用于诊断冷却水状态的系统和方法与流程

本发明涉及用于诊断冷却水状态的系统和方法，并且更特别地，涉及如下的用于诊断冷却水状态的系统和方法：其甚至在冷却水泵速度改变的条件下也能够通过应用冷却水管道的负荷模型来确定管道(plumbing)的状态。

背景技术：

安装在燃料电池车辆中的燃料电池系统配置有：供给氢到燃料电池堆的氢供给系统；供给空气中氧到燃料电池堆的空气供给系统，其中氧是对于电化学反应所必需的氧化剂；基于氢和氧的电化学反应产生电力的燃料电池堆；以及从燃料电池堆移除电化学反应热并且同时调整燃料电池堆的温度的热和水管理系统。

热和水管理系统包括用于循环到燃料电池堆的冷却水的冷却水泵、和冷却在冷却后从燃料电池堆排出的冷却水的散热器，并且还包括过滤从冷却回路流出的离子的离子过滤器。大气压力帽安装在热和水管理系统的散热器的顶端，贮存器(reservoir)以大气开放结构设置，并且水位传感器安装在内侧。预定封装空间对于在贮存器中安装用于冷却水的水位传感器是必要的，但确保封装空间是困难的。此外，甚至当水位传感器安装在其中时，当冷却水与空气混合并循环时，水位传感器不能够检测冷却水的损失，并且可持续地将水位感测为正常。

换言之，冷却水短缺现象可以通过水位传感器或安装在管道中的压力传感器来确定，但此类方法经常由于干扰的影响导致因传感器的误检测，所述干扰的影响例如有冷却水的温度改变、由于冷却管线阀的打开或闭合造成的冷却回路改变，或车辆或设备的振动等。因此，流量传感器可以安装在冷却水管道中。然而，流量传感器的安装是复杂的，因为该传感器昂贵，并且其不便于安装单独的管道，以在其中 安装传感器。

为了解决如上所述的传感器方式的冷却水确定方法的缺点，本发明的申请人已经提出了用于通过转矩的分析(即电流)或冷却水泵的输出确定冷却水是否正常进行循环的技术。然而，现有技术也仅在冷却水泵速度是恒定的正常状态下才能确定冷却水的正常循环。在实际系统中，由于冷却水泵速度是基于热量的实时可变地控制，仅利用在固定速度下冷却水的正常循环的确定来确定冷却水状态是有局限的。

描述为背景技术中的主题仅意图增进对本发明的背景的理解，而不应被认为是本领域技术人员已经公知的现有技术。

技术实现要素：

因此，本发明提供了用于诊断冷却水状态的系统和方法，其能够通过应用冷却水管道的负荷模型来确定冷却水管道的状态，而不需要在冷却水泵速度改变的条件下使用单独的传感器。

为了达到上述目的，本发明提供了用于诊断应用至冷却水泵控制系统的冷却水状态的系统。冷却水泵控制系统可包括：速度控制器，其被配置成基于冷却水泵的速度指令值与冷却水泵的实际速度测量值之间的差值而产生逆变器的输出电流指令值，以提供电力给冷却水泵。用于诊断冷却水状态的系统可包括：泵速预测模型单元，其被配置成基于输出电流指令值而产生速度估计值以预测冷却水泵的速度；和泵状态诊断单元，其被配置成比较速度估计值与实际速度测量值以诊断冷却水的循环状态。

在示例性实施例中，当冷却泵的速度估计值与实际速度测量值的比率小于用于正常循环确定的预设参考值时，泵状态诊断单元可以被配置成确定冷却水的循环状态为异常。此外，当冷却泵的速度估计值与实际速度测量值的比率小于用于正常循环确定的预设参考值的状态超过预设时间段持续时，泵状态诊断单元可以被配置成确定冷却水的循环状态为异常。

另外，泵状态诊断单元可以被配置成在预设时间段内多次计算冷却泵的速度估计值与实际速度测量值的比率、计算在预设时间段内所计算的多个比率的平均值，并且当平均值小于用于正常循环确定的预设参考 值时，确定冷却水的循环状态为异常。泵状态诊断单元还可以被配置成在预设时间段内多次计算冷却泵的速度估计值与实际速度测量值的比率、计算在预设时间段内所计算的多个比率的平均值，并且当其中平均值小于正常循环确定的预设参考值的状态超过预设时间段持续时，确定冷却水的循环状态为异常。

为了达到上述目的，本发明提供了用于诊断应用至冷却水泵控制系统的冷却水状态的系统，由此冷却水泵控制系统可包括：速度控制器，其被配置成基于冷却水泵的速度指令值与冷却水泵的实际速度测量值之间的差值而产生逆变器的输出电流指令值，以提供电力给冷却水泵。用于诊断冷却水状态的系统可包括：速度控制器模型单元，其对速度控制器进行建模来基于用于预测冷却水泵的速度的速度指令值与速度估计值之间的差值而产生电流指令估计值以预测逆变器的输出电流；泵速预测模型单元，其被配置成基于电流指令估计值而产生速度估计值；以及泵状态诊断单元，其被配置成比较电流指令估计值与输出电流指令值以诊断冷却水的循环状态。

在示例性实施例中，当输出电流指令值与所述电流指令估计值的比率小于用于正常循环确定的预设参考值时，泵状态诊断单元可以被配置成确定冷却水的循环状态为异常。此外，当输出电流指令值与电流指令估计值的比率小于用于正常循环确定的预设参考值的状态超过预设时间段持续时，泵状态诊断单元可以被配置成确定冷却水的循环状态为异常。

另外，泵状态诊断单元可以被配置成在预设时间段内多次计算输出电流指令值与电流指令估计值的比率、计算在预设时间段内所计算的多个比率的平均值，并且当平均值小于用于正常循环确定的预设参考值时，确定冷却水的循环状态为异常。此外，泵状态诊断单元可以被配置成在预设时间段内多次计算输出电流指令值与电流指令估计值的比率、计算在预设时间段内所计算的多个比率的平均值，并且当平均值小于用于正常循环确定的预设参考值的状态超过预设时间段持续时，确定冷却水的循环状态为异常。

为了达到上述目的，本发明提供了用于诊断应用至冷却水泵控制系统的冷却水状态的方法，由此冷却水泵控制系统可包括：速度控制 器，其被配置成基于冷却水泵的速度指令值与冷却水泵的实际速度测量值之间的差值而产生逆变器的输出电流指令值，以提供电力给冷却水泵。所述方法可包括：由泵速预测模型单元根据输出电流指令值而产生速度估计值以预测冷却水泵的速度；由泵状态诊断单元多次计算冷却水泵的速度估计值与实际速度测量值的比率；计算由泵状态诊断单元所计算的多个比率的平均值；以及当平均值小于用于正常循环确定的预设参考值的状态超过预设时间段持续时，确定冷却水的循环状态为异常。

为了达到上述目的，本发明提供了用于诊断应用至冷却水泵控制系统的冷却水状态的方法，由此冷却水泵控制系统可包括：速度控制器，其被配置成基于冷却水泵的速度指令值与冷却水泵的实际速度测量值之间的差值而产生逆变器的输出电流指令值，以提供电力给冷却水泵。

特别地，所述方法可包括：由建模速度控制器的速度控制器模型单元基于用于预测冷却泵的速度的速度指令值与速度估计值之间的差值而产生电流指令估计值以预测逆变器的输出电流；由泵速预测模型单元基于电流指令估计值而产生速度估计值；由泵状态诊断单元在预设时间段内多次计算输出电流指令值与电流指令估计值的比率；计算由泵状态诊断单元所计算的多个比率的平均值；并且当平均值小于用于正常循环确定的预设参考值的状态超过预设时间段持续时，由泵状态诊断单元确定冷却水的循环状态为异常。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和优点将在结合附图的以下详细描述中更清楚地理解，其中：

图1A至图1C是示出根据本发明的示例性实施例的根据冷却水电动机的转速的冷却水泵的入口端与出口端的压力差、冷却水的流量和电动机的输出或转矩之间的关系的图；

图2是根据本发明的示例性实施例的用于诊断冷却水状态的系统的方框配置图；

图3是示出根据本发明的示例性实施例的图2中所示的系统的示例性泵速预测模型的控制配置图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的在图2中所示的系统中实现的用于诊断冷却水状态的方法的流程图；

图5是根据本发明的示例性实施例的用于诊断冷却水状态的系统的方框配置图；

图6是示出应用至图5中所示的示例性实施例的示例性速度控制器模型的控制配置图；以及

图7是示出根据本发明的示例性实施例的在图5中所示的系统中实现的用于诊断冷却水状态的方法的流程图。

具体实施方式

应该理解，术语“车辆”或“车辆的”或如本文所用的其它类似术语一般包括机动车辆，诸如包括运动型多用途汽车(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业车辆、包括各种船只和船舶的水上车辆、飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆，以及其它代用燃料车辆(例如，得自除石油之外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力两者的车辆。

虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来进行示例性过程，但是可以理解示例性过程也可由一个或多个模块进行。另外，可以理解术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置成存储模块，并且处理器被具体配置成能够执行所述模块以进行在下文进一步描述的一个或多个过程。

本文所用的术语仅用于描述特别实施例并且不意图限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”意图同样包括复数形式，除非上下文另外明确指出。应当进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“正在包括”指定已陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或附加。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的列出条目中的一个或多个的任何与全部组合。

以下，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。现在应参考附图，在附图中贯穿不同附图使用相同的附图标记以指定相同或类似的部件。

图1A至图1C是示出根据本发明的示例性实施例的根据冷却水电动机的转速的冷却水泵的入口端与出口端的压力差、冷却水的流量，和电动机的输出或转矩之间的关系的图。参考图1A至图1C，当冷却水在冷却系统中正常循环而没有冷却水的短缺时，冷却水泵的入口端与出口端之间的压力差和冷却水的流量在正常状态值的正常范围内，并且对于在恒定速度下驱动冷却泵所必需的转矩在正常状态值的特定范围内。然而，当存在冷却水的短缺或冷却水管道被阻塞防止冷却水正常循环或循环异常时，泵的入口和出口之间的压力差以及泵的流量会减小。此外，基于在泵电动机中的泵速所需的泵的输出(例如，转矩或电流)与正常状态相比也会减小。当冷却水短缺增加时，压力差与泵的流量的降低量进一步增加。

图2是根据本发明的示例性实施例的用于诊断冷却水状态的系统的方框配置图。参考图2，根据本发明的示例性实施例的用于诊断冷却水状态的系统可以应用至冷却水泵控制系统，其可包括：被配置成产生逆变器19的输出电流指令值的速度控制器13，其基于用于冷却水泵10的来自外部输入的速度指令值与冷却水泵10的实际转速检测值之间的差值而调整冷却水泵10的转速。

从速度控制器13输出的输出电流指令值是用于确定逆变器19的输出电流的指令值，所述逆变器19提供3相交流电(AC)功率给冷却泵10。输出电流指令值可以转换成用于确定冷却泵10的转矩的值，并且电流指令值可以转换成转矩指令值。输出电流指令值可以与逆变器19的输出电流的检测值进行比较，并且比较结果可以输入到电流控制器17。电流控制器17可以被配置成确定逆变器10的各个相的电压指令，以使电流指令值与逆变器19的实际检测输出电流相匹配，并且可以被配置成输入电压指令到逆变器19。

在图2中，附图标记“11”是指被配置成比较速度指令值的输出与冷却泵的实际转速测量值以输出对应于它们之间的差值的值的减法器，并且附图标记“15”是指被配置成比较输出电流指令值与逆变器 19的输出的实际检测输出电流值以输出对应于它们之间的差值的值的减法器。此外，冷却泵的实际转速可以由在本领域中公知的转速检测传感器(例如，位置传感器)来检测，并且逆变器19的实际输出电流也可以使用也是本领域中公知的电流传感器来检测。

本发明的示例性实施例可以应用至被配置为如上所述的冷却水泵速控制系统，并且可包括泵速预测模型单元103和泵状态诊断单元105。泵速预测模型单元103和泵状态诊断单元105可以设置在被配置成操作冷却水泵的控制器100中，并且控制器100可包括被配置成将预设算法应用至具体输入值以产生期望输出值的处理器。泵速预测模型单元103可以被配置成接收从速度控制器13输出的逆变器19的输出电流指令值，并且基于接收的输出电流指令值计算泵速估计值。

图3是示出图2中所示的系统的示例性泵速预测模型的控制配置图。特别地，图3中所示的泵速预测模型示出了由下列公式(1)导出的示例性模型，所述公式是泵和泵管道负荷的关系式。

其中T_q表示泵电动机转矩，J表示泵旋转的转动惯量，B表示泵的旋转摩擦系数，K₂表示管道阻力系数，表示泵的旋转加速度，并且表示泵的旋转速度。

公式(1)主要应用于一般的泵和压缩机负荷模型，其中T_q表示由电动机在泵中产生的转矩，表示用于使泵加速和减速的力，表示由泵的旋转产生的摩擦力，并且表示液压单元的阻力(即，由流量和压力产生的阻力)。公式(1)例示本领域中通常使用的泵负荷模型，并且可以应用除了公式(1)以外的方法。此外，由于在公式(1)中的常数是泵的设计参数，所以常数可以使用设计数据来确定，并且使用泵驱动测试推导出。换言之，应用至泵速预测模型单元103的各种类型的泵参数J、N和K₂可以被确定为基于冷却水被正常循环的条件以实验方式调谐的值。

根据公式(1)，用于计算泵的旋转速度的控制配置图可以如图3中所示来实现。换言之，应用至本发明的示例性实施例的泵速预测模型单元13可以被实现为如图3中所示的控制配置，并且泵速预测模型单元13可以被配置成基于从速度控制器13输出的输出电流指令值而产 生冷却泵10的旋转速度估计值。泵状态诊断单元105可以被配置成基于比较由泵速预测模型单元13产生的旋转速度估计值与在冷却水泵10中检测的冷却水泵10的实际旋转速度的结果而诊断冷却水状态。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的图2中所示的系统中实现的用于诊断冷却水状态的方法的流程图。通过关于图4的描述，将更清楚地理解根据本发明的示例性实施例的冷却水状态诊断系统的效果。首先，泵速预测单元103可以被配置成接收从速度控制器13输出的输出电流指令值，并且基于输出电流指令值而产生冷却水泵10的旋转速度估计值(操作S101)。

如上所述，速度控制器13可以被配置成基于从外部输入的速度指令值与在冷却水泵10中检测的实际速度测量值而产生用于反馈控制的输出电流指令值。此外，如图3例示的泵速预测模型单元103可以被配置成通过预设建模控制配置基于输出电流指令值，预测冷却水泵10的转速。预测的冷却水泵10的转速可变为转速估计值。

另外，泵状态诊断单元105可以被配置成基于由泵速预测模型单元103产生的转速估计值和冷却水泵10的实际转速而确定冷却水状态。特别地，泵状态诊断单元105可以被配置成当转速估计值与实际转速之间的差值大于预设参考时，确定冷却水状态为异常。

在图4中所示的示例中，转速估计值与实际转速的比率(即，转速估计值/实际转速)用于一种归一化，以比较转速估计值与实际转速之间的差值，并且所述比率可以在预设时间段期间多次(例如，若干次)计算，且其平均值可以与正常循环确定的参考值比较，以确定冷却水状态是否正常。此外，当基于平均值与用于确定正常循环的参考值的比较结果被确定为异常的时间段大于预设时间段时，冷却水状态可以被确定为异常。

特别地，在操作S103中，由泵速预测模型单元103产生的转速估计值可以除以冷却水泵10的实际转速以计算比率ω_正常，并且在操作S105中，计算的比率ω_正常的平均值(ω_正常)_平均可以在预设时间段内T1计算。在操作S104中的比率计算，即，归一化可以被执行，因为能够通过不管速度的绝对大小如何均基于“1”归一化的速度值执行比较。如果需要的话，那么此类归一化过程可以省略。此外，在操作 S105中用于获得平均值的过程可防止由于突发噪声而发生诊断误差。

在图4中，操作S107和操作S109是指在对于T1的时间间隔的ΔT的恒定时间段内操作S101到操作S103的重复。然后，在操作S111中，可以检测冷却水的正常循环。冷却水的正常循环的检测可以通过确定对于当前时间T1所计算的比率(ω_正常)的平均值(ω_正常)_平均是否小于用于正常循环确定的预设参考值β来进行。

当冷却水不正常循环(例如，异常循环)时，如关于图1A至图1C所描述的，泵的输出可以要求较小，并且速度控制器13的输出电流指令值可以被计算为较小，并且因此，速度估计值也可以被计算为较小。因而，比率ω_正常的平均值(ω_正常)_平均减小。在操作S111中，冷却水的异常循环状态可以使用如上所述的来确定。

当在当前时间T1内所计算的比率ω_正常的平均值(ω_正常)_平均小于用于正常循环确定的预设参考值β时，冷却水可以被确定为处于异常循环状态，并且可以终止诊断过程。然而，在图4的示例中，用于检测冷却水的正常循环的过程可以在预设时间T2内重复。

因此，可以提供操作S115和操作S117。换言之，根据图4的示例，当在预设时间T1内所计算的比率ω_正常的平均值(ω_正常)_平均小于用于正常循环确定的预设参考值β的状态超过T2持续时，可以确定冷却水的异常循环状态等，确定时间可以被重新设定(操作S113)，以重新开始整个过程。另外，用于正常循环确定的参考值β可以小于1，并且通过实验方法可以提前设定为用于最小化诊断时间的值而不会误诊。

图5是根据本发明的示例性实施例的用于诊断冷却水状态的系统的方框配置图。在图5中所示的示例性实施例中，泵速预测模型单元207可以如图2中所示的示例性实施例中所示的那样应用，并且可以在用于冷却水状态诊断的参数上不同。在图5中所示的示例性实施例中，电流指令的估计值可以使用用于对速度控制器13建模的速度控制器模型单元205来产生，并且电流指令的估计值可以与从速度控制器13实际输出的电流指令值进行比较以诊断冷却水状态。

参考图5，根据本发明的示例性实施例的冷却水状态诊断系统可 包括速度控制器模型单元205、泵速预测模型单元207以及泵状态诊断单元209。速度控制器模型单元205可以用作应用至冷却水泵控制系统的速度控制器13，并且可以被配置成基于从外部输入的速度指令值与由泵速预测模型单元207产生的旋转速度估计值之间的差值而产生电流指令估计值。

图6是示出应用至图5中所示的示例性实施例的示例性速度控制器模型的控制配置图。图6中所示的示例性速度控制器模型单元是用于对比例-积分(PI)速度控制器进行建模的控制配置，这与应用至冷却水泵控制系统的速度控制器13基本上相同。当冷却泵速指令值与从泵速预测模型单元207输出的旋转速度估计值之间的差值输入到速度控制器模型单元205时，据此，可以计算电流指令值并且计算出的值可以称为电流指令估计值，因为其可以由转速估计值来计算。电流指令估计值可以重新输入到泵速预测模型单元207以计算冷却水泵的转速估算值。

当将速度估计值与参考图2和图4所述的示例性实施例中的实际速度值进行比较时，在图5的示例性实施例中，电流指令估计可以与实际电流指令值进行比较以诊断冷却水循环状态。此外，如在图1A至图1C的示例性实施例中，由于在公式(1)中例示的各种泵参数I、B和K₂被设定为适当调谐到使冷却水在泵速预测模型单元207中正常循环的条件的值，所以当冷却水实时正常循环时，速度控制器模型单元205可以被配置成计算电流指令估计值。因此，虽然，在冷却水的正常循环中，从速度控制器13输出的实际电流指令与电流指令估计值匹配，但当冷却水不正常循环时，泵的后阶段负荷会减少，并且实际电流指令值可如参考图1A至图1C所述的那样减小。根据这样的原理，电流指令估计值可以与实际电流指令进行比较，以能够确定冷却水是否正常循环。

图7是示出应用至图5中所示的示例性实施例的示例性速度控制器模型的控制配置图。当与参考图4所述的示例性实施例进行比较时，除了为了诊断冷却水循环状态而与用于正常循环确定的预设参考值β进行比较的参数是从速度控制器模型205输出的电流指令估计值这一点，以及该参数可以用从速度控制器13输出的实际输出电流指令值 与从速度控制器模型单元205输出的电流指令估计值的比率归一化这一点之外，图7中所示的示例性实施例基本上相同。因此，即使已经省略了对于图7的另外详细描述，但本领域技术人员可容易地实践图7中所示的示例性实施例。

如上所述，本发明的各种示例性实施例可使用提前建模的泵速预测模型/泵速控制器模型，根据外部输入速度指令计算泵速估计值/电流指令估计值，并且比较泵速估计值/电流指令估计值与实际电流泵速估计值/电流指令估计值以诊断冷却水状态。因此，本发明的各种示例性实施例能够实现在冷却水泵的过渡时段以及在冷却水泵速度恒定的操作时段的冷却水的正常循环诊断。特别地，根据本发明，由于可以在冷却水泵速的过渡时段实时确定冷却水的正常循环，而不需要单独的测试模式，因此可以减少测试时间并且可以改善冷却水的正常循环的确定精度。此外，当冷却水循环处于所有速度区域中的正常状态时，本发明的各种示例性实施例使用预设模型单元实现泵输出预测。

根据本发明的用于诊断冷却水状态的系统和方法，可以诊断在冷却水泵速度改变的过渡时段以及在速度恒定的时段的冷却水的正常循环。特别地，根据本发明，由于可以在冷却水泵速度的过渡时段实时确定冷却水的正常循环，而不需要单独的测试模式，可以减少测试时间并且可以改善冷却水的正常循环的确定精度。此外，根据本发明，当冷却水处于所有速度区域中的正常循环状态时，可以使用预设模型单元来预测泵的输出。

虽然为了说明的目的已经公开了本发明的示例性实施例，但本领域的技术人员应理解各种修改、添加和替代是可行的，而不脱离如所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。