i表示当前时刻。

2.根据权利要求1所述的温度计算方法，其特征在于，所述电机当前时刻的发热值T_f为：

其中，U表示电机的输入电压，K_t表示电机转矩系数，ω表示电机角速度，

R₀表示电机0℃下的内阻值，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间，λ为电阻经验补偿系数。

3.根据权利要求1或2所述的温度计算方法，其特征在于，所述电机当前时刻的散热值T_dec：

T_dec＝(T_i-1-T_e)C_cooling；

其中，T_e表示周围介质温度，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间。

4.一种汽车天窗驱动电机的温度计算装置，其特征在于，所述装置包括：

温度存储模块，用于存储汽车天窗驱动电机前一时刻的温度值和当前时刻的温度值T_i-1；

发热值计算模块，用于计算所述电机当前时刻的发热值T_f；

散热值计算模块，用于计算所述电机当前时刻的散热值T_dec；

当前时刻温度计算模块：用于根据电机的前一时刻温度值T_i-1、当前时刻的发热值T_f和当前时刻的散热值T_dec，计算所述电机的当前时刻的温度值T_i；

T_i＝T_i-1+T_f-T_dec；i表示当前时刻；

散热控制模块，用于根据所述电机当前时刻的温度值T_i，确定所述电机是否进行散热。

5.根据权利要求4所述的温度计算装置，其特征在于，所述发热值计算模块中，计算的所述电机当前时刻的发热值T_f为：

其中，U表示电机的输入电压，K_t表示电机转矩系数，ω表示电机角速度，

R₀表示电机0℃下的内阻值，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间，λ为电阻经验补偿系数。

6.根据权利要求4或5所述的温度计算装置，其特征在于，所述散热值计算模块中，计算的所述电机当前时刻的散热值T_dec为：

T_dec＝(T_i-1-T_e)C_cooling；

其中，T_e表示电机周围介质温度，c表示电机的比热容，m表示电机的质量，μ＝a_sA，a_s表示电机的表面散热系数，A表示电机的表面散热面积，Δt表示采样时间。