本公开总体上涉及车辆气流和冷却。更具体地，本公开涉及用于配备有冷却风机和主动格栅百叶窗(ags)系统的车辆的功率消耗控制策略以及用于实现该策略的系统。
背景技术：
提供许多装置和系统来控制车辆中的热量累积。例如，通常提供由车辆电气系统供电的冷却风机，以提供流经和通过车辆冷却模块(诸如设置在发动机舱或与传动系相关联的散热器、油冷却器、变速箱流体冷却器和其它换热器)的各种部件的气流。同样地，已知的是提供主动格栅百叶窗(ags)系统，其通常包括多个散热孔(louver)或百叶窗(shutter)，所述散热孔或百叶窗能够枢转到完全打开构造和完全关闭构造之间的各种角度。实际上，已知提供包括上部和下部散热孔或百叶窗组件的ags系统，其允许控制进入发动机舱和/或越过车辆传动系的元件的外部空气的量。ags系统通常用作辅助冷却系统，以增加/减少进入发动机舱和/或传动系部件的外部气流，特别是在车辆行驶时。
这些系统中的每一个都消耗功率，尽管以不同的方式。冷却风机需要来自车辆系统的功率来操作，并且仅通过控制风机转速来控制功率用量。由ags系统提供的气流通过将百叶窗调整到完全关闭(最小气流和最小气动阻力)构造与完全打开(最大气流和最大气动阻力)构造之间的期望位置或打开水平来控制。与ags系统操作有关的车辆功率消耗主要是由所选ags系统位置产生的气动阻力的函数。
通过冷却风机转速设定和ags位置的组合可以实现进入/通过车辆发动机舱和/或越过传动系的部件的所需水平的气流。例如，通过更高的冷却风机转速设定和更关闭的ags设定，或者可选地通过更低的冷却风机转速设定和更打开的ags设定，可以实现相同水平的气流。然而，ags位置/设定和冷却风机转速的每种组合导致车辆总功率消耗水平差异很大，这是由于与单个配对相关的冷却风机功率消耗和气动阻力差异。ags设定和冷却风机转速的特定组合可以在一个或多个车辆热交换器上提供期望的或所需水平的冷却气流，但是在车辆功率消耗和效率方面可能是不希望的。因此，需要一种方法和系统，该方法和系统用于在使用冷却风机和ags系统的车辆中最小化将所需气流提供到/越过/通过车辆冷却模块的一个或多个车辆热交换器和车辆冷却模块的其它部件所需的功率消耗。
为了解决这个和其它问题，本公开涉及用于控制车辆中的功率消耗的方法，其中通过冷却风机和ags系统的组合来提供到各种车辆热交换器的冷却气流，并且涉及用于实现该方法的系统。
技术实现要素：
根据在此描述的目的和益处，在一个方面中，提供了一种用于优化车辆功率消耗的系统，该系统包括冷却风机、主动格栅百叶窗(ags)系统和多个热交换器。提供至少一个控制器，其包括处理器，所述处理器包括用于选择冷却风机转速和ags系统位置的配对的计算机可执行指令，该配对以最小冷却风机/ags功率消耗向所述多个热交换器中占主导地位的一个提供所需的气流。
在实施例中，控制器根据车辆的行驶速率选择配对，并且可操作地连接到用于冷却风机的控制系统和用于ags系统的控制系统。控制器可以从包括多个冷却风机转速值和多个ags位置值的一个或多个所存储的查找表中选择配对，所有多个冷却风机转速值和多个ags位置值均映射到多个车辆速度值和多个热交换器气流需求值。在实施例中，为多个热交换器中的每一个提供单独存储的查找表。
另一方面，描述了一种用于优化车辆功率消耗的方法，该方法包括在车辆中提供多个热交换器、冷却风机和主动格栅百叶窗(ags)系统。还提供了包括处理器的至少一个控制器，该处理器包括计算机可执行指令，所述控制器可操作地连接到用于冷却风机的控制系统和用于ags系统的控制系统。控制器选择冷却风机转速和ags系统位置的配对，其以最小可能的冷却风机/ags功率消耗向多个热交换器中占主导地位的一个提供所需气流。在实施例中，根据车辆的行驶速率进一步选择配对。多个热交换器可以设置在车辆发动机舱中和/或与车辆传动系相关联。
在实施例中，控制器被配置为从一个或多个存储的查找表中选择配对，所述查找表包括全部映射到多个车辆速度值和多个热交换器气流需求值的多个冷却风机转速值和多个ags位置值。在实施例中，为多个热交换器中的每一个提供单独存储的查找表。
在一个实施例中，该方法包括以下步骤：由控制器确定所选配对是否为多个换热器中的其它换热器提供所需气流，如果否，则选择不同的配对，该不同的配对以最小可能的冷却风机/ags功率消耗为多个热交换器中的其它热交换器提供所需的气流。这个步骤可以迭代地重复直到识别出合适的配对。
在又一方面中，描述了一种用于优化车辆功率消耗的方法，该方法包括：在车辆中提供冷却风机、主动格栅百叶窗(ags)系统和多个热交换器，每个热交换器具有随着车辆的行驶速率和/或从热交换器到冷却气流的所需热交换率的特定变化而类似地变化的气流需求。还提供了包括包含计算机可执行指令的处理器的至少一个控制器。该方法进一步包括由至少一个控制器选择冷却风机转速和ags系统位置的配对，所述配对以最小冷却风机/ags功率消耗向多个热交换器中占主导地位的一个提供所需的气流。
在以下描述中，示出和描述了用于控制车辆功率消耗的所公开的方法和系统的实施例。如应该认识到的那样，该装置能够具有其它不同的实施例，并且其多个细节能够在各种明显的方面进行修改，而不脱离如所附权利需求中所阐述和描述的装置和方法。因此，附图和描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
附图说明
并入本文并构成说明书的一部分的附图示出了用于控制车辆功率消耗的所公开的方法和系统的几个方面，并且与说明书一起用于解释其某些原理。在图中：
图1描绘了包括冷却模块的车辆，冷却模块包括主动格栅百叶窗(ags)系统和冷却风机；
图2以流程图的形式描绘了根据本公开确定提供所需气流的最小组合功率消耗的方法；
图3图示了作为冷却风机转速(rpm)和ags系统位置(％打开)的函数绘制的气流等值线(scfm)；
图4图示了作为冷却风机转速(rpm)和ags系统位置(％打开)的函数绘制的组合总功率消耗(w)；
图5以流程图形式示出了用于确定提供满足多个热交换器的需要的所需气流的最小组合功率消耗的方法的实施例；
图6以流程图形式示出了用于确定提供满足多个热交换器的需要的所需气流的最小组合功率消耗的方法的可选实施例；以及
图7进一步示出了图6的方法。
现在将详细参考所公开的用于控制车辆功率消耗的方法和系统的实施例，其示例在附图和图表中示出。
具体实施方式
参考图1，示出了车辆100前端110，其包括格栅元件120和总体上用附图标记130表示的发动机组件。所描绘的格栅元件120包括布置在上部和下部发动机舱开口前方的上部格栅构件和下部格栅构件，尽管提供仅包括单个发动机舱开口的格栅元件是众所周知的。本领域技术人员将容易理解，目前描述的用于控制车辆功率消耗的方法和系统同样适用于这样的车辆。
车辆100还包括冷却组件，该冷却组件包括主动格栅百叶窗(ags)系统140，在所示的实施例中，ags系统140由分别设置在上部和下部发动机舱开口内的上部ags组件150和下部ags组件160提供。每个ags组件150、160包括多个枢转百叶窗或散热孔170，枢转百叶窗或散热孔170可围绕中心轴线枢转，以控制进入车辆100发动机舱和/或越过/通过车辆传动系的多个元件的外部空气(参见箭头)的空气流，特别是在车辆行驶时。同样，已知提供仅包括单个ags百叶窗组件的车辆，并且用于控制车辆功率消耗的目前描述的方法和系统同样适用于这样的车辆。
冷却组件进一步包括可操作地连接到车辆电源(未示出)的冷却风机180，该冷却风机可以在一定范围的风机转速下操作，以在发动机组件130和与其相关的各种热交换器(通常表示为热交换器185a…n)上提供冷却气流。可以理解的是，通常表示为热交换器185a...n的各种热交换器同样在此表示与车辆传动系相关联的热交换器185。
典型地提供有热交换器185以满足部件冷却需求的车辆部件的非限制性示例包括车辆发动机、变速器、空冷和/或液冷式中冷器、电池、空调系统、电动马达、诸如升压/降压转换器的能量转换装置、逆变器、用于自主和非自主车辆的计算机设备、燃料电池、压缩机、用于燃料电池系统的冷凝器、用于包括泵/风机/压缩机/电池/马达等的各种控制器的冷却器等。
图2示出了根据本公开的用于控制车辆功率消耗的方法200。最初的假设是，对于任何给定的车辆100的操作条件(速度、环境温度等)以及对于给定的热交换器冷却空气流需求，存在将为热交换器提供所需的气流的最小的ags系统140和冷却风机180总的组合功率消耗值。最初，在步骤210a...n处，对于一定范围的车辆行驶速率或速度a...n中的每一个，冷却风机180和ags系统140各自通过它们各自的整个操作范围来操作。也就是说，冷却风机180在从“off(关闭)”到尽可能高的风机转速中的每个可能的风机转速下操作，并且ags系统140通过从完全关闭的散热孔170(允许的最小气流和所产生的最小气动阻力)到完全打开的散热孔(允许的最大气流和产生的最大气动阻力)的整个操作范围进行测试。可替代地，冷却风机180和ags系统140可以通过从最低到最高的预定递增增加的一组设定来操作。如本领域技术人员将认识到的，该步骤可以通过实际实验或通过计算机建模来完成。
步骤210提供并且在步骤220输出定义的用于ags系统140和冷却风机180在给定车辆速度下的全部操作范围的二维数据矩阵，输出为：1)ags系统功率用量；2)冷却风机的功率用量；和3)提供到和/或通过每个热交换器的冷却气流。获得这些输出的许多合适的方法都是本领域技术人员熟知的。例如，气流可以通过计算流体动力学(cfd)或实际的车内测量来确定。可归因于ags系统140位置的功率消耗表现为车辆阻力的增加，这转化为在给定车辆速度下增加的功率消耗。增加的阻力可以在车内或通过cfd测量。同样，风机功率消耗可以直接在车内测量，也可以通过cfd计算和伴随的风机功率模型来确定。
根据需要重复步骤210，用于期望范围的车辆速度a...n，最终结果是输出的数据库230，其包括用于以下的值：1)ags系统140的功率用量，即由于与打开ags散热孔或百叶窗相关的增加的阻力而引起的车辆行进功率(aeropower)的增加；2)冷却风机180的功率用量；以及3)为每个选定的车辆速度和在ags系统和冷却风机的整个操作范围上提供冷却气流。可以理解的是，该数据库230包括在气流路径中越过/通过每个热交换器的全范围的冷却气流值。数据库230还包括全范围的ags系统140功率消耗值和冷却风机180功率消耗值。
接下来，在步骤240，处理数据库230以确定作为用于特定车辆100速度的冷却风机180转速和ags系统140位置(即散热孔打开的％)配对的函数的气流。该信息可以被描绘为气流等值线300a...n的范围。作为一个非限制性示例，等值线300e(参见图3)表示1200scfm的气流值。这个1200scfm气流值可以由从大于2600rpm的冷却风机转速和大约7-10％打开的ags系统位置到大约700-800rpm的冷却风机转速和大约80-100％打开的ags系统位置范围内的各种冷却风机180的转速和ags系统140位置来提供。如本领域技术人员将认识到的，这些冷却风机180/ags系统140配对中的每一个将导致不同的组合功率消耗水平。下一个任务是找到提供期望的气流值的最低的组合功率消耗水平。
返回图2，在步骤250中，使用图3中描绘的冷却风机180/ags系统140配对来确定组合冷却风机/ags系统功率用量，即对于每个配对的总组合功率消耗值400a…n(参见图4)。通过将如此确定的组合功率用量与由相同配对提供的气流(参见图3)叠加，确定了可以提供所述气流的配对范围内的给定气流的组合功率用量。提供输送所述气流值的最小功率用量值的配对然后可以通过任何合适的方法来确定，例如通过微分求解最小值。回到图3，对于所确定的气流范围的这个最小功率确定的结果，通常以线301表示，由此在由等值线300a...n所描绘的给定气流下，通过线301与气流等值线的交点给出最小组合冷却风机/ags系统功率用量。对整个选定的车辆速度范围a...n和期望的冷却气流重复该过程以提供映射到每个车辆速度a…n和每个热交换器冷却气流需求的ags系统140位置和冷却风机180转速的组合的最小功率消耗配对的映射或查找表260。这可以被概念化为车速a...n和热交换器气流需求作为轴线以及由在每个点处的ags系统140和冷却风机180的转速配对提供的最小总的组合功率消耗的二维图形。
该查找表260被制成用于在车内使用的冷却策略的控制器校准的一部分。该策略需求操作地连接到ags系统140和冷却风机180的一个或多个车辆控制器(通常用附图标记190表示；参见图1)以确定其控制的特定系统所需的气流。然后控制器190利用查找表260从确定的车辆速度信息确定ags系统140位置/冷却风机180转速的配对，该配对提供将提供所需气流的最小的总的组合功率消耗。
诸如用于控制和监测包括冷却系统/热交换器185的各种车辆100系统功能的控制器190的性质和设计在本领域中是公知的。在高级别，控制器190包括处理器或微处理器、储存器和存储器。控制器可以经由串行总线(例如控制器局域网(can))或经由专用电缆进行通信。控制器通常包括任何数量的微处理器、asic(专用集成电路)、ic(集成电路)、存储器(例如flash(闪存)、rom(只读存储器)、ram(随机存取存储器)、eprom(可擦可编程只读存储器)和/或eeprom(电可擦可编程只读存储器))和软件代码以彼此合作以执行一系列操作。控制器还包括存储在存储器内的诸如由上述计算和测试数据提供的查找表260的预定数据。控制器190可以使用公共总线协议(例如can和lin(局域互联网络))通过一个或多个有线或无线车辆连接与其它车辆系统和控制器通信。在此使用的对“控制器”的引用是指一个或多个控制器。
在图5中描绘的一个实施例中，示出了冷却策略500，其表示对于多个热交换器185a...n有多个气流需求的情况，即热交换器组a...n的每个热交换器根据车辆行驶速率、环境温度或其它环境条件、从热交换器到冷却气流的所需的热交换率等，具有用于冷却目的的所需的气流。最初，在步骤510，为每个热交换器a...n提供如上所述创建的单独的查找表260a…n并由控制器190存储在存储器中。如所描述的，每个查找表260包括作为每个确定的车辆速度a...n的函数的所选热交换器的气流需求。作为一个非限制性示例，在车辆速度、环境温度、环境压力和所需的热交换率的特定情况下，第一热交换器可以是需要800scfm的冷却气流值的车辆100空调冷凝器，并且第二热交换器可以是需要1500scfm的冷却气流值的车辆100散热器。如本领域技术人员将理解的那样，这些气流需求可以由计算机预先实验和/或建模，并由控制器190存储在存储器中。例如，空气流可以通过经由计算流体动力学(cfd)建模或实际的车内测量来确定。在步骤520，控制器190确定哪个特定的热交换器a...n的气流需要(即在图中总体指定为热交换器“x”的“主导”热交换器)将满足其余热交换器185a...n的气流需求。图2中所描绘的分析对于或已经针对所述的每个换热器a…n先验地执行。假定主导热交换器的气流需求将满足所有其它热交换器的气流需求，则选择为主导热交换器提供期望的气流的最小总的组合功率消耗配对(步骤530)。通过这种方式，所有热交换器将至少接收最小的其期望的气流，除了主导的热交换器之外的所有热交换器通常接收比期望的主导的热交换器更多的期望的气流。
因此，在该示例中，以最小组合功率消耗值向空调冷凝器提供800scfm的ags系统140/冷却风机180配对可能仅向散热器提供1250scfm。然而，以最小组合功率消耗值向散热器提供1500scfm的ags系统140/冷却风机180配对可以向空调冷凝器提供960scfm。因此，控制器190将选择ags系统140位置/冷却风机180的转速配对，该配对以最小的总组合功率消耗值提供散热器所需的气流。在这种设定下提供的气流也满足空调冷凝器的气流需要过量。在这种情况下，散热器将被认为是多个热交换器185a...n的主导热交换器。可以理解的是，包括两个热交换器185的上述示例仅仅是为了简化而呈现的，并且所描述的分析同样且直接地适用于3、4、5以及更多的热交换器。
如将认识到的，可以容易地开发类似的策略，其中确切的热交换器a…n的气流需求是未知的，而是仅仅需要“更多或更少的气流”是已知的。在这种情况下，可以再次通过如上所述的相同的查找表260对当前气流情况进行评估。特定的热交换器控制器190可基于相同的变量(即车辆速度、环境温度、环境压力和所需的热交换率)发出对更多或更少的气流的请求。可以将控制器190发出的“更多或更少的气流”请求转换成达到目标的气流增量，然后可以实施上述策略500以选择特定的热交换器所需的气流值，该值满足热交换器组185a...n的所有气流需求。如果这个增量不足以使热交换器请求更多的气流，则对于更多的气流的请求将会持续，并且该方法可能继续被使用，通过将增量请求转换成更大或更小的值来实现增量气流数量的一些修改。
作为示例，假设控制器190确定需要更多的气流通过散热器。这可以利用通常可用的反馈温度信号来完成，例如气缸盖温度或发动机冷却液温度。这两个信号都具有期望的上限，例如115℃。计划的“增量”表格可以基于多种因素来创建，包括所感测的温度与限制的接近度、发动机功率输出以及环境温度。感测到的温度越高，负载越高，环境温度越高，增量气流就越高。因此，如果发动机输出功率为65kw，冷却液温度为114℃，环境温度为40℃，则气流增量可能为1000scfm。另一方面，如果发动机输出功率为8kw，冷却液温度为112℃，环境温度为20℃，则气流增量可能为100scfm。
作为另一示例，回到特定的热交换器a…n气流需求未知和/或不能确定的情况，本领域中已知的是提供控制器190，该控制器190被配置为选择预定的冷却风机180/ags系统140配对，该预定的冷却风机180/ags系统140将向具有根据一个或多个车辆操作条件而变化的冷却气流需求的车辆部件系统提供预定的气流。该冷却气流需求可以是用于发动机组件130，用于设置在发动机舱110中的所有部件，用于传动系等，并且可以根据各种输入而变化，包括但不限于车辆行驶速率、环境温度、环境压力、所需的热交换率等。可以理解的是，这些输入可以通过本领域公知类型的多个传感器提供给控制器190。
然而，控制器190可能不具有在任何给定的时间为与车辆部件系统关联设置的多个热交换器185a...n中的每一个热交换器确定精确的气流需求的能力，而是更常见的是可以被配置成简单地选择预定风机转速/ags位置配对，而不根据各种可测量因素明确考虑所需的实际气流值，所述可测量因素诸如利用热交换器的各种系统的操作温度、车辆行驶速率、环境温度、环境大气压力、所需的热交换率等。该选择的风机转速/ags位置配对可以通过本领域技术人员已知的任何一种或多种控制方法/策略来选择，例如基于状态的控制策略、基于查询表的控制策略、反馈(例如比例和积分反馈或比例-积分-微分(pid)反馈)控制策略以及前馈控制策略。
接下来，通过相同或不同的查找表260，将所选择的冷却风机180/ags位置配对映射到所有热交换器185a...n的预定气流值。每个热交换器185a...n的这些预定气流然后变成每个热交换器所需的气流，并且通过上述方法，选择提供必要气流的最小功率消耗风机转速/ags位置配对，从而重写最初选择的配对。换句话说，作为示例，控制器190可以被配置成解释如上总结的“在110℃的发动机冷却剂温度、以及50mph(每小时英里数)的行驶速率和75°f的环境温度”各种输入，选择1000rpm(每分钟转数)的风机转速和30％的ags打开度。从查找表260中，确定每个热交换器的气流并选择主导热交换器(即需要最大气流)，在该非限制性示例中，该热交换器可以是需要800scfm冷却气流的发动机散热器。从预定的最小组合功率消耗ags系统140/冷却风机180配对映射到冷却气流速率的查找表260中，选择提供800scfm到散热器的配对，从而重写最初选择的风机转速/ags位置配对。
换言之，通过诸如基于状态、基于查找表、反馈和前馈方法之类的常规手段选择的最初选择的预定冷却风机180/ags系统140配对可能不提供最小可能的总组合功率消耗值，从存储的预定冷却风机180/ags系统140配对列表或本领域技术人员已知的用于选择诸如pi控制的其它控制策略中选择，在不考虑每个热交换器的气流需求和组合的ags/风机配对功率消耗的情况下响应于所描述的各种可测量因素给出。为了解决这样的情况，在一个实施例中，上述方法被用作现有冷却风机180/ags系统140控制系统的校正器，以便通过最小功率消耗冷却风机180/ags系统140配对来提供相同的预期气流，虽然没有明确地预先确定。
在图6中以高水平示出了该校正方法的一个实施例，示出了冷却策略600。在步骤620，控制器190根据如上所述的一个或多个车辆输入来选择预定的冷却风机180转速/ags系统140位置配对。这是在没有对实际热交换器气流需求或者甚至是由选定的预定冷却风机180转速/ags系统140位置配对提供什么气流的知识或考虑的情况下完成的。在步骤630，预定配对映射到存储在一个或多个查找表260中并如上所述确定的热交换器185a...n的存储气流值。通过该步骤，即使控制器没有被配置为请求特定气流本身，也可以确定控制器190已经请求的什么实际气流值。此外，现在已知每个热交换器185a...n的气流需求(步骤640)。
在步骤650，通过上述方法，确定的气流值请求通过查找表260或另一个查找表映射到冷却风机180转速/ags系统140的位置配对，该配对将以最小总功率消耗提供所需的确定气流。
图6中的校正方法在图7中进一步更详细地示出。假定控制器190已经确定需要“更多或更少的气流”，其可以从各种车辆系统操作温度、负载、环境温度、制冷剂压头压力、显式冷却请求等中的一个或多个确定。再一次，如上所述，这可以反映针对设置在发动机舱110中的所有部件、传动系等的来自一个或多个车辆系统(例如发动机组130)的一个或多个单独热交换器185a...n的需求的冷却请求。如上所述，通过包括基于状态、基于查找表、反馈(例如pi或pid控制)和前馈方法的各种已知的控制方法/策略，控制器190选择预定的冷却风机180转速/ags系统140位置配对。这是在没有考虑任何热交换器185a...n的实际气流需求或者就此而言由所选的预定冷却风机180的转速/ags系统140位置配对提供的什么气流的情况下完成的。控制器190被简单地配置为基于由如上概述的一个或多个车辆输入所确定的感知到的对冷却的需求来选择预定的冷却风扇180转速/ags系统140的位置配对。
在步骤720中，通过以上在图2和图3的讨论中详细描述的方法，基本气流、ags系统140的位置/阻力(即在一定范围的操作位置处的ags功率消耗)和冷却风机180转速/功率消耗在车辆操作条件的范围内被确定。这些值被保存到一个或多个查找表260。在步骤740处，再次通过上面在图2和图3的讨论中描述的方法，确定以最小组合功率消耗提供确定气流的冷却风机180转速/ags系统140位置配对，并将其保存为相同或不同的查找表260。
在步骤760，控制器190选择的预定冷却风机180转速/ags系统140位置配对被映射到查找表260，查找表260包含在车辆操作条件范围内提供的每个热交换器185a...n的先前确定的气流。可以理解，该步骤760允许确定控制器190在选择预定冷却风机180转速/ags系统140位置配对时所请求的实际气流。然后可以将实际气流映射到包含所确定的冷却风机180转速/ags系统140位置配对的查找表，该配对提供具有最小组合功率消耗的实际气流，该配对然后由控制器190选择。通过该步骤，控制器190选择的预定冷却风机转速180/ags系统140位置配对被校正，以通过冷却风机180和ags系统140以最小组合功率消耗提供所需但未定量的冷却气流。
根据上述教导，明显的修改和变化是可能的。当这些权利要求根据其公正、合法和公平地享有的广度来解释时，所有这些修改和变化都在所附权利要求的范围内。