CN111196145B - 一种冷却用风扇的转速控制方法及装置、车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却用风扇的转速控制方法及装置、车辆。通过获取冷却介质的温度及温度变化信息，当冷却介质温度小于目标温度设定值时，若处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小，若处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；当冷却介质温度大于目标温度设定值时，若处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加，若处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加，对不同的状态的控制风扇转速，实现了冷却介质精准、快速的接近目标温度，提高了调速效果和效率。

Description

一种冷却用风扇的转速控制方法及装置、车辆
技术领域
本发明涉及热管理技术领域，特别是一种冷却用风扇的转速控制方法及装置、车辆。
背景技术
车用冷却系统中风扇的主要作用是强迫外部空气流过换热器芯体并进行强制换热，从而使得发动机、空调等系统的废热能够及时散发至外界环境中。传统的车用冷却风扇一般由发动机直接驱动，风扇转速与发动机转速耦合，无法根据实际散热需求主动调节转速，仅能根据车辆负荷状态改变运行转速，由此不可避免地会造成冷却能力过剩，且冷却系统能耗增加。因此如何实现风扇能够根据实际散热需求主动调整运行参数，同时保证自身能耗最低一直是本领域技术人员关注的重点工作。近年来，电子风扇开始逐渐在车用冷却模块中普及，为实现冷却风扇的主动控制提供了途径。
采用电子风扇的一个主要优势在于布置灵活，可以根据散热需求设计不同风扇数目的组合型式，即多风扇结构。对于该结构，除了风扇转速外，还可调整风扇运行数目。由于多出一个控制参数，风扇整体性能的控制范围更广，因此对相应控制器的设计也提出了更高的要求。
随着电控技术在车辆上普及应用，EMP等零部件供应商采用电控风扇来替代传统的机械(硅油离合器)风扇，该风扇由直流电机驱动，并可实现反馈控制。有中国专利申请公布号为CN106368790A的发明专利申请文件公开了一种基于PID算法的发动机冷却风扇调速方法，由发动机ECU控制单元对冷却风扇转速进行控制，具有步骤如下：步骤1：汽车行驶时，发动机冷却液温度传感器将发动机冷却液的温度信号传递给发动机ECU控制单元；步骤2：温度信号经过发动机ECU控制单元输出控制信号传递给PID控制器；步骤3：PID控制器根据接收到的控制信号来调控驱动电机的转速，驱动电机改变冷却风扇的转速，冷却风扇传感器采集冷却风扇的转速信息反馈至发动机ECU控制单元，实现对冷却风扇进行自动调速。但是上述方法没有给出具体的根据温度信号如何控制风扇转速，一般控制策略为温度越高风扇转速越大，温度越小风扇转速越小，因此，其无法根据温度变化情况对风扇进行控制，控制精度不高，调速效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却用风扇的转速控制方法及装置、车辆，用以解决现有冷却用风扇转速控制不精确导致调速效果差、效率低的问题。
为了实现冷却用风扇的精准调速，解决现有冷却用风扇转速控制不精确导致调速效果差、效率低的问题。本发明提供一种冷却用风扇的转速控制方法，包括以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态；
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加。
有益效果是，通过分析当前冷却介质温度以及温度变化率，针对不同的状态精准的控制风扇转速，实现冷却介质精准的、快速的接近目标温度设定值，得到了较好的调速效果和效率。
进一步地，为了实现风扇运行数目及其转速的组合变化，提升控制精度，该转速控制方法还根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据所述实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目，由于风扇在高转速运行时功耗较高，且功率较低，因此在满足散热需求的前提下显著降低风扇系统能耗，特别在低散热负荷工况，由于风扇运行数目减小，各风扇可运行在较高的效率区间内，从而提高了多风扇系统的整体效率。
进一步地，为了使得上述控制方法更加完善，在不需要温度调节时进行保持，当冷却介质温度与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，保持当前风扇转速。
本发明提供一种冷却用风扇的转速控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态；
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加，通过分析当前冷却介质温度以及温度变化率，针对不同的状态精准的控制风扇转速，实现冷却介质精准的、快速的接近目标温度设定值，得到了较好的调速效果和效率。
进一步地，为了实现风扇运行数目及其转速的组合变化，提升控制精度，该转速控制装置还根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据所述实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目。
进一步地，为了使得上述装置的控制更加完善，在不需要温度调节时进行保持，该装置在当冷却介质温度与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，保持当前风扇转速。
本发明提供一种车辆，包括车辆本体、用于对冷却介质进行降温的冷却风扇和用于控制所述冷却风扇转速的控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态；
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加，通过分析当前冷却介质温度以及温度变化率，针对不同的状态精准的控制风扇转速，实现冷却介质精准的、快速的接近目标温度设定值，得到了较好的调速效果和效率。
进一步地，为了实现风扇运行数目及其转速的组合变化，提升控制精度，该控制装置还根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据所述实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目。
进一步地，为了使得上述控制方法更加完善，在不需要温度调节时进行保持，该车辆在当冷却介质温度与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，保持当前风扇转速。
附图说明
图1是本发明的一种冷却用风扇的转速控制方法原理图；
图2是本发明的一种模糊控制的推理MAP图；
图3是本发明的一种风扇运行数目、转速以及能耗与换热量的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供一种冷却用风扇的转速控制方法，包括以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态。
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；以及当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加。
该控制方法可以通过处理器、存储器和程序构成的控制器的方式实现，原理如图1所示，该控制器主要包含模糊化接口、规则库、推理机和解模糊接口四个环节，以冷却介质温度与目标温度设定值的差值e，冷却介质温度变化率ec作为控制器输入信号；以冷却风扇的转速增量Δu作为控制器的输出量。
控制器中建立有规则库，原则如下：
R1：当冷却介质温度Te小于目标温度设定值Ted且温度有下降趋势时，风扇转速应大幅减小，以降低通过冷却模块的空气流量，例如，以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小，其中转速大幅度减小变化率阈值可以为一个定值，大于或者等于该值的转速变化率可以是定值也可以一个变化值；上述转速大幅度减小变化率阈值可以根据冷却介质温度和温度变化率标定得到。
R2：当冷却介质温度小于目标温度设定值且温度有上升趋势时，此时系统本身已有减少偏差的趋势，为尽快消除偏差且避免超调，风扇转速应小幅减小，使冷却介质能够较快地接近目标温度，例如，以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小，其中转速小幅度减小变化率阈值为一个定值，小于或者等于该值的转速变化率可以是定值也可以一个变化值；上述转速大幅度减小变化率阈值可以根据冷却介质温度和温度变化率标定得到。
R3：当冷却介质温度等于或接近目标温度设定值时，且温度变化趋势较小，风扇转速应保持不变。具体的为，当冷却介质温度等于与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，采取的控制是保持当前风扇转速。
R4：当冷却介质温度大于目标温度设定值且温度有下降趋势时，风扇转速应小幅增加，使冷却介质温度能够较快地接近目标温度例如，以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加，其中转速小幅度增加变化率阈值为一个定值，小于或者等于该值的转速变化率可以是定值也可以一个变化值；上述转速小幅度增加变化率阈值可以根据冷却介质温度和温度变化率标定得到。
R5：当冷却介质温度大于目标温度设定值且温度有上升趋势时，风扇转速应大幅增加，以提高通过冷却模块的空气流量，例如，以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加，其中转速大幅度增加变化率阈值为一个定值，小于或者等于该值的转速变化率可以是定值也可以一个变化值；上述转速大幅度增加变化率阈值可以根据冷却介质温度和温度变化率标定得到。
控制器输入值同所有规则前件进行对比，确定出所适用的规则及其置信度。在此基础上计算出输出结论的模糊集及其置信度，并得到最终的蕴涵模糊集合。采用重心法对模糊子集进行解模糊，得到用于控制的推理MAP图，如图2所示，该重心法可采用现有技术中算法或者在现有算法基础上作相应的变化即可实现。
另外，为了实现风扇运行数目及其转速的组合变化，提升控制精度，该控制方法还根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目，一般采用非线性的正向关系，例如，可定义实际所需换热量的一个范围对应一种运行风扇数目。
已知在冷却液流量一定的前提下，散热器目标换热量取决于实际冷却液温度与目标温度之差，因此当发动机冷却液出口实际温度与目标温度之差增大时，散热器的目标换热量增加，即需要风扇转速增加提升进气量以匹配散热器的实际换热需求。
以6个风扇构成的系统为例：
由冷却介质温度传感器感应实际温度T1，结合目标温度Ted，推算当前实际所需换热量；如图3所示，根据风扇运行数目与换热量的关系，推算风扇运行数目，并确定相应的转速变化区间；图3中：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6为不同换热量区间边界，且Q1<Q2<Q3<Q4<Q5<Q6。
由于风扇在高转速运行时功耗较高，且功率较低，如此设置可在满足散热需求的前提下显著降低风扇系统能耗，特别在低散热负荷工况，由于风扇运行数目减小，各风扇可运行在较高的效率区间内，从而提高了多风扇系统的整体效率。
将上述的控制方法可以通过存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序等构成的转速控制装置实现，该转速控制装置中的处理器执行程序即可实现上述方法步骤；但上述控制方法的实施并不局限于此转速控制装置，还可通过应用环境中的一些现有控制器实现。
另外，上述控制方法和转速控制装置可用于车辆中的发动机等需散热设备的冷却降温，通过设置相应的冷却风扇对冷却介质进行降温，该散热风扇的转速控制采用上述的控制方法。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种冷却用风扇的转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态；
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加。
2.根据权利要求1所述的冷却用风扇的转速控制方法，其特征在于，该转速控制方法还根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据所述实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目。
3.根据权利要求2所述的冷却用风扇的转速控制方法，其特征在于，当冷却介质温度与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，保持当前风扇转速。
4.一种冷却用风扇的转速控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态；
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加。
5.根据权利要求4所述的冷却用风扇的转速控制装置，其特征在于，该转速控制装置还根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据所述实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目。
6.根据权利要求5所述的冷却用风扇的转速控制装置，其特征在于，当冷却介质温度与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，保持当前风扇转速。
7.一种车辆，其特征在于，包括车辆本体、用于对冷却介质进行降温的冷却风扇和用于控制所述冷却风扇转速的控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)获取冷却介质的温度及温度变化信息，根据冷却介质的温度信息判断冷却介质温度与目标温度设定值的大小关系，根据冷却介质的温度变化信息判断冷却介质温度处于上升状态或者下降状态；
2)当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度小于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度减小变化率阈值的转速变化率减小；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于上升状态时，控制风扇转速以大于或者等于转速大幅度增加变化率阈值的转速变化率增加；
当冷却介质温度大于目标温度设定值，且处于下降状态时，控制风扇转速以小于或者等于转速小幅度增加变化率阈值的转速变化率增加。
8.根据权利要求7所述的车辆，其特征在于，该控制装置根据冷却介质的温度信息与目标温度设定值的误差值得到实际所需换热量，根据所述实际所需换热量与运行风扇数目的线性或非线性正向关系控制风扇运行的数目。
9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于，当冷却介质温度与目标温度设定值的误差值小于或者等于下限误差阈值，且冷却介质温度的温度变化率小于或者等于下限变化率阈值时，保持当前风扇转速。
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