专利名称：车辆冷却扇控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及当空调在使用当中时，将车辆冷却扇的气流控制在一个适当水平上的装置。
背景技术：
在安装有空调的车辆中，通常都会有一个空调冷凝器和一个用于冷却散热器的冷却扇，该散热器用以冷却发动机冷却水。冷却扇需要很大的电流驱动，因此当冷却扇连续高速旋转时，能耗及噪音都会增加。
1995年公开于日本的Jikkai的平07-038625，披露了一项用以控制冷却扇转动的技术，该技术根据外部天气状况及发动机运行状况对冷却扇进行控制，以此来使空调的能耗降至最低。在这项传统技术中，冷却扇的旋转是根据压缩机的释放压力(discharge pressure)，发动机转速及车速进行控制的。这里，压缩机的释放压力由下述三个参数决定外部气温，发动机转速及车速。
发明内容
然而，在前述传统技术中，即便压缩机的释放压力是恒定的，但是由于湿度、太阳辐射强度及风扇气流等因素的影响，空调及冷却扇仍然需要额外的冷却能力。为了避免冷却能力的不足，就需要一个大于实际需要的冷却能力。于是，冷却扇的气流极大的增强了，这就导致了能耗增加及对燃料经济性的破坏。
本发明的目的之一是高精度地检测空调及冷却扇冷却能力的过剩及不足，将冷却扇的气流控制在一个合适的水平。
为达到上述目标，本发明提出了一种空调压缩机冷却风扇电机的控制装置，它包括一个温度传感器，该传感器用于检测流经车用空调蒸发器的空气温度，它还包括一个控制器。该控制器用于计算风扇电机旋转所产生的气流的参考值，根据测得的空气温度来计算气流的修正值；根据气流的参考值和修正值设定目标气流，并控制风扇电机的旋转来实现目标气流。
关于本发明的细节及其他的一些特点和优点将在说明书的后续部分结合附图加以阐述。
图1是根据一个实施例给出的空调(空调系统)及冷却扇控制装置的原理图。
图2是第一个实施例中控制器的控制流程。
图3是第二个实施例中控制器的控制流程。
图4是压缩机释放压力与目标占空比的关系曲线。
图5是目标占空比的修正值与目标空气温度及空调释放空气的实际温度之间的差值的关系曲线。
图6是在高湿度环境下，压缩机的释放压力与目标占空比之间的关系曲线图7是在高湿度环境下，目标占空比修正值和目标空气温度与实际空气温度之间的差值的关系曲线。
图8是第三个实施例中控制器的控制流程优选实施方案结合附图1，2对第一实施例进行描述。
如图1所示，一个空调冷却系统由压缩机3，冷凝器6和蒸发器10所组成。压缩机3吸入并压缩冷却剂，并在较高的压力下释放该冷却剂。冷凝器6安装在车前部散热器5的前面，它通过外部空气来冷却并液化压缩机3释放的冷却剂。蒸发器10通过蒸发由冷凝器6液化的冷却剂而从周围的空气中吸收热量。发动机1通过缠绕于发动机1的曲轴带轮18及压缩机3的带轮19上的带来驱动压缩机3。
由压缩机3压缩后的气态冷却剂通过一个高压管14传输至冷凝器6。在被冷凝器6冷却为液体后，冷却剂通过液体通道16传输至蒸发器10。蒸发器10通过吸收周围空气的热量将冷却剂蒸发，然后冷却剂通过低压管17重新被吸入压缩机3进行压缩。
临时存放冷却剂的储液箱9连接于冷凝器6的下游。风扇电机7位于冷凝器6的附近，它用于产生气流，该气流流过冷凝器6和散热器5帮助提高冷凝器6的散热效率。风扇电机7上连接有一个风扇，通过风扇电机7的旋转来产生气流。
控制器2(电子控制单元ECU)由微控制器构成，它包括中央处理单元(CPU)，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，和输入输出接口(I/O接口)。控制器2还可以进一步包括一个信号发生电路，用于产生一个占空信号或者PWM控制信号。
在本实施例中，风扇电机7为一个连有风扇的直流(DC)电机。风扇电机7由脉宽调制风扇模块8驱动，而风扇模块8由控制器2控制。所述PWM风扇模块8包括一个斩波电路，该斩波电路由多个开关元件组成，它能够根据控制器2发出的占空信号(duty signal)(有一定占空比的脉冲信号)来控制风扇电机7的转速。上述占空信号开关所述风扇模块8的开关元件，风扇模块8将PWM电压传至风扇电机7。因此，风扇模块8通过与占空信号的占空比相关的有效电压来驱动风扇电机，从而能够改变风扇电机7的转速。有效电压通常正比于占空比。控制器2也可以通过其它公知的方法来控制风扇电机7的转速。
蒸发器10位于气流通道11内部，冷空气通过该气流通道11进入车厢内部。在蒸发器10附近安装有鼓风机(blower fan)21。因此，空气不会在蒸发器10周围聚集。于是，在流经蒸发器10时已经进行了冷却的冷空气通过气流通道11吹入车厢内部，以降低那里的温度。在图1中，蒸发器10有鼓风机21的一侧为上游，相对一侧为下游。
连接压缩机3和冷凝器6的高压管14安装有一个释放压力传感器15，用以检测压缩机3的释放压力Pd。在气流通道11中蒸发器10的上游安装有一个湿度传感器13，用以检测吹入车厢内部的空气的湿度Hm。在气流通道11中蒸发器10的下游安装有一个温度传感器12，它用于检测直接穿过蒸发器10之后的空气温度Tair。释放压力传感器15，湿度传感器13及温度传感器12所检测到的信号分别输入控制器2中。
控制器2根据车辆驾驶员设定的车内目标温度值tTr为蒸发器10下游的空气设定一个空气温度目标值tTev(即，从空调中释放的空气温度的目标值tTev)。控制器2还计算温度传感器12所检测到的实际空气温度值Tair与蒸发器下游空气温度目标值之间的差值。通过计算上述温度差值，就可以高精度地检测出空调制冷能力的过剩或者缺乏(即，风扇电机7制冷能力的过剩或者缺乏)。车辆驾驶员可以通过操作用户接口25，如旋钮、按钮、控制杆或者转盘来设定目标车内温度tTr。
控制器2在所计算的温度差值和释放压力传感器15所检测到的释放压力Pd的基础上，来计算产生目标风扇气流(即空气流量，airflow ratio)所需的风扇电机7的目标转速，并根据该目标转速来控制PWM风扇模块8。这里，目标风扇气流是风扇电机旋转所产生气流的目标值。
参考图2所示的流程图，将对控制器2设定目标风扇气流的例程进行说明。用以产生目标风扇气流的风扇转速由控制器2发出的占空信号所控制。因此，设定风扇气流相当于设定占空比。风扇气流随占空比增加而增加，因为风扇电机7的转速随占空比的增大而增大。
在步骤S1中，判断空调按钮的通断状态。如果按钮处于接通(ON)状态，例程继续执行步骤S2，如果按钮处于断开(OFF)状态则例程结束。
在步骤S2中，从释放压力传感器15，湿度传感器13及温度传感器12中读取释放压力信号Pd，湿度信号Hm，温度信号Tair。同时还读取蒸发器10下游的空气温度的目标值tTev，该目标值是在驾驶员所设定的车内温度tTr的基础上设定的。目标空气温度tTev低于目标车内温度tTr，当蒸发器下游的空气温度达到目标值tTev时，也就达到了车内温度目标值tTr。控制器2可以用所有已知的方法来根据目标车内温度tTr设定蒸发器下游的空气温度目标值tTev。例如，可以预先绘制目标车内温度tTr与蒸发器下游的空气温度目标值tTev的关系曲线，并将它存储于控制器2的存储器中，这样控制器2就可以根据该曲线来确定目标空气温度tTev。
在步骤S3中，通过在步骤2中读取的释放压力pd，并参考图4中所示的曲线(或者查询表)来确定目标占空比TDR的上限DMAX和下限DMIN。通过试验或类似方式，来确定与释放压力Pd相应的适当的占空比上限值DMAX和下限值DMIN，从而得到所述曲线。曲线存储于控制器2的存储器中。如图4所示，图中曲线分别显示了释放压力Pd与目标占空比TDR的上限DMAX的关系，以及释放压力Pd与目标占空比TDR的下限DMIN的关系。随着释放压力Pd的增大，上限DMAX和下限DMIN都发生了阶跃式增加。
即使释放压力Pd是恒定的，目标占空比TDR也因湿度Hm，阳光辐射及鼓风机21所需气流而改变。当湿度Hm很高，光照很强，鼓风机21所需气流很大，并且所需的空调及风扇电机7制冷能力很大时，目标占空比TDR应该设定在上限值DMAX。另一方面，如果湿度Hm很低，光照很弱，鼓风机21所需气流很小，并且所需的空调及风扇电机7制冷能力很小时，那么目标占空比TDR应当设定在最小值DMIN。当所需的空调制冷能力很大，空调的负载增加，那么占空比(即风扇电机7的转速)必须设定的高一些。当所需制冷能力较小时，占空比就没必要设定得过高。所能产生的所需空调制冷能力的上限对应的最大占空比就是占空比上限值DMAX。所能产生的所需空调制冷能力的下限对应的最小占空比就是其下限值DMIN。
在步骤S4中，将参考占空比Ds(占空比的参考值)设置为步骤S3中所确定的下限值DMIN。设定参考占空比Ds相当于设置风扇气流的参考值。风扇气流的参考值是风扇电机旋转时产生的气流的参考值。
在步骤S5中，计算步骤S2中读取的实际空气温度Tair和目标空气温度tTev之间的温度差DLTEVA(DLTEVA＝Tair-tTev)。
在步骤S6中，利用在步骤S5中计算出的温度差DLTEVA，并参照图5所示的曲线图(查询表)，来确定占空比修正值DUP(即，风扇气流的修正值)，它用来修正占空比。通过试验或类似方式，根据目标空气温度tTev与蒸发器下游空气实际温度Tair之间的温度差DLTEVA来确定出适当的占空比修正值DUP，从而得到所述关系曲线。该曲线存储于控制器2的存储器中。如图5所示，该曲线图表征占空比修正值DUP与温度差DLTEVA之间的关系。
占空比修正值DUP随着温度差DLTEVA的增加而增加，因为当温度差DLTEVA增大时必须增大风扇电机7的转速从而提高空调的制冷能力。这里，如果目标空气温度tTev高于蒸发器下游空气的实际温度Tair时，那么占空比修正值为0。当空调包括一个燃油节能模式，在该模式中目标空气温度tTev可以略高于正常值，那么起动燃油节能模式时改变目标空气温度值，因此可以利用目标空气温度tTev和实际空气温度Tair之间的差DLTEVA来计算速度修正值，从而实现对风扇气流的精确控制。值得注意的是，占空比修正值DUP可以仅从流经蒸发器10的实际空气温度Tair计算得到，而不是通过温度差DLTEVA来计算得到。
在步骤S7中，需确定步骤S4中设定的参考占空比(下限值DMIN)和步骤S6中确定的占空比修正值DUP之和(DMIN+DUP)是否小于等于上限值DMAX，换句话说就是修正后的占空比是否超过了其上限值DMAX。
如果下限值DMIN和占空比修正值DUP之和小于等于上限值DMAX，例程运行至步骤S8，然后将目标占空比TDR设定为下限值DMIN和占空比修正值DUP之和。通过设定目标占空比TDR，目标风扇气流也就设定了。当下限值DMIN和占空比修正值DUP之和大于上限值DMAX时，例程运行至步骤S9，然后将目标占空比TDR设定为上限值DMAX。通过将目标占空比TDR设定为上限值DMAX，也就将风扇气流设定为了上限值。因此，目标占空比TDR被设置为DMIN+DUP和DMAX中较小的那个值。
在步骤S10中，根据步骤S8或S9中计算出的目标占空比TDR占空信号被传送到PWM风扇模块，从而将风扇电机7的转速控制在一个目标转速上，以实现目标风扇气流。
如上所述，根据所需空调的制冷能力来确定占空比的上限值和下限值，并且将参考占空比设定为下限值。并且，根据计算得到的蒸发器10下游空气的实际温度Tair和目标空气温度tTev之间的差DLTEVA来确定修正值。目标占空比TDR设定为修正值与参考占空比之和(TDR＝DMIN+DUP)。然而，当修正后的占空比超过了占空比上限值时，目标占空比设定为上限值(TDR＝DMAX)。
总结上述实施例，根据流经蒸发器的空气温度Tair来设定目标风扇气流，以产生所需的空调制冷能力。风扇气流可以根据所需制冷能力的下限值来确定，因此，与传统方法相比，当所需的制冷能力很小时，风扇气流(或者风扇转速或风扇能耗)就会下降，从而提高燃油经济性。并且，当所需制冷能力增大时，所需的风扇气流就会增大。风扇气流的不足可以从流经蒸发器的空气温度Tair反映出来，当空气温度Tair上升时，风扇气流就会加大。因此，根据所需的空调制冷能力的目标风扇气流就可以通过精确检测制冷能力的情况来进行设定。
此外，当修正后的占空比超过了上限值DMAX时，就将目标占空比TDR设定为上限值。因此高于所需制冷能力的占空比是无效的，从而抑制了风扇转速，不会使燃油经济性变坏。例如，当空调搁置很长时间再使用时，空调一经打开，蒸发器下游的空气温度就会与车内温度持平，那么气流就会达到最大值。在这种情况下，由于设定了占空比上限值，就可以禁止过大的气流，从而防止了噪音及燃油经济性变坏。并且，即使当传感器发生故障从而进行了不恰当的修正时，也可以避免风扇电机7的转速过高。
不仅如此，由于用以检测蒸发器下游的空气温度Tair的温度传感器12通常被提供用来控制空调，因此就不需要在传统的冷却系统中安装附加的温度传感器。
下面参照图3的流程图，对实施例2进行说明。需要注意的是，与实施例1功能相同的部分就不再进行重复的描述。在实施例1的基础之上，实施例2中依据湿度Hm对占空比的参考值和修正值进行了修改。占空比的参考值和修正值随湿度增加而增加。
在步骤S22中，需要确定湿度传感器13所检测到的湿度Hm是否大于预定值(例如，70％或更大)。当湿度Hm大于预定值时，例程运行至步骤S30。当湿度Hm小于预定值时，例程运行至步骤S3。步骤S3往下的处理与图2中步骤S3往下的类似。
步骤S30至S36的内容与图2中步骤S3至S9的内容非常类似。
然而，如图6中曲线所示，在步骤S30中所使用的曲线图中预定释放压力的区间Rpd内，占空比的下限值比图4中所示的下限值DMIN大一个预定量α。即，在预定的释放压力区间Rpd内，下限值为DMIN+α。在步骤S31中，将参考占空比设定为步骤S30中设定的DMIN+α。通过设定参考占空比，参考风扇气流也就设定了。
如图7所示为在步骤S33中所使用的曲线，在预先设定好的温度差DLTEVA的区间RD内，占空比修正值比图5中所示曲线的修正值DUP大一个预定量β。即，在预定的温度差DLTEVA的区间RD内，修正值是DUP+β。
步骤S33-S36的内容与步骤S7-S9的内容相似，只不过参考占空比和占空比修正值分别为DMIN+α和DUP+β。经过步骤S33-S36，目标占空比TDR被设定为(DMIN+α)+(DUP+β)和DMAX中的较小值。
现在总结实施例2，在通常情况下，湿度Hm不是很高，如上所述，根据图4就可以确定目标占空比TDR的上限值DMAX和下限值DMIN，并且占空比修正值DUP也可根据图5加以确定。在高湿度的情况下，湿度Hm大于等于预定值(例如70％)，目标占空比TDR的上下限根据图6所示的曲线或者表格进行确定，其中下限值大于正常情况下的值DMIN。在高湿度的情况下，占空比修正值根据图7所示的曲线确定，其中修正值大于正常情况下的修正值DUP。在这种情况下，占空比参考值和修正值就在两种状态间切换即，正常状况和高湿度状况，但是也可以在多于两种的状态下切换。
在高湿度状况下，压缩机的负载较大，风扇气流增大，并且空气流动速度也成比例的增大，从而缩短了达到蒸发器下游空气目标温度tTev的时间。于是，一个舒适的空调环境实现了。
下面参照图8介绍实施例3。在步骤S44中，将参考占空比设置为与所需空调最大制冷能力相应的参考占空比上限值DMAX。在目标空气温度tTev与通过蒸发器10的实际空气温度Tair的差DLTEVA的基础上计算出修正值DUPT。在步骤S47中，将参考占空比(上限DMAX)减去修正值DUPT获得的值(DMAX-DUPT)与下限值DMIN相比较。如果经占空比修正值DUPT修正过的占空比(DMAX-DUPT)大于下限值DMIN，就在步骤S48中将目标占空比设为DMAX-DUPT。如果经占空比修正值DUPT修正过的占空比(DMAX-DUPT)小于下限值DMIN，就在步骤S49中将目标占空比设为DMIN。这样就将目标占空比TDR设为(DMAX-DUPT)和DMIN中的较大值。因为如果温度差DLTEVA增大，就需要提高风扇电机7的转速，所以占空比修正值DUPT就需要随着温度差DLTEVA增大而减小。
在前三个实施例中，控制器通过发送占空信号的方式向冷却风扇电机传送指令，以此来调节风扇气流。但是，当有多个风扇电机时，可以通过通断控制的方式来将气流调整为目标气流，从而分别将各个电机的转速设定为0或一个较低转速。换句话说，随着目标气流减小，控制器增加0转速或低转速电机的数量。
在前三个实施例中，风扇电机7是直流电机。但是，风扇电机7也可以是交流电机，控制器2可以直接设定风扇电机7的目标转速而非设定目标占空比。当风扇电机7为交流(AC)电机时，PWM风扇模块8包含一个由多个开关元件组成的逆变电路，控制器(ECU)2将与风扇电机7目标转速相应的PWM控制信号传输给逆变电路的开关元件。于是，逆变电路向风扇电机7输出一个正弦波PWM输出信号，该信号的频率与风扇电机7的目标转速相应，这样，风扇模块8就可以调节风扇电机7的转速了。
虽然以上通过参考一些实施例对本发明进行了描述，但是发明并不局限于上述实施例。本领域技术人员可以在上述教导的启示下，易于想到上述实施例的改动和变化。本发明的保护范围将由下面的权利要求确定。
日本专利申请P2004-14225(申请日2004年1月22日)的全部内容以参考的方式被全部包含于此。
权利要求
1.一种风扇电机(7)的控制装置，所述风扇电机用于冷却车辆空调的冷凝器(6)，包括一个温度传感器(12)，它用于检测流经车辆空调蒸发器(10)的空气的温度；一个控制器(2)，用于计算由风扇电机(7)旋转而产生的气流的参考值(Ds)；在所检测的空气温度(Tair)的基础上计算气流的修正值(DUP，DUPT)；在气流的参考值(DS)和修正值(DUP，DUPT)的基础上设定目标气流值(TDR)；并且控制风扇电机的旋转来实现目标气流(TDR)。
2.如权利要求1所述的控制装置，其中所述气流的参考值(Ds)是实现所需空调制冷能力下限的气流(DMIN)，并且所述目标气流值(TDR)是所述气流的参考值(Ds)和气流的修正值(DUP)之和。
3.如权利要求1所述的控制装置，其中所述气流的参考值(Ds)是实现所需空调制冷能力上限的气流(DMAX)，并且所述目标气流(TDR)是通过气流的参考值(Ds)减去气流的修正值(DUPT)所获得的值。
4.如权利要求1至权利要求3中任意一个所述的控制装置，其中控制器(2)计算由温度传感器(12)所检测的空气温度(Tair)与目标温度(tTev)的差(DLTEVA)，目标温度是根据驾驶员设定的车内温度(tTr)设定的，并根据计算得到的温度差(DLTEVA)计算气流的修正值(DUP，DUPT)。
5.如权利要求1至权利要求3中任意一个所述的控制装置，进一步包括一个释放压力传感器(15)，用以检测空调压缩机(3)的释放压力(Pd)，其中控制器(2)根据空调压缩机(3)的释放压力(Pd)设定气流的参考值(Ds)。
6.如权利要求5所述的控制装置，进一步包括一个湿度传感器(13)，它测量要吹入车厢内的空气的湿度，其中控制器(2)根据湿度(Hm)来修正参考值(Ds)。
7.如权利要求6所述的控制装置，其中当湿度(Hm)增大时，控制器(2)增大参考值(Ds)。
8.如权利要求1至权利要求3之中任意一个所述的控制装置，进一步包括一个湿度传感器(13)用以测量要吹入车内的空气的湿度(Hm)，其中控制器(2)根据湿度(Hm)调整修正值(DUP，DUPT)。
9.如权利要求8所述的控制装置，其中当湿度增大时，控制器(2)增大修正值(DUP)。
10.如权利要求1至权利要求3之中任意一个所述的控制装置，其中气流的参考值(Ds)是实现所需空调制冷能力下限的气流(DMIN)，并且，当气流的参考值(Ds)与气流的修正值(DUP)之和大于实现所需空调制冷能力上限的气流(DMAX)时，控制器(2)将目标气流(TDR)设定为实现所需空调制冷能力上限的气流(DMAX)。
11.如权利要求1至权利要求3之中任意一个所述的控制装置，其中气流的参考值(Ds)是实现所需空调制冷能力上限的气流(DMAX)，并且当通过所述气流的参考值(Ds)减去气流的修正值(DUPT)所获得的值小于实现所需空调制冷能力下限的气流(DMIN)时，控制器(2)将目标气流(TDR)设定为实现所需空调制冷能力下限的气流(DMIN)。
12.如权利要求1至权利要求3之中任意一个所述的控制装置，其中所述控制器(2)将风扇电机的转速控制到实现目标气流的转速。
13.如权利要求12所述的控制装置，其中控制器(2)包含一个信号发生电路用以产生占空信号，并通过设定占空信号的目标占空比(TDR)来设定目标气流，由此风扇电机以相应于所述占空比(TDR)的转速旋转。
14.如权利要求1至权利要求3之中任意一个所述的控制装置，包含多个风扇电机(7)，其中，控制器(2)通过调整多个0转速或者低转速的电机来实现目标气流。
15.一种控制风扇电机(7)的装置，所述风扇电机用于冷却车辆空调的冷凝器(6)，包括用于检测流经车辆空调蒸发器(10)的空气温度的装置(12)；用于计算风扇电机(7)旋转产生的气流的参考值(Ds)的装置；在所检测的空气温度(Tair)的基础上计算气流的修正值(DUP，DUPT)的装置；在气流的参考值(Ds)和修正值(DUP，DUPT)的基础上设定目标气流(TDR)的装置；和控制风扇电机的旋转以产生目标气流(TDR)的装置。
16.一种控制风扇电机(7)的方法，所述风扇电机用于冷却车辆空调的冷凝器(6)，包括如下步骤检测流经车辆空调蒸发器(10)的空气的温度；计算风扇电机(7)旋转产生的气流的参考值(Ds)在所检测到的空气温度(Tair)的基础上计算气流的修正值(DUP，DUPT)；在气流的参考值(Ds)和气流的修正值(DUP，DUPT)的基础上设定目标气流(TDR)；并且控制风扇电机的旋转以实现目标气流(TDR)。
全文摘要
一种控制风扇电机(7)的装置，所述风扇电机用于冷却车辆空调的冷凝器(6)，所述装置包括一个温度传感器(12)，用以检测流经车辆空调蒸发器(10)的空气温度；和一个控制器(2)。所述控制器(2)用于计算风扇电机(7)旋转产生的气流的参考值(Ds)；在所检测的空气温度(Tair)的基础上计算气流的修正值(DUP，DUPT)；在气流的参考值(Ds)和气流的修正值(DUP，DUPT)的基础上设定目标气流(TDR)；并控制风扇电机的旋转以实现目标气流(TDR)。
文档编号F25B49/02GK1648536SQ20051005655
公开日2005年8月3日 申请日期2005年1月21日 优先权日2004年1月22日
发明者坂口重幸, 福林诚, 中原洋一郎, 古川知史 申请人:日产自动车株式会社