CN109435680A - 车辆动力系统温度控制装置及其控制方法 - Google Patents

车辆动力系统温度控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆动力系统温度控制装置及其控制方法，该装置包括水泵（3）、被冷却装置（5）、散热风扇（7）、散热器（8）及管路（9），散热风扇设在散热器上，水泵和散热器通过管路形成冷却液循环结构，使冷却液流经被冷却装置；还包括第一温度传感器（2）、控制器（4）及第二温度传感器（6），第一温度传感器设在散热器的出水口上，第二温度传感器设在被冷却装置上，第一温度传感器和第二温度传感器的输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端通过控制线路与水泵和散热风扇的控制端连接。本发明能根据汽车行驶状态和动力系统的温度实时调整水泵和风扇功率，在满足散热需求基础上大幅度降低系统能量消耗，延长纯电动车续驶里程。

Description

车辆动力系统温度控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆动力系统，尤其涉及一种车辆动力系统温度控制装置及其控制方法。
背景技术
目前，应用于汽车上的动力系统冷却装置采用液冷循环系统控制温度，液冷循环系统由水泵驱动冷却液，当冷却液携带热量经过散热器时，冷却风扇带动外界空气流经散热器叶片并带走冷却液热量，从而达到降温目的。
在纯电动车上应用的水泵和冷却风扇为电驱动，水泵通常使用开关式水泵，车辆上电后水泵即以额定功率运转。当车辆运行负荷低、外界温度低时，动力系统散热需求较低，风扇和水泵以较低功率运行即可满足散热需求。而开关式水泵和风扇功率不可调整，导致散热功率浪费，降低了纯电动汽车的续驶里程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆动力系统温度控制装置及其控制方法，能根据汽车行驶状态和动力系统的温度实时调整水泵和风扇功率，在满足散热需求基础上大幅度降低系统能量消耗，延长纯电动车续驶里程。
本发明是这样实现的：
一种车辆动力系统温度控制装置，包括水泵、被冷却装置、散热风扇、散热器及管路，散热风扇设置在散热器上，水泵和散热器通过管路形成冷却液循环结构，使冷却液流经被冷却装置；
所述的车辆动力系统温度控制装置还包括第一温度传感器、控制器及第二温度传感器，第一温度传感器设置在散热器的出水口上，第二温度传感器设置在被冷却装置上，第一温度传感器和第二温度传感器的输出端分别与控制器的输入端连接，控制器的输出端通过控制线路与水泵和散热风扇的控制端连接。
所述的水泵为无级可调速水泵，散热风扇为无级可调速风扇。
所述的车辆动力系统温度控制装置还包括补液箱，补液箱通过管路与散热器连接。
一种车辆动力系统温度控制方法，包括如下步骤：
步骤1：车辆动力系统启动，系统上电，在控制器内存中读取目标控制温度；
步骤2：第一温度传感器检测散热器出水口的温度，第二温度传感器检测被冷却装置的温度，并发送至控制器；
步骤3：控制器接收油门位置信号和刹车位置信号，并根据油门位置信号和刹车位置信号和计算预测散热功率需求；
步骤4：控制器接收散热器出水口的温度和被冷却装置的温度，并根据预测散热功率需求设置散热风扇和水泵的转速，并将该转速信号通过控制线路发送至散热风扇和水泵；
步骤5：若系统未下电，转至步骤2；若系统下电，停止运行。
在所述的步骤4中，当散热器出水口温度小于等于散热风扇和水泵的启动温度时，散热风扇的转速设置为0，水泵的转速设置为最低转速；当散热器出水口温度高于散热风扇和水泵的启动温度时，散热风扇的转速设置为：
PWMfan=(f_uni(min(To，Tc))-Tonfan)/(Ttar-Tonfan)+α_fan×Preq (1)
式中：PWMfan为风扇转速设置参数，PWMfan的范围0-1，0为最低转速，1为最高转速；
min：取小函数；
To为散热器出水口温度；
Tc为被冷却装置温度；
f_uni：温度协调函数；
Tonfan为散热风扇启动温度；
Tar为目标控制温度；
α_fan为折算系数；
Preq为步骤4得到的预测散热功率；
水泵的转速设置为：
PWMpump= (f_uni(min(To，Tc))-Tonpump)/(Ttar-Tonpump)+α_pump×Preq (2)
式中：PWMpump为水泵转速设置参数，PWMpump的范围为0-1，0为最低转速，1为最高转速；
min：取小函数；
To为散热器出水口温度；
Tc为被冷却装置温度；
f_uni：温度协调函数；
Tonpump为水泵启动温度；
Tar为目标控制温度；
α_pump为折算系数；
Preq为步骤4得到的预测散热功率。
所述的启动温度设置为小于目标控制温度15摄氏度。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明采用无级可调的水泵和风扇，功率可以由控制器在零至满负荷间实时调整，以满足不同系统工况下的控制需求。
2、本发明的控制器采用功率预测算法，根据驾驶员对油门和刹车的操作预测动力系统发热量，并实时调整水泵和风扇功率，在满足温度控制目标的同时降低散热系统能量消耗。
3、本发明对于整车电气系统构架改动很小，在原开关泵基础上增加一个控制线路即可实现对水泵的调速控制，在原有控制器协议基础上增加油门和制动的总线信号即可，成本低，结构简单。
本发明采用无级可调的水泵和风扇，通过温度传感器采集冷却液温度、被控对象温度和环境温度并结合加速踏板、制动踏板开度的散热功率需求预测算法，实时调整水泵和风扇功率，在满足散热需求基础上大幅度降低系统能量消耗，节约了能量，延长纯电动车续驶里程。
附图说明
图1是本发明车辆动力系统温度控制装置的原理图；
图2是本发明车辆动力系统温度控制方法的流程图。
图中，1补液箱，2第一温度传感器，3水泵，4控制器，5被冷却装置，6第二温度传感器，7散热风扇，8散热器，9管路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，一种车辆动力系统温度控制装置，包括水泵3、被冷却装置5、散热风扇7、散热器8及管路9，散热风扇7设置在散热器8上，水泵3和散热器8通过管路9形成冷却液循环结构，使冷却液流经被冷却装置5；所述的车辆动力系统温度控制装置还包括第一温度传感器2、控制器4及第二温度传感器6，第一温度传感器2设置在散热器8的出水口上，第二温度传感器6设置在被冷却装置5上，第一温度传感器2和第二温度传感器6的输出端分别与控制器4的输入端连接，控制器4的输出端通过控制线路与水泵3和散热风扇7的控制端连接。优选的，控制器4可以采取独立设置的控制装置，也可将本发明的算法集成至整车控制器（ECU）中。控制器4采用独立设置的控制装置时，可以通过与整车控制器的通讯信号获取油门和刹车信号位置，也可以通过直接与油门、刹车装置上的位置传感器的信号通道获取油门和刹车装置的位置信号，信号通道可以是有线或无线形式的。如果控制器4集成在整车控制器（ECU）内部，可以共用整车控制器获取的油门和刹车位置信号。
优选的，第一温度传感器2和第二温度传感器6的使用数量可根据实际使用需求增减，每个有单独温度控制要求的被冷却装置5都可以安装温度传感器。优选的，所述的水泵3为无级可调速水泵，散热风扇7为无级可调速风扇，可以实现从零到最大功率无级可调。所述的车辆动力系统温度控制装置还包括补液箱1，补液箱1通过管路9与散热器8连接，用于补偿冷却液的热胀冷缩和损耗。所述的被冷却装置5包括电机、电机控制器等所有在系统中需要冷却的部件。
请参见附图2，一种车辆动力系统温度控制方法，包括如下步骤：
步骤1：车辆动力系统启动，系统上电，控制器4读取其内部存储器中预先设定的目标控制温度，目标控制温度的具体数值由被冷却装置5的供应商提供。
步骤2：第一温度传感器2检测散热器8出水口的温度，第二温度传感器6检测被冷却装置5的温度，并发送至控制器4。控制器4可以通过总线、专用信号通道等有线传输方式获取第一温度传感器2和第二温度传感器6的温度信号，也可通过无线传输的方式获取温度信号。
步骤3：控制器4接收油门位置信号和刹车位置信号，并根据油门位置信号和刹车位置信号计算预测散热功率需求。事先通过试验测试和数据回归分析，可以获得油门位置信号、刹车位置信号与动力系统的电机之间的发热功率的关系函数，将获得的油门位置信号、刹车位置信号代入上述函数中进行插值计算，即得到散热功率预测值。
步骤4：控制器4获取的散热器8出水口的温度、被冷却装置5的温度和步骤3中的预测散热功率需求，通过算法根据预测散热功率确定散热风扇7和水泵3的转速，并将该转速信号通过控制线路发送至散热风扇7和水泵3，使其按照计算的功率运行，达到控制被冷却装置5的工作温度的目的。控制器4对水泵3和散热风扇7的控制信号可以是通过总线形式或专用信号通道等形式传输。若散热器8出水口温度低于散热风扇7和水泵3的启动温度时，散热风扇转速设置为0，水泵3转速设置为最低转速（最高转速的10%）。当散热器8出水口温度高于散热风扇7和水泵3的启动温度时，散热风扇7的转速设置为：
PWMfan= (f_uni(min(To，Tc))-Tonfan)/(Ttar-Tonfan)+α_fan×Preq (1)
式中：PWMfan为风扇转速设置参数，范围0-1，0为最低转速，1为最高转速；
min：取小函数；
To为散热器8出水口温度；
Tc为被冷却装置5温度；
f_uni：温度协调函数，将不同温度范围内的温度处理成可直接比较大小的函数；
Tonfan为散热风扇7启动温度；
Tar为目标控制温度；
α_fan为折算系数，通过试验标定得到；
Preq为步骤4得到的预测散热功率。
水泵3的转速设置为：
PWMpump= (f_uni(min(To，Tc))-Tonpump)/(Ttar-Tonpump)+α_pump×Preq (2)
式中：PWMpump为水泵转速设置参数，范围0-1，0为最低转速，1为最高转速；
min：取小函数；
To为散热器8出水口温度；
Tc为被冷却装置5温度；
f_uni：温度协调函数，将不同温度范围内的温度处理成可直接比较大小的函数；
Tonpump为水泵3启动温度；
α_pump为折算系数，通过试验标定得到；
Preq为步骤4得到的预测散热功率。
其中，启动温度设置为目标控制温度减15摄氏度。
步骤5：若系统未下电，转至步骤2；若系统下电，停止运行，结束控制。
本发明采用的带有预测算法的全电驱动可调温度控制系统，具有高控制灵活性，水泵与风扇与动力系统转速解耦，能够较大幅度降低系统能量消耗。在一辆10米的大客车上进行测试，该客车的水泵3采用某型号可调泵，标称功率260W，散热风扇7采用两个相同规格的某型号风扇，单风扇标称功率500W，整车配用最高功率为170kW的电机，电机控制器的目标控制温度设为65℃，电机的目标控制温度设为170℃，采用转榖试验台进行测试，整车按65%载荷加载，测试时整车质量为15.9吨，测试环境温度为34℃，在中国典型城市公交循环工况下持续运行6个循环，并在运行结束后直至散热器出水口温度与环境温度的温差小于等于10摄氏度时才停止记录温度控制系统的能耗数据，根据驾驶员意图预测动力系统发热量，从而计算散热功率需求，根据散热功率需求，结合当前冷却液温度、被冷却对象温度以及温度控制目标按照表1和表2的规律设定水泵3与散热风扇7的控制参数（即水泵3与散热风扇7的转速）。测试结果表明，采用本发明的温度控制系统的功耗为52.8W，电机和电机控制器最高温度分别为83℃和47℃，完全满足控制要求，而作为对比采用传统冷却方式的大客车在相同的情况下（水泵采用开关式水泵）温度控制系统的功耗为242W，因此本发明具有明显节能效果，对于每天运行时长10小时以上的城市公交车，节能效果非常显著。
表1 水泵3的转速根据散热器8出水口温度的控制规律
散热器出水口温度t（℃） 水泵相对转速n（r/min）
t≤50 n=0.3
50＜t≤55 0.3＜n≤0.5
55＜t≤60 0.5＜n≤0.75
60＜t＜65 0.75＜n＜1
t≥65 n=1
注：水泵相对转速为当前转速与标称最高转速的比值
表2 散热风扇7的转速根据散热器8出水口温度的控制规律
散热器出水口温度t（℃） 散热风扇相对转速（r/min）
t≤50 n=0
50＜t≤55 0＜n≤0.3
55＜t≤60 0.3＜n≤0.8
60＜t＜65 0.8＜n＜1
t≥65 n=1
注：散热风扇相对转速为当前转速与标称最高转速的比值
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车辆动力系统温度控制装置，包括水泵（3）、被冷却装置（5）、散热风扇（7）、散热器（8）及管路（9），散热风扇（7）设置在散热器（8）上，水泵（3）和散热器（8）通过管路（9）形成冷却液循环结构，使冷却液流经被冷却装置（5）；
其特征是：所述的车辆动力系统温度控制装置还包括第一温度传感器（2）、控制器（4）及第二温度传感器（6），第一温度传感器（2）设置在散热器（8）的出水口上，第二温度传感器（6）设置在被冷却装置（5）上，第一温度传感器（2）和第二温度传感器（6）的输出端分别与控制器（4）的输入端连接，控制器（4）的输出端通过控制线路与水泵（3）和散热风扇（7）的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的车辆动力系统温度控制装置，其特征是：所述的水泵（3）为无级可调速水泵，散热风扇（7）为无级可调速风扇。
3.根据权利要求1所述的车辆动力系统温度控制装置，其特征是：所述的车辆动力系统温度控制装置还包括补液箱（1），补液箱（1）通过管路（9）与散热器（8）连接。
4.一种利用权利要求1或2所述的车辆动力系统温度控制装置的控制方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：车辆动力系统启动，系统上电，在控制器（4）内存中读取目标控制温度；
步骤2：第一温度传感器（2）检测散热器（8）出水口的温度，第二温度传感器（6）检测被冷却装置（5）的温度，并发送至控制器（4）；
步骤3：控制器（4）接收油门位置信号和刹车位置信号，并根据油门位置信号和刹车位置信号计算预测散热功率需求；
步骤4：控制器（4）接收散热器（8）出水口的温度和被冷却装置（5）的温度，并根据预测散热功率需求设置散热风扇（7）和水泵（3）的转速，并将该转速信号通过控制线路发送至散热风扇（7）和水泵（3）；
步骤5：若系统未下电，转至步骤2；若系统下电，停止运行。
5.根据权利要求4所述的车辆动力系统温度控制方法，其特征是：在所述的步骤4中，当散热器（8）出水口温度小于等于散热风扇（7）和水泵（3）的启动温度时，散热风扇（7）的转速设置为0，水泵（3）的转速设置为最低转速；当散热器（8）出水口温度高于散热风扇（7）和水泵（3）的启动温度时，散热风扇（7）的转速设置为：
PWMfan= (f_uni(min(To，Tc))-Tonfan)/(Ttar-Tonfan)+α_fan×Preq (1)
式中：PWMfan为风扇转速设置参数，PWMfan的范围0-1，0为最低转速，1为最高转速；
min：取小函数；
To为散热器（8）出水口温度；
Tc为被冷却装置（5）温度；
f_uni：温度协调函数；
Tonfan为散热风扇（7）启动温度；
Tar为目标控制温度；
α_fan为折算系数；
Preq为步骤4得到的预测散热功率；
水泵（3）的转速设置为：
PWMpump= (f_uni(min(To，Tc))-Tonpump)/(Ttar-Tonpump)+α_pump×Preq (2)
式中：PWMpump为水泵转速设置参数，PWMpump的范围为0-1，0为最低转速，1为最高转速；
min：取小函数；
To为散热器（8）出水口温度；
Tc为被冷却装置（5）温度；
f_uni：温度协调函数；
Tonpump为水泵（3）启动温度；
Tar为目标控制温度；
α_pump为折算系数；
Preq为步骤4得到的预测散热功率。
6.根据权利要求5所述的车辆动力系统温度控制方法，其特征是：所述的启动温度设置为小于目标控制温度15摄氏度。
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