CN106837508A - 用于控制冷却风扇的电动机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

描述一种包括冷却风扇的车辆，该冷却风扇可转动地联接于电动机，该电动机经由逆变器由直流电源电气地供电。一种用于控制冷却风扇的方法包括经由第一控制器监控车辆速度并且基于该车辆速度来选择用于电动机的优选操作状态。该优选操作状态包括第一指令、第二指令以及第三指令中的一个，该第一指令与控制冷却风扇以迫使空气通过冷却***相关联，该第二指令与风扇制动请求相关联，且第三指令与能量回收模式相关联。将来自第一控制器的离散信息通信至逆变器控制器，其中，该离散信息基于用于电动机的优选操作状态。该逆变器控制器响应于该离散信息控制逆变器以控制电动机。

Description

用于控制冷却风扇的电动机的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种冷却风扇的电动机，以及用于控制该电动机的操作的方法和***。
背景技术
车辆采用风扇来作为冷却***的一部分，这些风扇由电动机供电以驱动空气。已知的用于风扇的电动机可采用脉宽调制控制件来控制风扇速度。在高速巡航状况期间，当充足的冲压空气可用于将发动机冷却温度维持在预定限值内时，可将电动机切断。然而，跨过风扇的环境气流会导致该风扇转动。此种操作会致使气流偏转，且风扇和电动机可作为发电机来操作。已知的***可采用与用于电动机的驱动电路的直流电源总线串联的阻流二极管，以防止电力反向馈送到直流电源总线上。电力的反向馈送是由于在电动机绕组中引起的电压(通常称为反电动势或反电动势)超过施加于电动机控制器直流输入的电压。由于由电动机上风车效应所产生的反电动势，阻流二极管的使用可能在某些操作状况下、例如高速公路车辆速度下在电驱动端子处引起过压。此外，阻流二极管在直流电源总线上的使用会引起传导损耗并降低***效率。
发明内容
描述一种包括冷却风扇的车辆，该冷却风扇可转动地联接于电动机，该电动机经由逆变器由直流电源电气地供电。用于控制冷却风扇的方法包括经由第一控制器监控车辆速度，以及经由第一控制器来根据车辆速度选择对于电动机优选的操作状态。优选的操作状态包括第一指令、第二指令以及第三指令中的一个，该第一指令与控制冷却风扇以迫使空气通过冷却***相关联，该第二指令与风扇制动请求相关联，且该第三指令与能量回收模式相关联。来自第一控制器的离散信息与逆变器控制器通信，其中，该离散信息基于该电动机的优选操作状态。逆变器控制器响应于该离散信息来控制逆变器以控制电动机。
当结合附图时，从对其中一些最佳模式以及所附权利要求书中所限定的用于执行本教示的其他实施例的详细描述中，本教示的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
现在将借助示例参照附图来描述一个或多个实施例，其中：
图1和图2示意性地说明根据本发明的包括冷却***的车辆，该冷却***包括流体-空气热交换器和设置成将空气泵送通过该流体-空气热交换器的电动机和风扇；
图3示意性地示出根据本发明的用于控制电动机和风扇的实施例的操作的风扇制动控制例程，该电动机和风扇设置在参照图1和图2所描述的车辆上；并且
图4示意地示出根据本发明的用于控制电动机和风扇的实施例的操作的能量回收控制例程，该电动机和风扇设置在参照图1和图2所描述的车辆上。
具体实施方式
所披露的实施例的各部件、例如本文所描述和说明的各部件能以各种不同的构造来设置和设计。因此，以下详细描述并不意图限制本发明被要求的范围，而仅仅是本发明的可能实施例的表示。此外，虽然各种特定的细节在以下描述中进行了阐述以提供对本文所披露实施例的透彻理解，但一些实施例也能在不具有这些细节的一些或所有细节的情形下实践。此外，为了清晰起见，将不详细描述相关领域中公知的某些技术资料以免不必要地使本发明不明确。此外，附图是简化的形式并且没有按精确的比例。任何方向性术语不能理解为以任何方式限制的本发明的范围。此外，例如本文所说明和描述的那样，本发明可在缺少本文并未确切披露的任何元素的情形下实践。
现参照附图，其中相关描述仅仅是为了说明某些示例性实施例的目的而并非用于限制这些实施例，图1和图2示意性地说明车辆10的相关元件，该车辆包括冷却***，该冷却***包括流体-空气热交换器(散热器)11和设置成将空气泵送通过该流体-空气热交换器的风扇12。类似的附图标记在全文的各个图示中指代类似的元件。风扇12安装在轴元件上，该轴元件机械地联接于电动机14。在某些实施例中，采用包括散热器11和12的冷却***来管理内燃机的热传递，但是本文所描述的概念并不受此限制。车辆10可包括但不限于呈商用车、工业车辆、农业车辆、乘用车、飞行器、船舶、列车、全地形车辆、个人移动设备、机器人等等形式的移动平台，以实现本发明的目的。
多相逆变器电路(逆变器)30设置成控制流至电动机14的电力流，以控制风扇12的转动。逆变器控制器32与逆变器30通信，以控制该逆变器的操作。第一控制器20配置成经由逆变器控制器32的通信端口、较佳地采用单个离散的点对点通信链路22来与第一离散信息23直接地通信。第一控制器20还可配置成经由逆变器控制器32的通信端口、较佳地采用第二单个离散的点对点通信链路26来直接地接收描述风扇12的状态的第二离散信息25。替代地，第一控制器20可配置成采用无线连接将第一离散信息23直接地通信至逆变器控制器32的通信端口。此外，逆变器控制器32和第一控制器20可配置成经由局域网(“LAN”)通信总线24双向地通信。
电动机14可以是任何合适的电动机/发电机装置、例如多相无刷直流电动机。逆变器30经由电气总线34电气地连接于诸如发电机和/或电池之类的直流电源36，并且与逆变器控制器32通信。在一个实施例中，直流电源36将电力供应至电气总线34。可将电力额定成具有这样的***电压，该***电压在标称上额定在12Vdc、24Vdc、36Vdc、48Vdc或其它合适的电压额定值。直流电源36可包括电能存储装置，例如多单元电池或电容器或者其它合适的装置或***。逆变器30包括多个开关对，这些开关对包括高压侧开关42和低压侧开关44。高压侧开关42和低压侧开关44在跨过电气总线34的正负电轨的接合点46处串联地电气连接，且这些接合点46电气地连接于电动机14以将电力传递至该电动机。如图所示，电动机14和逆变器30配置成三相装置，其具有对应的三组高压侧开关42和低压侧开关44。高压侧开关42和低压侧开关44的每个均包括功率晶体管41，该功率晶体管电气地设置成与二极管43并联。功率晶体管41的每个均可以是任何合适的功率晶体管、例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET)，该功率晶体管被较佳地额定来用于连续的电动机失速电流。开关对42、44的每个对应于电动机14的其中一个相。逆变器32较佳地包括其它电气部件、包括电容器、电阻器以及其他电路部件，以实现与电气噪声抑制、电流感测、电压感测、温度感测、保护等相关的功能。
逆变器控制器32较佳地包括中央处理单元、存储器装置、控制器可执行指令组和输入/输出电路以及包括栅极驱动器的装置，这些装置与功率晶体管41的每个连通以控制该功率晶体管的开闭。输入/输出电路接收第一离散信息23，该第一离散信息经由离散的点对点通信链路22通信。控制器可执行指令组包括如下指令，这些指令解译经由离散的点对点通信链路22通信的第一离散信息23以及响应地指令栅极驱动器的操作以控制功率晶体管41的开闭。栅极驱动器的此种所指令的操作较佳地呈具有频率(Hz)和占空比(％)的脉宽调制(PWM)信号的形式。经由离散的点对点通信链路22从第一控制器20通信至逆变器控制器32的第一离散信息23也较佳地呈具有频率(Hz)和占空比(％)的脉宽调制(PWM)信号的形式，该信号可由逆变器控制器32解译。
第一控制器20较佳地配置成监控车辆操作，包括与车辆速度相关的操作、操作者对于推进的请求以及其它控制状态。第一控制器20也配置成执行控制例程，包括用以产生用于操作电动机14的指令的控制例程。示例例程参照图3和4进行描述。在一示例性实施例中，第一控制器20可以是发动机控制模块(ECM)或该发动机控制模块的一部分。
术语控制器、控制模块、模块、控制件、控制单元、处理器以及类似的术语指代专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)以及呈存储器和存储装置形式的相关联非瞬变存储器部件(只读、可编程只读、随机存取、硬驱动等等)的任何一种或各种组合。非瞬变存储器部件能够存储呈一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及能由一个或多个处理器访问来提供所描述的功能性的其它部件的形式的机器可读指令。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和相关联的装置，这些装置监控来自传感器的输入，以预设采样频率或者响应于触发事件监控这些输入。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法以及类似的术语意旨包括校准和查询表的任何控制器可执行指令组。每个控制器执行控制例程以提供期望的功能，包括监控来自感测装置以及其它联网控制器的输入以及执行控制和诊断指令来控制致动器的操作。例程能以规律的间隔、例如在运行操作期间每隔100微秒执行。替代地，例程可响应于触发事件的发生来执行。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可使用直接有线点对点链路、联网通信总线链路、无线链路或者任何其它合适的通信链路来实现。通信包括交换呈任何合适形式的数据信号，例如包括经由导电介质交换电信号、经由空气交换电磁信号、经由光波导管交换光信号等等。数据信号可包括表示来自传感器的输入的信号、表示致动器指令的信号以及控制器之间的通信信号。如本文所使用的，术语‘动态’和‘动态地’描述实时执行的步骤或过程，并且特征在于在执行例程期间或者执行例程的迭代之间监控或以其它方式确定参数的状态以及规律地或周期性地更新参数的状态。数据信号可包括表示来自传感器的输入的信号、表示致动器指令的信号以及控制器之间的通信信号。
图3示意性地示出用于控制电动机14和风扇12的实施例的操作的风扇制动控制例程300，该电动机和风扇设置在参照图1和图2描述的车辆10上。风扇制动控制例程300较佳地在第一控制器20中被周期性地执行，并且包括指令如下操作，以在特定的车辆操作状况期间，将制动转矩施加在电动机14上以防止风扇12由于冲压气流而空转。制动转矩的使用意图避免或最小化由于风扇12的空转而导致在逆变器30中产生反电动势的风险。本领域技术人员会意识到，未受控的反电动势会导致逆变器30、电气总线34和/或直流电源36发生过压状况，这会不利地影响一个或多个部件的使用寿命。提供表1来作为与风扇制动控制例程300相对应的关键因素，其中下文阐述标有数字的框块以及对应的功能。
表1
在低速车辆操作状况下，可指令电动机14关闭以使得电力的消耗最低。然而，会请求操作风扇12以影响通过散热器11的气流。在执行风扇制动控制例程300的每次迭代期间，确定风扇请求是否打开(302)，并且如果是的话(1)，产生第一指令F1以操作电动机14来操作风扇12以影响通过散热器11的气流(310)。第一指令F1作为第一离散信息23经由离散的点对点通信链路22通信至逆变器控制器32。逆变器控制器32解译第一离散信息23以确定第一指令F1，并且响应地控制逆变器30的操作。
当风扇请求停止(302)(0)时，例程300确定风扇制动请求是否是有效的(304)，并且如果不是的话(0)，例程300的迭代终止而不进一步动作，因此允许风扇12空转。当风扇制动请求是有效的(304)(1)时，将车辆速度与第一最低阈值速度S0(306)进行比较。如果车辆速度小于第一最低阈值速度S0(306)(0)，例程300的迭代终止而不进一步动作，因此允许风扇12空转。能以车辆速度阈值来校准第一最低阈值速度S0，以使得风扇12的空转会在逆变器30中产生反电动势的可能性最低，而反电动势会引起过压状况，且过压状况会不利地影响逆变器30的一个或多个部件的使用寿命或者在***中其它位置可能发生的其它不可预见的***响应。
当车辆速度大于第一最低阈值速度S0(306)(1)时，产生第二指令F0以制动风扇12，从而停止风扇的转动(308)。第二指令F0较佳地作为第一离散信息23经由离散的点对点通信链路22通信至逆变器控制器32。逆变器控制器32解译第一离散信息23以确定第二指令F0，并且响应地控制逆变器30的操作。控制逆变器30的操作以执行第二指令F0来制动风扇12可包括同时地启用所有高压侧开关42或者同时地启用所有低压侧开关44。同时地启用所有高压侧开关42或者同时地启用所有低压侧开关44用于使得到电动机14的电引线短路，以实现风扇轴上的制动转矩，该制动转矩防止风扇12转动，而不从直流电源36吸取任何电力。
借助非限制的示例，经由离散的点对点通信链路22从第一控制器20通信至逆变器控制器32的第一离散信息23可具有以下格式。频率、占空比以及风扇速度是对一个实施例的说明而非限制性的。
于是，可能有益的是，通过指令将制动转矩施加在电动机14上以防止风扇12由于冲压气流而空转并且由此防止由电动机反电动势所引起的过压，使得当并不指令风扇12打开时在高速度巡航状况期间由该风扇12引起的气流偏转最小化。此种操作也使得当并不指令风扇12打开时由该风扇所产生的可听噪声最低。
图4示意地示出用于控制电动机14和风扇12的实施例的操作的风扇能量回收控制例程400，该电动机和风扇设置在参照图1和2所描述的车辆10上。风扇能量回收控制例程400较佳地在第一控制器20中周期性地执行，并且包括指令如下操作：在特定的车辆操作状况期间，将反作用转矩施加在电动机14上以通过风扇12由于冲压气流产生电力。提供表2来作为与风扇能量回收控制例程400相对应的关键因素，其中下文阐述标有数字的框块以及对应的功能。
表2
在低速车辆操作状况下，可指令电动机14关闭以使得电力的消耗最低。然而，会请求操作风扇12以影响通过散热器11的气流。在执行风扇能量回收控制例程400的每次迭代期间，确定风扇请求是否打开(402)，并且如果是的话(1)，产生第一指令F1以操作电动机14来操作风扇12以影响通过散热器11的气流(410)。第一指令F1作为第一离散信息23经由离散的点对点通信链路22通信至逆变器控制器32。逆变器控制器32解译第一离散信息23以确定第一指令F1，并且响应地控制逆变器30的操作。
当风扇请求停止(402)(0)时，例程400确定风扇制动请求是否是有效的(404)，并且如果不是的话(0)，例程300的迭代终止而不进一步动作，因此允许风扇12空转。当风扇发电机模式是有效的(404)(1)时，将车辆速度与第二最低阈值速度S1进行比较，并且将***电压Vin与最大许可***电压V1(406)进行比较。如果车辆速度小于第二最低阈值速度S1或者***电压Vin大于最大许可***电压V1(406)(0)，例程400的此种迭代终止而不进一步动作，因此允许风扇12空转。能以车辆速度阈值来校准第二最低阈值速度S1，从而允许产生充足的能量来执行对直流电源36进行充电。
当车辆速度大于第二最低阈值速度S1并且***电压Vin小于最大许可***电压V1(406)(1)时，指令能量回收模式F2，以例如通过经由启用逆变器30的所选择开关42、44来对来自电动机14的电力进行整流，从而操作风扇12和逆变器30以产生电力(408)。
能量回收模式F2作为第一离散信息23经由离散的点对点通信链路22通信至逆变器控制器32。逆变器控制器32解译第一离散信息23以确定能量回收模式F2，并且响应地控制逆变器30的操作。控制逆变器30的操作以执行能量回收模式F2中的操作、从而以提供可预测功率回收幅值的方式来通过风扇12产生电力包括作为整流器来操作逆变器30，以产生可用的电力。作为整流器来操作逆变器30可包括指令用于逆变器30的PWM频率和占空比，以产生期望的电力幅值，例如1安培、2安培或其它功率。
借助非限制的示例，经由离散的点对点通信链路22从第一控制器20通信至逆变器控制器32的第一离散信息23可具有以下格式。频率、占空比以及风扇速度是对一个实施例的说明而非限制性的。
替代地，第一离散信息23包括这样的信息，该信息具有与第一指令F1相关联的第一脉宽调制(PWM)占空比、与第二指令F0相关联的第二PWM占空比以及与第三指令F2相关联的第三PWM占空比。
于是，可能有益的是，通过指令将制动转矩施加在电动机14上以防止风扇12由于冲压气流而空转并且由此防止由电动机反电动势所引起的过压，使得当并不指令风扇12打开时在高速度巡航状况期间由该风扇12引起的气流偏转最小化。此种操作也使得当并不指令风扇12打开时由该风扇所产生的可听噪声最低。
当在高速路巡航状况期间并不需要风扇操作时，用于风扇的电动机可作为发电机来操作，以增大直流电源36的充电状态。这会导致减小交流发电机负载、优化电气部件的尺寸并且改进电气能量管理。
流程图中的流程和框图说明根据本发明各个实施例的***、方法以及计算机程序产品的可能实施方式的体系结构、功能性以及操作。在这点上，流程或框图中的每个框块可表示代码的模块、区段或部分，其包括用于实施特定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还会注意到的是，框图和/或流程说明的每个框块以及框图和/或流程说明中的框块的组合可由基于专用硬件的***实施，这些***执行特定的目的或动作或者专用硬件和计算机指令的组合。这些计算机程序指令也可存储在计算机可读介质中，它们可指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生一种制造产品，其包括实施流程图和/或框图的框块中所指定的功能/动作的指令方式。
详细描述和视图或附图是对本教示的支持和描述，但本教示的范围仅仅由权利要求书所限定。虽然已详细描述了其中一些最佳模式和用于执行本教示的其它实施例，但存在各种替代的设计和实施例来用以实践限定在所附权利要求书中的本教示。

Claims (10)

1.一种用于控制车辆的冷却风扇的方法，其中，所述冷却风扇可转动地联接于电动机，所述电动机经由逆变器由直流电源电气地供电，所述方法包括：
经由第一控制器监控车辆速度；
基于所述车辆速度经由所述第一控制器选择用于所述电动机的优选操作状态，其中，所述优选操作状态包括第一指令、第二指令以及第三指令中的一个，所述第一指令与控制所述冷却风扇以迫使空气通过所述冷却***相关联，所述第二指令与风扇制动请求相关联，且所述第三指令与能量回收模式相关联；
将离散信息从所述第一控制器通信至逆变器控制器，其中，所述离散信息基于用于所述电动机的所述优选操作状态；以及
响应于所述离散信息经由所述逆变器控制器控制所述逆变器以控制所述电动机。
2.根据权利要求1所述的方法，包括选择所述第一指令以管理用于所述车辆的内燃机的热传递，所述第一指令与控制所述冷却风扇以迫使空气通过所述冷却***相关联。
3.根据权利要求1所述的方法，包括当所述车辆速度大于第一最低阈值速度时，选择与所述风扇制动请求相关联的所述第二指令，其中，选择所述第一最低阈值速度以避免在所述逆变器中出现与过压状况相关联的反电动势幅值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述逆变器控制器包括多个开关对，所述开关对包括串联地电连接的高压侧开关和低压侧开关，并且其中所述逆变器控制器通过响应于所述第二指令而同时启用所有的所述高压侧开关来控制所述逆变器来执行所述风扇制动请求，并且防止所述风扇转动，而无需从所述直流电源获取电力。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述逆变器控制器包括多个开关对，所述多个开关对包括串联地电连接的高压侧开关和低压侧开关，并且其中所述逆变器控制器通过响应于所述第二指令而同时启用所有的所述低压侧开关来控制所述逆变器来执行所述风扇制动请求，并且防止所述风扇转动，而无需从所述直流电源获取电力。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括允许所述风扇在所述车辆速度小于所述第一最低阈值速度时空转。
7.根据权利要求1所述的方法，包括当所述车辆速度大于第二最低阈值速度并且由所述直流电源所供应的***电压小于最大***电压时，选择与所述能量回收模式相关联的所述第三指令，以反作用于跨过所述冷却风扇的环境气流，从而产生电力。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括允许所述风扇在所述车辆速度小于所述第二最低阈值速度时空转。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括允许所述风扇在由所述直流电源所供应的***电压大于所述最大***电压时空转。
10.一种车辆，包括：
冷却风扇，其可转动地联接于电动机，所述电动机经由逆变器由直流电源电气地供电，
逆变器控制器，其配置成控制所述逆变器的操作；
第一控制器，其配置成监控所述车辆的操作；
单个离散的点对点通信链路，其设置在所述逆变器控制器的通信端口和所述第一控制器的通信端口之间，
所述第一控制器包括指令组，所述指令组可执行以：
监控车辆速度，
基于所述车辆速度选择用于所述电动机的优选操作状态，其中，所述优选操作状态包括第一指令、第二指令以及第三指令中的一个，所述第一指令与控制所述冷却风扇以迫使空气通过所述冷却***相关联，所述第二指令与风扇制动请求相关联，且所述第三指令与能量回收模式相关联，以及
经由所述单个离散的点对点通信链路将离散信息通信至所述逆变器控制器，其中，所述离散信息基于用于所述电动机的优选操作状态；并且
所述逆变器控制器包括指令组，所述指令组可执行以响应于所述离散信息控制所述逆变器来控制所述电动机。
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