CN111005798B - 一种基于散热量的风扇电机转速精确控制方法 - Google Patents

一种基于散热量的风扇电机转速精确控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机技术领域，公开了一种基于散热量的风扇电机转速精确控制方法，通过多点布置的温度传感器监测得到车辆散热器的进水温度以及进风温度的平均值，再根据预先设定好的出水温度，计算出换热器总的散热量。反过来，根据散热器的结构、换热面积、传热系数、进风温度，反推出进风流量。根据得到的进风流量以及风扇性能曲线，设定对应转速下的PWM信号的控制量。同时为了有效避免风扇转速的频繁波动，设定一个阈值，即所求出的风量变化范围在百分之十内，不进行风扇电机转速的调整。本发明可以根据车辆发热元件实际的散热需求，通过精确的计算，获取散热所需的实际风量，以此对风扇转速进行精确控制。

Description

一种基于散热量的风扇电机转速精确控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种基于散热量的风扇电机转速精确控制方法。
背景技术
目前无论是传统的内燃机车的发动机、新能源汽车的电池和驱动电机甚至是高铁动车组都需要进行热管理。散热的性能的好坏与散热快慢对汽车零配件的使用寿命和使用性能有很大的作用，对车辆安全也有较大影响。
当下车辆的冷却系统大多采取液冷耦合风冷的方式，即对发热元件添加冷却水套或者液冷板，通过冷却液将发热元件的热量带离，再将热交换后的冷却液通入散热器中，通过自然风冷或电子风扇进行强迫对流换热，最终将冷却后的液体泵至水箱，如此循环。这样做的好处在于，液冷可以较快得将热量带走，保证车辆各个元件保持在合理的工作温度范围。
目前的热管理系统中，风扇或电机的转速控制，都是针对单一的冷却液进口温度作为判断阈值，这使风扇或电机的转速无法精确与散热量相匹配，如专利申请CN201721171741(专利名称为“一种电池水冷板”)，专利申请号CN201620152068.6(专利名称为“发动机冷却风扇控制装置”)等，都是通过单一的温度检测，经过多次阈值判断，来实现风扇转速的控制，并没有从换热量的实际需求值出发进行调节。
发明内容
为了解决现有技术中风扇或电机的转速无法精确与散热量相匹配的问题，本发明提出了基于散热量的风扇电机转速精确控制方法，该方法可以根据车辆发热元件实际的散热需求，通过精确的计算，获取散热所需的实际风量，以此对风扇转速进行精确控制。
具体而言，本发明采用的技术方案，包括如下步骤：
步骤1：计算散热器传热表面的几何特性，包括内侧外侧的当量直径和总换热面积A；
步骤2：根据传感器检测的进水温度tw1、设定的出水温度tw2和设定的冷却液质量流量qm,w，计算得到水流所需换热量Qw，方程式如下；
Qw＝qm,w×Cp,w×(tw1-tw2)
所述Cp,w为冷却液质量比热；
步骤3：假设散热器的出风温度的值为t'a2，根据热平衡方程式Qa＝Qw计算得到风冷质量流量qm,a，其中Qa为空气所需换热量：
Qa＝qm,a×Cp,a×(t'a2-ta1)
所述Cp,a为空气的质量比热，所述ta1为传感器检测的进风温度；
步骤4：根据已有的散热器结构以及内侧外侧的当量直径、流速，得到水侧和气侧的对流换热系数hw、ha，并以气侧换热面积为基准计算出总换热系数K，其中，Fa为气侧换热面积，Fw为水侧换热面积，η为翅片效率：
Figure GDA0003156122280000021
步骤5：根据Q'＝Qa，反推出此时的出风温度ta2，其中Q'代表此时所需的散热量，并有：
Q'＝K×A×Δt
其中，Δt由对数平均温差公式表示：
Figure GDA0003156122280000022
比较ta2和t'a2，当两者间相对误差大于预设的第一差值，则返回步骤3，重新假设，直到两者相对误差小于等于预设的第一差值。
步骤6：根据满足要求的出风温度的值t'a2，反推得到实际需求的风冷质量流量qm,a；将单片机计算获得的风冷质量流量qm,a和上一时刻的流量值进行比对，若两者相差小于预设的第二差值，则保持当前数值不变，否则替换当前风冷质量流量，根据具体风扇的特性曲线输出与替换值相匹配的PWM信号占空比，以控制风扇电机转速。
进一步而言，所述预设的第一差值为1％。
进一步而言，所述预设的第二差值为10％。
进一步而言，所述传感器为多点布置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：相比于传统的控制策略，本发明可以实现车辆在不同环境下，散热器冷却风扇转速的实时的动态调整，将实际需求的换热量做为判断值，保证了换热需求的同时也避免的不必要的车载功耗；控制阈值由计算获得，可以精确控制风扇，使风扇输出与散热需求相匹配的转速；计算中结合了大量传感器获取的实际温度数值，将冷却液温度和空气温度同时作为判断的依据，极大限度的提高了换热效率，同时降低了车辆的能耗，增加了续航里程。
附图说明
图1：热管理系统预测和控制示意图。
图2：本发明控制策略流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
实施例1：
如图1所示，本实施例通过多点布置的温度传感器监测得到车辆散热器的进水温度以及进风温度的平均值，再根据预先设定好的出水温度，计算出散热器总的散热量。反过来，根据散热器的结构、换热面积、传热系数、进风温度，反推出进风流量。根据得到的进风流量以及风扇性能曲线，设定对应转速下的PWM信号的控制量。同时为了有效避免风扇转速的频繁波动，设定一个阈值，即所求出的风量变化范围在百分之十内，不进行风扇电机转速的调整。其中涉及到的主要参数有：进水温度tw1(传感器检测获取)、出水温度tw2(设定值)、进风温度ta1(传感器检测获取)、出风温度ta2(计算获取)、冷却液质量流量qm,w、风冷质量流量qm,a(计算获取)、冷却液质量比热Cp,w(设定值)、空气的质量比热Cp,a、总传热系数K和总换热面积A等。具体控制策略如图2所示：
步骤1：计算散热器传热表面的几何特性，包括内侧外侧的当量直径和总换热面积A；
步骤2：根据传感器检测的进水温度tw1、设定的出水温度tw2和设定的水流量qm,w，计算得到水流所需换热量Qw，方程式如下；
Qw＝qm,w×Cp,w×(tw1-tw2)
步骤3：假设散热器的出风温度的值为t'a2，根据热平衡方程式Qa＝Qw计算得到风冷质量流量qm,a，其中Qa为空气所需换热量：
Qa＝qm,a×Cp,a×(t'a2-ta1)
步骤4：根据已有的散热器结构以及内侧外侧的当量直径、流速，得到水侧和气侧的对流换热系数hw、ha，并以气侧换热面积为基准计算出总换热系数K，其中，Fa为气侧换热面积，Fw为水侧换热面积，η为翅片效率：
Figure GDA0003156122280000031
步骤5：根据Q'＝Qa，反推出此时的出风温度ta2，其中Q'代表此时所需的散热量，并有：
Q'＝K×A×Δt
其中，Δt由对数平均温差公式表示：
Figure GDA0003156122280000041
比较ta2和t'a2，当两者间相对误差大于1％，则返回步骤3，重新假设，直到两者相对误差小于等于1％。
步骤6：根据满足要求的出风温度的值t'a2，反推得到实际需求的风冷质量流量qm,a；
同时为了有效避免风扇转速的频繁波动，设定一个阈值，即将单片机计算获得的风冷质量流量qm,a和上一时刻的风冷质量流量进行比对，若两者相差小于10％，则保持当前数值不变；若两者相差大于等于10％，则替换当前风冷质量流量，根据具体风扇的特性曲线输出与替换值相匹配的PWM信号占空比，以控制风扇电机转速。

Claims (4)

1.一种基于散热量的风扇电机转速精确控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：计算散热器传热表面的几何特性，包括内侧外侧的当量直径和总换热面积A；
步骤2：根据传感器检测的进水温度tw1、设定的出水温度tw2和设定的冷却液质量流量qm,w，计算得到水流所需换热量Qw，方程式如下；
Qw＝qm,w×Cp,w×(tw1-tw2)
所述Cp,w为冷却液质量比热；
步骤3：假设散热器的出风温度的值为t'a2，根据热平衡方程式Qa＝Qw计算得到风冷质量流量qm,a，其中Qa为空气所需换热量：
Qa＝qm,a×Cp,a×(t'a2-ta1)
所述Cp,a为空气的质量比热，所述ta1为传感器检测的进风温度；
步骤4：根据已有的散热器结构以及内侧外侧的当量直径、流速，得到水侧和气侧的对流换热系数hw、ha，并以气侧换热面积为基准计算出总换热系数K，其中，Fa为气侧换热面积，Fw为水侧换热面积，η为翅片效率：
Figure FDA0003156122270000011
步骤5：根据Q'＝Qa，反推出此时的出风温度ta2，其中Q'代表此时所需的散热量，并有：
Q'＝K×A×Δt
其中，Δt由对数平均温差公式表示：
Figure FDA0003156122270000012
比较ta2和t'a2，当两者间相对误差大于预设的第一差值，则返回步骤3，重新假设，直到两者相对误差小于等于预设的第一差值；
步骤6：根据满足要求的出风温度的值t'a2，反推得到实际需求的风冷质量流量qm,a；将单片机计算获得的风冷质量流量qm,a和上一时刻的风冷质量流量进行比对，若两者相差小于预设的第二差值，则保持当前数值不变，否则替换当前风冷质量流量，根据具体风扇的特性曲线输出与替换值相匹配的PWM信号占空比，以控制风扇电机转速。
2.根据权利要求1所述的基于散热量的风扇电机转速精确控制方法，其特征在于：所述预设的第一差值为1％。
3.根据权利要求1所述的基于散热量的风扇电机转速精确控制方法，其特征在于：所述预设的第二差值为10％。
4.根据权利要求1～3任一所述的基于散热量的风扇电机转速精确控制方法，其特征在于：所述传感器为多点布置。
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Assignee: JIANGSU JIAHE THERMAL SYSTEM RADIATOR Co.,Ltd.

Assignor: JIANGSU University

Contract record no.: X2022980002307

Denomination of invention: A precise control method of fan motor speed based on heat dissipation

Granted publication date: 20210910

License type: Exclusive License

Record date: 20220309