CN111005799B - 一种水温的控制方法、装置、热管理***和存储介质 - Google Patents

一种水温的控制方法、装置、热管理***和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水温的控制方法、装置、整车热管理***和存储介质。该水温的控制方法，包括：监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；若是，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速、电控水泵转速和节温器开度；根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。本发明实施例的技术方案，通过实时监测水温，建立水温的状态空间方程，确定水温与各个控制变量的对应关系，根据该对应关系确定达到目标温度的控制变量的值，实现了在线优化各个控制变量的值，提高了水温控制的精度，减少了***的能耗。

Description

一种水温的控制方法、装置、热管理***和存储介质
技术领域
本发明实施例涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种水温的控制方法、装置、热管理***和存储介质。
背景技术
汽车柴油发动机随着运行时间的增加，自身温度也会随之增高，当温度超出工作范围时，将导致发动机功耗增加，且会降低相关部件的寿命。因此，温度控制对于柴油发动机至关重要。
传统的柴油机温度控制主要依靠蜡式节温器进行大小循环的调节，其仅可以控制节温器的开度，无法控制水泵和风扇的转速，可控参数少，调节效果不好，无法实现精准水温调控。
发明内容
本发明提供一种水温的控制方法、装置、热管理***和存储介质，以实现柴油发动机水温的精准、实时控制。
第一方面，本发明实施例提供了一种水温的控制方法，该方法包括：
监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；
若是，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；
根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速控制变量、电控水泵转速控制变量和节温器开度控制变量；
根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
第二方面，本发明实施例还提供了一种水温的控制装置，该装置包括：
水温监测模块，用于监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；
预处理模块，用于若所述水温高于设定温度阈值，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；
控制变量确定模块，用于根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速控制变量、电控水泵转速控制变量和节温器开度控制变量；
水温控制模块，用于根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
第三方面，本发明实施案例还提供了一种整车热管理***，该整车热管理***包括：柴油发动机、智能风扇、电控水泵、可控节温器和水温控制器，其中，所述水温控制器用于执行发明任意实施例所提供的水温的控制方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行本发明任意实施例所提供的水温的控制方法。
本发明实施例的技术方案，在柴油发动机水温高于设定值时，通过目标温度预先建立的水温状态空间方程确定风扇转速、水泵转速和节温器开度的控制变量，基于三个控制变量进行水温控制，可控参数多，控制灵活，且水温控制精度高，减少了***的能耗，降低了对相关零件的损耗，提高了***的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种水温的控制方法的流程图；
图2是本发明实施例二中的一种水温的控制方法的流程图；
图3是本发明实施例三中的一种水温的控制装置的结构示意图；
图4是本发明实施例四中的一种整车热管理***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅展示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种水温的控制方法的流程图，本实施例可适用于车辆的柴油发动机的水温控制的情况，该方法可以由水温的控制装置或整车热管理***来执行，如图1所示，该方法包括：
步骤110、监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值。
其中，柴油发动机或柴油机，可以是嵌入式***的柴油机。水温可以用柴油发动机出口的水的温度。设定温度阈值可以是根据柴油发动机的性能确定，或者根据经验确定。当水温低于设定温度阈值时，柴油发动机处于热机模式，即处于水温上升的阶段，说明此时水温低于柴油发动机的工作温度。设定温度阈值可以是70℃、75℃或者其他值。
步骤120、若是，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程。
具体的，若当前的柴油发动机的水温高于设定温度阈值时，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程。
其中，目标温度指的是柴油发动机工作的理想温度，可以通过多次试验得出或者根据整车热管理***的性能确定。目标温度可以是80℃、85℃或者其他值。
可选的，目标温度可以通过如下方式确定：建立水温、能耗以及热效率之间的第一对应关系；以最低油耗为目标，根据所述第一对应关系确定所述柴油发动机的目标温度。
具体的，可以通过台架试验确定目标温度。通过综合考虑水温导致的摩擦阻力产生的能耗，不同水温引起的充气效率和缸内传热等因素的不同而导致的热效率不同，以及考虑油耗最低这一目标，确定目标温度。目标温度的范围可以是75℃～90℃。
其中，状态空间方程为表征所述柴油发动机的水温与各个控制参数的关系的方程式。
可选的，所述状态空间方程的状态变量包括发动机入口温度、本体金属温度和大循环流量，输入变量为风扇转速、电控水泵转速以及节温器开度，输出变量为发动机出口温度。
由于柴油发动机出口的水温与多个参数有关，如大循环流量mexch、小循环流量、缸头温度Tmetal、中冷器进风温度Tcoolin、中冷器出口温度Tcoolout、机舱温度Tcabin、发动机入口温度Tmot1、风扇转速nfan、电控水泵转速npumb、节温器开度θth以及环境温度Tamb等均有关系，可以根据热传递以及散热等与水温相关的物理过程建立状态空间方程的建立，最终通过该状态空间方程可以建立柴油发动机出口的水温与扇转速nfan、电控水泵转速npumb以及节温器开度θth之间的关系。
步骤130、根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速、电控水泵转速和节温器开度。
具体的，通过状态空间方程可以得到水温与各个控制变量的对应关系，根据目标水温便可以得到最终的各个控制变量的值。
具体的，由于水温由多个控制参数决定，为了寻求最优解可以通过设置代价函数实现。
可选的，根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，包括：
根据所述状态空间方程确定所述柴油发动机的水温与所述控制变量的第二对应关系；根据各个所述第二对应关系、所述目标温度及第一代价函数确定所述水温的控制变量。
其中，所述状态空间方程所描述的是前一时刻各个状态、输入的值与当前时刻的各个状态的值之间的对应关系，因此，可以通过状态空间方程，得到下一时刻的水温与各个控制变量的对应关系，即第二对应关系。为了得到最优解，可以通过递推的方式得到多个所述第二对应关系，再结合目标温度和第一代价函数求出各个控制变量的最优解。
具体的，第一代价函数的目标应是温度尽可能靠近目标温度，同时还应该使得***损耗最小。
可选的，第一代价函数的表达式可以为：
Figure BDA0002288103240000061
其中，Fl为代价函数，fi表示第i个预测温度对应的第二对应关系，To为目标温度，α为权重系数，gipump为第i个预测温度对应的所述电控水泵的能耗，gifan为第i个预测温度对应的风扇的能耗。
步骤140、根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
本发明实施例的技术方案，在柴油发动机水温高于设定值时，通过目标温度预先建立的水温状态空间方程确定风扇转速、水泵转速和节温器开度的控制变量，基于三个控制变量进行水温控制，可控参数多，控制灵活，且水温控制精度高，减少了***的能耗，降低了对相关零件的损耗，提高了***的寿命。
实施例二
图2是本发明实施例二中的一种水温的控制方法的流程图，本实施例是在上一实施例的基础上进一步细化和补充，本发明实施例所提供的水温的控制方法还包括：对所述状态空间方程进行线性化和离散化。
如图2所示，本实施例提供的车辆的时钟同步方法包括：
步骤210、确定柴油发动机的设定温度阈值和目标温度。
步骤220、监测所述柴油发动机的水温。
步骤230、建立所述柴油发动机的水温的状态空间方程。
其中，所述状态空间方程的状态变量包括柴油发动机的发动机出口温度、发动机入口温度、本体金属温度、大循环流量，输入变量为风扇转速、电控水泵转速以及节温器开度。
具体的，可以通过台架试验建立水温的状态空间方程时，主要依据以下方程式组进行：
Figure BDA0002288103240000071
Figure BDA0002288103240000072
Figure BDA0002288103240000073
Figure BDA0002288103240000074
Qcom＝fc(nmot,Tmot,Trq)
hpc×Apc＝f1(mexch,mcabin)
Figure BDA0002288103240000075
Figure BDA0002288103240000076
hpe×Ape＝f3(θth,npump)
hcabin×Acabin＝f4(nfan,vvev)
Figure BDA0002288103240000077
Figure BDA0002288103240000078
Figure BDA0002288103240000079
其中，Tmot为柴油发动机出口的水温；Tmot1为柴油发动机入口的水温；Tmetal为缸头温度；Tcoolin为中冷器进口温度；Tcoolout为中冷器出口温度；Tcabin为机舱温度；Tabm为环境温度，为已知参数；cv为冷却水的定容比热容，为已知参数；cvmetal为发动机金属比热容，为已知参数；cvair为空气比热容，为已知参数；Ape为水套表面积，为已知参数；Apc为散热器热交换面的表面积；Acabin为机舱内发动机与冷却风接触面的表面积，为已知参数；hpc为散热器换热系数；hpe为水套和发动机机体之间换热系数；Q为大小循环热交换量；Qcom为发动机热量；mscool为小循环内冷却水的总质量；mlcool为大循环内冷却水的总质量；mmetal为发动机机体与水套的金属的质量；mcabin为发动机机舱内空气流量；mexch为流进大循环的冷却水的质量流量；nmot为发动机转速；vvev为车速，为已知参数；npump为电控水泵转速；nfan为可控风扇转速；θth为节温器开度；Trq为发动机扭矩，为已知参数。
其中，电控水泵转速npump、可控风扇转速nfan和节温器开度θth为输入变量；柴油发动机入口的水温Tmot1、发动机出口水温Tmot、缸头温度Tmetal为状态变量；柴油发动机出口的水温Tmot为状态空间方程的输出变量。
接下来，需要根据整车热管理***以及实时监测的水温对上述方程式组的参数进行标定：
1)根据监测的流进大循环的流量mexch标定f2，进而可以确定大小循环热交换量Q；
2)在热平衡时hpe×(Tmetal-Tmot)×Ape＝Q，进而可以标定f3，同时，hpc×(Tmot1-Tcoolin)×Apc＝Q，根据mexch可以标定f1；
3)发动机热量Qcom可通过燃油热值计算总放热得出，从而可以标定fc；
4)通过Qcom-Q＝hcabin×Acabin，可以标定f4；
5)通过热平衡时，机舱空气流量，风扇转速和车速的关系，标定f5；
6)大循环和小循环水质量mlcool和mscool根据结构计算获得；金属质量mmetal通过瞬态试验进行标定。
进一步地，为了得到更精确的状态空间方程可以通过多次试验取平均的方法进行标定。
步骤240、对所述状态空间方程进行线性化和离散化。
为了便于计算，将复杂的状态空间方程线性化为线性状态空间方程进行后续的求解。
具体的，可以通过多元函数的泰勒展开进行线性化，离散化可以根据欧拉方法或改进欧拉方法进行，也可以采用其他算法进行离散化，本发明对此不进行限定。
进一步地，通过状态空间方程可以得到t1时刻的发动机出口的水温T1与各个输入变量以及t0时刻发动机出口的水温T0之间的关系。接着可以将t1时刻的发动机出口的水温T1输入该状态空间方程进而得到t2时刻的发动机出口的水温T2，逐步递推，可以得到t3时刻的发动机出口的水温T3，最终可以确定预设个数的未来时刻的发动机出口的水温，其中，预设个数的可以是5个。
进一步地，可以根据实际监测的水温以及所述状态空间方程的输出的预测水温对所述状态空间方程进行修正，以提高状态空间方程的准确性。
步骤250、建立所述柴油机小循环时，电控水泵转速与传热系数的对应关系。
其中，小循环指的是当水温低于设定温度阈值时，节温器处于关闭状态，冷却液流出机体后，进入电控水泵后再进入水套进行发动机冷却的过程。
步骤260、确定第一代价函数和第二代价函数。
其中，第一代价函数为水温高于设定温度阈值时对应的代价函数，第二代价函数则为水温低于设定温度阈值时的代价函数。各个代价函数可以采用任意形式，本发明对此不进行限定。
步骤270、判断所述水温是否高于所述设定温度阈值。若是，则执行步骤271，若否则执行步骤272。
当水温低于所述设定温度阈值时，发动机处于热机模式，节温器处于关闭状态，仅小循环水路进行工作；而当水温高于所述设定温度阈值时，控制目标变为维持水温为目标温度，此时节温器处于开启状态，大小循环水路均开始工作。
步骤271、根据所述状态空间方程确定所述柴油发动机的水温与所述控制变量的第二对应关系；根据各个所述第二对应关系、所述目标温度及第一代价函数确定所述水温的控制变量。
步骤272、根据所述电控水泵的转速与传热系数的对应关系和第二代价函数确定电控水泵转速；根据所述电控水泵转速控制所述柴油发动机的水温。
本发明实施例的技术方案，在柴油发动机水温高于设定值时，通过目标温度预先建立的水温状态空间方程确定风扇转速、水泵转速和节温器开度的控制变量，并设置代价函数，以使水温尽可能接近目标温度的同时保证***能耗最小，从而得出控制变量的最优解；基于三个控制变量进行水温控制，可控参数多，控制灵活，且水温控制精度高，减少了***的能耗，降低了对相关零件的损耗，提高了***的寿命；同时，当水温小于设定值时，根据相应关系确定电控水泵转速，从而控制小循环过程，以减小能耗。本发明实施例提供的水温控制方法，实现了线优化各个控制变量的值，提高了水温控制的精度，减少了***的能耗。
实施例三
图3是本发明实施例三中的一种水温的控制装置的结构示意图，如图3所示，该水温的控制装置包括：水温监测模块310、预处理模块320、控制变量确定模块330和水温控制模块340。
其中，水温监测模块310，用于监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；预处理模块320，用于若所述水温高于设定温度阈值，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；控制变量确定模块330，用于根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速控制变量、电控水泵转速控制变量和节温器开度控制变量；水温控制模块340，用于根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
本发明实施例的技术方案，在柴油发动机水温高于设定值时，通过目标温度预先建立的水温状态空间方程确定风扇转速、水泵转速和节温器开度的控制变量，基于三个控制变量进行水温控制，可控参数多，控制灵活，且水温控制精度高，减少了***的能耗，降低了对相关零件的损耗，提高了***的寿命。
可选的，该水温的控制装置，还包括：
目标温度确定模块，用于建立水温、能耗以及热效率之间的第一对应关系；以最低油耗为目标，根据所述第一对应关系确定所述柴油发动机的目标温度；若所述水温高于设定温度阈值。
其中，所述状态空间方程的状态变量包括发动机入口温度、本体金属温度和大循环流量，输入变量为风扇转速、电控水泵转速以及节温器开度，输出变量为发动机出口温度。
可选的，该水温的控制装置，还包括：
方程处理模块，用于对所述状态空间方程进行线性化和离散化。
可选的，控制变量确定模块330，具体用于：
确定所述水温的第一代价函数；根据所述状态空间方程确定所述柴油发动机的水温与所述控制变量的第二对应关系；根据各个所述第二对应关系、所述目标温度及第一代价函数确定所述水温的控制变量。
其中，所述第一代价函数的表达式为：
Figure BDA0002288103240000121
其中，Fl为代价函数，fi表示第i个预测温度对应的第二对应关系，To为目标温度，α为权重系数，gipump为第i个预测温度对应的所述电控水泵的能耗，gifan为第i个预测温度对应的风扇的能耗。
可选的，水温控制模块340，还用于：
若所述水温低于所述设定温度阈值，则根据预先建立的电控水泵的转速与传热系数的对应关系和第二代价函数确定电控水泵转速的控制变量；根据所述电控水泵转速的控制变量控制所述柴油发动机的水温。
本发明实施例所提供的车辆的时钟同步装置可执行本发明任意实施例所提供的车辆的时钟同步方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例四
图4是本发明实施例四中的一种整车热管理***的结构示意图，如图4所示，该整车热管理***包括：柴油发动机410、智能风扇420、电控水泵430、可控节温器440和水温控制器450。
其中，410用于燃烧燃料以提高车辆前进所需的能量，智能风扇420、电控水泵430、可控节温器440和水温控制器450组成柴油发动机410的冷却***，水温控制器450用于执行本发明任意实施例所提供的水温的控制方法。
实施例五
本发明实施例五还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种水温的控制方法，该方法包括：
监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；
若是，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；
根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速、电控水泵转速和节温器开度；
根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
当然,本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质,其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作,还可以执行本发明任意实施例所提供的水温的控制方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
值得注意的是，上述水温的控制装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种水温的控制方法，其特征在于，包括：
监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；
若是，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；
所述获取目标温度，包括：
建立水温、能耗以及热效率之间的第一对应关系；
以最低油耗为目标，根据所述第一对应关系确定所述柴油发动机的目标温度；
根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速、电控水泵转速和节温器开度；
根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态空间方程的状态变量包括发动机入口温度、本体金属温度和大循环流量，输入变量为风扇转速、电控水泵转速以及节温器开度，输出变量为发动机出口温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程之后，还包括：
对所述状态空间方程进行线性化和离散化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，包括：
确定所述水温的第一代价函数；
根据所述状态空间方程确定所述柴油发动机的水温与所述控制变量的第二对应关系；
根据各个所述第二对应关系、所述目标温度及第一代价函数确定所述水温的控制变量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一代价函数的表达式为：
Figure FDA0002727400980000021
其中，Fl为代价函数，fi表示第i个预测温度对应的第二对应关系，To为目标温度，α为权重系数，gipump为第i个预测温度对应的所述电控水泵的能耗，gifan为第i个预测温度对应的风扇的能耗。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
若所述水温低于所述设定温度阈值，则根据预先建立的电控水泵的转速与传热系数的对应关系和第二代价函数确定电控水泵转速的控制变量；
根据所述电控水泵转速的控制变量控制所述柴油发动机的水温。
7.一种水温的控制装置，其特征在于，包括：
水温监测模块，用于监测柴油发动机的水温，并判断所述水温是否高于设定温度阈值；
预处理模块，用于若所述水温高于设定温度阈值，则获取目标温度及预先建立的所述柴油发动机的水温的状态空间方程；
目标温度确定模块，用于建立水温、能耗以及热效率之间的第一对应关系；以最低油耗为目标，根据所述第一对应关系确定所述柴油发动机的目标温度；
控制变量确定模块，用于根据所述目标温度及状态空间方程确定所述水温的控制变量，其中，所述控制变量包括风扇转速控制变量、电控水泵转速控制变量和节温器开度控制变量；
水温控制模块，用于根据所述控制变量控制所述柴油发动机的水温。
8.一种整车热管理***，其特征在于，包括：柴油发动机、智能风扇、电控水泵、可控节温器和水温控制器，其中，所述水温控制器用于执行如权利要求1-6中任一项所述的水温的控制方法。
9.一种包含计算机可执行指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-6中任一项所述的水温的控制方法。
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