[发明专利]汽车发动机热管理系统建模及控制方法

说明书

一种汽车发动机热管理系统建模及控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是提供了一种发动机热管理系统的动力学建模方法及水温控制方法。在系统的动力学建模方法中，建立了精确的气缸对内壁的加热功率模型、水套与冷却液的换热系数模型及散热器的散热功率模型。本发明的研究方法包括以下步骤：根据发动机热管理系统的结构、原理及可测量的信号，建立系统的动力学模型；从对流换热及辐射换热机理出发，推导出动力学模型中三个中间变量；根据系统的动力学模型推导出系统的逆动力学模型；根据系统的动力学模型设计史密斯预估器；设计PD反馈控制器。本发明精确的建立了发动机热管理系统的动力学模型，使控制精度得以提高。

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

发动机热管理系统是在传统发动机冷却系统的结构基础上，将主要部件：风扇、水泵、节温器等电气化，实现冷却液及冷却风的按需供给，能够解决传统发动机冷却系统，在部分工况下，发动机附件不合理的运转导致的发动机过冷或过热的现象，同时减小附件的功率损耗，从而改善发动机的经济性及排放性。

传统发动机冷却系统多采用机械风扇，主要分为两种：

1、直接驱动式风扇。风扇通过皮带轮与发动机曲轴刚性连接，风扇转速与发动机转速成正比。

2、离合器风扇。主要有硅油离合器、电磁离合器及气动离合器，根据散热器后气体温度，控制离合器的通断。当离合器结合时，风扇由发动机驱动。

相比机械风扇，电子风扇的优点总结如下：

1、改善发动机动力性。机械风扇占用发动机功率5％-12％，而电子风扇由电机驱动，不占用发动机功率，使发动机有更高的功率输出；

2、避免发动机过冷或过热现象。研究表明：汽车行驶中，90％的时间可以不用风扇运转而依靠行驶迎面风保持冷却。而直接驱动式风扇由发动机驱动，此时会供给多余的风量，导致发动机过冷。离合器风扇虽然避免了过冷现象，但在车辆低速、大负荷、低转速工况下，风扇转速受发动机转速限制，不能提供冷却所需的风量，导致发动机过热。而电子风扇由发动机电子控制单元(ECU)控制，其转速根据发动机热状态灵活做出改变，能够保证发动机合理的工作温度；

3、改善发动机经济性。直接驱动式风扇在导致发动机过冷的同时造成发动机输出功的浪费。而电子风扇按需供给风量，避免了发动机多余损耗。此外，电子风扇比机械风扇的机械效率及容积效率更高。研究表明，电子风扇效率高达78％，而机械风扇效率仅为30-50％。因此，在提供相同风量时，电子风扇功耗更小；

4、灵活及直接地控制冷却液温度。离合器风扇根据散热器后气体温度决定离合器的通断，因此，无法直接控制冷却液温度。而电子风扇能够通过冷却液温度传感器的反馈信号直接控制开关或转速，因此，能够灵活且直接地控制冷却液温度。

目前，发动机热管理系统动力学模型的建立主要存在以下问题：

发动机气缸对内壁的加热功率模型、发动机水套与冷却液换热系数模型及散热器散热功率的模型精度不高。其中，发动机水套与冷却液换热系数模型是难点，由于发动机水套形状复杂且不同发动机差异很大，目前仍没有准确的模型，而普遍做法是采用规则管路管内强制对流模型近似代替。

发动机热管理系统中电子风扇对冷却液温度的控制主要存在以下问题：

1、无法精确控制冷却液温度。目前，工程中常用的电子风扇控制发动机冷却液温度的方法主要为开关控制、逻辑控制、比例-积分-微分(PID)控制。由于发动机热管理系统具有大惯性及纯滞后特点，以上控制方法会导致冷却液温度较大波动，研究结果显示，开关控制冷却液温度波动超过10K，分段控制及PID控制冷却液温度波动约为5K。