CN108758005B - 新能源车冷却系统的三通阀组件的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新能源车冷却系统的三通阀组件及控制方法，属于新能源汽车技术领域。本发明解决了现有技术密封差、易卡死、工作不稳定、精度低、成本高等问题，尤其是对工作环境和性能要求比较严格的特殊场合，具有较强的应用性。该新能源车冷却系统的三通阀组件，包括三通阀壳、三通阀芯，三通阀芯由驱动器进行驱动旋转，进而对冷却液通路进行调节，所述的驱动器包括：由电机驱动的涡轮蜗杆传动机构，蜗轮连接有减速齿轮组，其中三通阀芯安装在减速齿轮组的一个减速齿轮上，电机由控制器控制旋转所需的角度。本发明具备结构合理、适用范围广、工作稳定可靠等诸多优点，具有良好的经济效益及广阔的市场前景。

Description

新能源车冷却系统的三通阀组件的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源车技术领域，具体为新能源车冷却系统的高性能三通阀组件及控制系统、方法。

背景技术

目前，新能源车中冷却液需要专用的三通阀配合，形成通路、回路，对于特殊需求和特殊场合，对三通阀结构密封性、结构传动稳定性和精确控制性要求较高，尤其是三通阀控制的准确性是精确控制三通阀液体流通的关键，例如对新能源汽车中电池组内部冷却管道或者精密ECU控制芯片等特殊部位冷却。而现今的三通阀往往采用电磁铁、齿轮齿条的方式驱动三通阀的阀杆进行轴向移动，由此打开不同的通路，但这种结构往往存在诸多不足，如：1、这种三通阀的阀芯与阀体的密封性能不佳，由于密封的接触面不够大，易出现漏液现象；2、阀杆轴向移动过程中容易出现卡死等现象；3、传动机构需要将旋转运动转化为直线运动，传动易出错，工作不牢靠；4、此外，现有三通阀结构和控制技术并不能满足特殊高精度高稳定性要求，如果通过增加辅助传感器达到精确控制的成本也较高。研究发现，长期使用尤其是在高温高压情况下长期使用会造成三通阀内部传动构件(阀芯阀体等)和外部驱动部件(如齿轮、齿条等)发生磨损/腐蚀等，由于三通阀内部和外部传动系统的叠加磨损/腐蚀问题会产生叠加行程误差，导致控制精度和稳定性降低，而现有技术没有解决该问题的手段，且辅助以附加多个传感器检测矫正会带来成本的增加。

发明内容

针对现有技术存在的上述诸多不足，本发明提供了新能源车冷却系统高性能三通阀组件及控制方法，解决了上述现有技术中的缺陷，达到了密封性能佳、阀杆不易卡死、工作稳定牢靠、高性能、高精度、安全可靠、低成本的效果。能够适用于一般和/或对工作环境和性能要求比较严格的特殊场合。

本发明的具体技术方案如下：一种新能源车冷却系统的三通阀组件，包括阀主体和驱动器，所述阀主体包括三通阀壳、三通阀芯和三通阀基座，所述三通阀芯安装在三通阀壳内并连同三通阀壳一起密封固定安装在所述三通阀基座上，所述三通阀基座上开有第一安装孔，所述三通阀芯的端轴的一端穿过所述第一安装孔与驱动器的输出齿轮的转轴旋转驱动连接，通过驱动器的旋转驱动进而对冷却系统中的冷却液通路进行调节；其中，所述三通阀壳包括一个主通道口和两个分通道口；其中，所述三通阀芯依次包括端轴、固定在端轴上的限位凸块、压缩弹簧、中间片体、阀片、阀片座、密封件，所述端轴的另一端与所述中间片体的一端轴向可滑动且周向共同旋转驱动连接，所述中间片体的另一端与所述阀片的一端面共同旋转驱动连接，所述阀片另一端面紧贴所述阀片座端面并相对于所述阀片座可滑动旋转，所述阀片座连同所述密封件一起固定安装在所述三通阀壳内部，所述压缩弹簧安装于所述限位凸块与所述中间片体之间以对所述中间片体施加轴向推力；其中，所述三通阀基座上的所述第一安装孔的外缘部的周向上间隔设置有两个限位凸起，所述两个限位凸起用于限制所述限位凸块的周向转动行程，以此限制所述阀片相对阀片座的最大转动角度；其中，所述驱动器包括主壳体、密封盖板、和安装在所述主壳体和密封盖板之间的电驱动单元，其中，所述电驱动单元包括电机、电机控制单元和与电机传动连接的中间传动系统，所述中间传动系统包括安装在所述电机转轴上的蜗杆、与所述蜗杆传动连接的蜗轮、与所述蜗轮传动连接的双联齿轮、与所述双联齿轮传动连接的所述输出齿轮，其中，所述输出齿轮的转轴一端穿过所述密封盖板上的第二安装孔与所述端轴的一端旋转连接。

进一步的，所述三通阀芯的端轴与所述第一安装孔之间设置轴承和密封圈，所述输出齿轮的转轴一端与所述密封盖板上的第二安装孔之间设置轴承和密封圈。

进一步的，所述驱动器通过主壳体上的多个定位销钉与所述三通阀基座上对应的定位销孔配合安装连接。

进一步的，所述的三通阀芯上的阀片的中心设有中心孔。所述阀片和阀片座采用氧化锆材料制成。进一步的，所述三通阀壳采用改性适应乙二醇的PPA材料制成。

三通阀组件的阀主体部分由一个进液口和两个出液口组成，三通阀组件内部的步进电机通过涡轮蜗杆、中间减速齿轮组带动阀片转动，从而调整每个出液口的开度，最终实现对每个出液口流量控制和冷却液流向的控制。

一种包括上述三通阀组件的控制系统的控制方法，其中，所述三通阀组件通过电机带动中间传动系统最终驱动阀片旋转，其中所述电机、中间传动系统、阀片满足如下理论设定关系：M＝RN/(360度)，其中，M表示电机一个行程转动的转数，R表示中间传动系统的预设理论传动比，N表示阀片由于电机转动一个行程而旋转张开的行程角度；

所述控制方法实施以下控制步骤：所述控制系统上电后，步骤一、首先进行系统初始化；步骤二、待上述控制系统初始化完毕后驱动电机工作，使电机正转M1转进而使得所述三通阀组件的阀片正向旋转打开一预设的理论行程角度N1，M1可由控制系统根据预设的N1及上述理论设定关系计算可得；步骤三、再驱动电机反向转动，直到阀片完全回归初始位置且电机无法转动为止，此时完成阀片初始位置的位置定位；步骤四、从上述阀片处于初始位置开始，驱动电机正向转动直到阀片达到最大行程位置为止，此时电机由于受到阀片最大行程位置的行程限位限制而停转，此时记录电机从上述阀片初始位置到阀片最大行程位置为止所转动的总转数为Mmax；步骤五，计算电机补偿误差ΔMa：由于阀片初始位置和最大行程位置的行程角度为预设固定值Nmax，则通过上述理论设定关系公式可知，该三通阀组件从电机到阀片之间的整个传动系统存在的整体传动误差为ΔMa＝Mmax-(RNmax/(360度))，即得到电机补偿误差ΔMa的值；步骤六，完成上述步骤五之后，所述控制系统开始正常运行并在正常运行期间实施电机误差补偿措施：即当需要控制阀片打开一目标行程角度 N时，所述控制系统根据上述理论设定关系计算出目标电机转数M，并在该目标电机转数M的基础上施加额外的电机补偿误差ΔMa来驱动电机旋转；其中，在实施所述步骤六的电机误差补偿措施期间，如果电机在同一个旋转方向上存在一个或多个连续的旋转行程，其间未发生电机换向旋转，则仅对该方向上的第一个旋转行程实施电机误差补偿措施，而如果紧接该一个或多个连续的旋转行程之后，电机发生换向旋转，则仅对该电机换向后的方向上的第一个旋转行程实施电机误差补偿措施，以此类推实施阀片旋转角度的调节控制。

进一步优选，N1小于30度，优选20度。

还提供一种运行前述控制方法的控制系统。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

本发明提供了新能源汽车冷却系统的三通阀组件及控制方法，具备以下有益效果：

1、本发明的三通阀外形紧凑，便于其在整车上的布局，同时阀口截面较大，可以工作中对大流量的控制需求。

2、在三通阀的驱动方面采用步进电机驱动，可以实现信号的返馈和比例控制。

3、在减速机构中采用了蜗杆蜗轮的传动方式，一方面实现了大的减速比，同时实现了阀的自锁功能，增加阀在工作过程中的稳定性。

4、阀片与阀片座的接合面积较小，有效的降低了运动摩擦。

5、通过将流体的液动力作用在阀片的背面，增大阀片向下的压力，使阀片座与密封垫之间密封的更紧，减小内漏。

6、阀片中心增加中心孔，减小长期使用过程中产生的不均匀的磨损，保证阀片工作面的平面度。

7、根据研究，发现了长期使用尤其是在高温高压情况下长期使用会造成三通阀内部传动构件(阀芯阀体等)和外部驱动部件(如齿轮、齿条等)发生磨损/腐蚀等问题产生的叠加行程误差，导致控制精度和稳定性降低问题。本发明采用独特的控制方式，并根据特殊的误差获取手段，准确的检测确定系统误差，然后针对系统进行特殊控制方式的误差补偿，有效的提高了三通阀组件的工作稳定性取得了高性能、高精度、安全可靠、低成本的效果。且不仅能够适用于一般环境，还能较好的适用于对工作环境和性能要求比较严格的特殊场合。

附图说明

图1为本发明结构分解示意图；

图2为本发明中局部结构图。

具体实施方式

结合附图以具体实施例对本发明作进一步的描述；

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明提供一种技术方案：

一种新能源车冷却系统的三通阀组件，包括阀主体和驱动器3，所述阀主体包括三通阀壳1、三通阀芯2和三通阀基座11，所述三通阀芯2安装在三通阀壳1内并连同三通阀壳1一起密封固定安装在所述三通阀基座11上，所述三通阀基座11上开有第一安装孔14，所述三通阀芯2的端轴16穿过所述第一安装孔14与驱动器3的输出齿轮8的转轴旋转驱动连接，通过驱动器3的旋转驱动进而对冷却系统中的冷却液通路进行调节；其中，所述三通阀壳1包括一个主通道口15和两个分通道口23、24；其中，所述三通阀芯2依次包括端轴16、固定在端轴16上的限位凸块17、压缩弹簧18、中间片体19、阀片20、阀片座21、密封件22，所述端轴16的一端穿过所述第一安装孔14与驱动器3 的输出齿轮8的转轴旋转驱动连接，所述端轴16的另一端与所述中间片体19 的一端轴向可滑动且周向共同旋转驱动连接，所述中间片体19的另一端与所述阀片20的一端面共同旋转驱动连接，所述阀片20另一端面紧贴所述阀片座 21端面并相对于所述阀片座21可滑动旋转，所述阀片座21连同所述密封件 22一起固定安装在所述三通阀壳1内部，所述压缩弹簧18安装于所述限位凸块17与所述中间片体19之间以对所述中间片体19施加轴向推力，进而间接对阀片20向阀片座21方向施加推力；其中，所述三通阀基座11上的所述第一安装孔14的外缘部周向上间隔设置有两个限位凸起15，所述两个限位凸起15 用于限制所述限位凸块17的周向转动行程，以此控制阀片20在阀片座21上的转动角度，进而实现所述主通道口15分别和两个分通道口23、24之间通路的闭合或开启。

所述的驱动器3包括主壳体9、密封盖板10、和安装在所述主壳体9和密封盖板10之间的电驱动单元，其中，所述电驱动单元包括电机4、电机控制单元25和与电机4传动连接的中间传动系统，所述中间传动系统包括安装在所述电机4转轴上的蜗杆5、与所述蜗杆5传动连接的蜗轮6、与所述蜗轮6传动连接的双联齿轮7、与所述双联齿轮7传动连接的所述输出齿轮8，其中，所述输出齿轮8的转轴一端穿过所述密封盖板10上的第二安装孔与所述端轴16的一端旋转连接。

进一步的，所述三通阀芯2的端轴16与所述第一安装孔14之间设置轴承和密封圈，所述输出齿轮8的转轴一端与所述密封盖板10上的第二安装孔之间设置轴承和密封圈。

进一步的，所述驱动器3通过主壳体9上的多个定位销钉12与所述三通阀基座11上对应的定位销孔13配合安装连接。

其中三通阀芯2通过上述电驱动单元中的电机、涡轮蜗杆、齿轮传动装置驱动控制，所述阀片座上具有两个通孔分别对应联通于两个分通道口23、24，电机4由电机控制单元25控制旋转并最终驱动三通阀芯的阀片相对于阀片座之间旋转所需的角度，进而实现所述主通道口15分别和两个分通道口23、24 之间通路的闭合或开启或部分闭合、部分开启。

所述的蜗杆5与蜗轮6配合，使三通阀芯2具有自锁功能，避免三通阀芯控制失灵或者产生较大角度偏差异常。

如下详细对本发明技术方案实现的去除行程误差的高精度、高稳定性、低成本、的控制方式和原理进行说明：

一种包括前述新能源车冷却系统的三通阀组件的控制系统和控制方法，其中，所述电机、中间传动系统(包括蜗轮蜗杆传动机构和齿轮传动机构)、阀片满足如下理论设定关系：M＝RN/(360度)，其中，M表示电机一个行程转动的转数，R表示中间传动系统的预设理论传动比，N表示阀片由于电机转动一个行程而旋转张开的行程角度(也称为阀片转动开度)。

所述控制系统和控制方法实施以下控制步骤：所述控制系统上电后，步骤一、首先进行系统初始化(包括电机控制单元的ECU电子时钟、电机驱动电路等初始化)。步骤二、待上述系统初始化完毕后驱动电机工作，使电机正转 M1转进而使得所述三通阀的阀片正向旋转打开一预设的理论行程角度N1(说明，图1中阀片和阀片座相对位置为分通道口23的流路完全闭合、分通道口 24的流路完全打开状态，即阀片初始位置状态，当阀片正向旋转到不能旋转的位置，即所述限位凸块17由图1中上部限位凸起15位置旋转到下部限位凸起 15时，此时分通道口23的流路完全打开、分通道口24的流路完全闭合，即阀片最大行程位置状态)，M1可由控制系统根据预设的N1及上述理论设定关系计算可得(其中，N1优选小于30度，最优20度，因为N1不能设定太小，太小可能由于中间传动系统及阀芯传动机构的磨损/腐蚀问题，电机转过一定角度可能阀片还未动作，也不能太大，太大可能增加运行时间，使得整个系统进入正常工作的响应灵敏度降低)，参数N1可提供用户手动可调输入端口，用户可按经验间隔一定周期后根据实际磨损和腐蚀情况进行参数修改与设定保证校准准确性。步骤三、再驱动电机反向转动，直到阀片完全回归初始位置电机无法转动为止(可通过检测电机驱动电路中电流的突变来判断由于阀片到达行程限位位置时(行程限位位置包括阀片初始位置和阀片最大行程位置)使得电机无法转动的情况，也可以通过设置速度传感器，检测电机转速或者中间传动系统转速判断阀门达到行程限位位置，或者也可以通过位置传感器检测阀片位置判断阀片达到行程限位位置，优选通过检测电机驱动电路中电流突变以减少额外传感器的使用进一步节省成本)，此时完成阀片初始位置的位置定位。其中，步骤二、三的设置为了确定阀片初始位置，因为在系统开机前，可能由于系统前次使用结束断电时阀片还未完全回位或者由于外部因素(如振动、温差等因素)导致阀片未处在初始位置，如果不进行初始位置定位，虽然短期使用可能影响不大，但是长期频繁使用可能存在较大误差，造成控制精度较低。步骤四、从上述阀片处于初始位置开始，驱动电机正向转动直到阀片达到最大行程位置为止，此时电机由于受到阀片最大行程位置的行程限位限制而停转，此时记录电机从上述阀片初始位置到阀片最大行程位置为止所转动的总转数为Mmax；步骤五，计算电机补偿误差ΔMa：由于阀片初始位置和最大行程位置的行程角度为预设固定值Nmax(即阀片的最大行程旋转角度值)，则通过上述理论设定关系公式M＝RN/(360度)可知，该三通阀组件从电机到阀片之间的整体传动系统存在的整体传动误差(包括蜗轮蜗杆机构，齿轮传动机构，阀芯中阀片的驱动机构三者之间传动累积误差)为ΔMa＝Mmax-(RNmax/(360度))，即电机补偿误差ΔMa可被计算出。

步骤六，所述控制系统正常运行并在运行期间实施整体传动系统的误差补偿措施，即控制系统在根据上述理论设定关系通过驱动电机转动目标转数M来实现阀片行程角度N时，在根据上述理论设定关系计算出的目标电机转数M 的基础上再施加额外的电机补偿误差ΔMa来驱动电机旋转，以补偿整体传动系统误差造成的控制精度和准确性问题，此外还减少了不必要的额外传感器件的应用，降低了成本，满足对经济性、准确性、安全性、稳定性要求比较严格的场合的使用要求。

进一步的，电机在一个方向上(例如正向旋转方向上)可能存在一个或多个连续的行程，期间未发生电机换向旋转(例如由之前的正向旋转改变为反向旋转)，则仅对该方向上的第一个行程实施电机误差补偿措施，而如果紧接该一个或多个连续的行程之后，电机发生换向旋转，则仅对该电机换向后的方向上的第一个行程实施电机误差补偿措施，而如果紧接该换向后的方向上的第一个行程之后还存在一个或多个相同方向的行程，期间未发生电机换向旋转，则对所述一个或多个相同方向的行程不实施电机误差补偿措施，直至电机运转方向再次发生变化为止，以此类推实施连续控制。

也就是说，由于控制流经阀芯流量的变化需要，可能需要间断的频繁控制阀片旋转开度大小，而在阀片从初始位置开始连续增大或间隔一段时间变大期间(电机连续或者间隔一段时间正转)，即如果阀片(或电机)运转方向始终未发生换向(即阀片都是变大，电机都是正转)，则控制系统在实施电机误差补偿时，仅仅对在该期间内的首个行程进行补偿(即对阀片从初始位置第一次变大到预定开度位置的行程，也就是电机在阀片初始位置到预定位置时发生的正转行程进行补偿)，而对于后续根据流量变大需要可能还需要增加阀片开度，则后续再增大的行程不再进行误差补偿，因为首个行程补偿过了，后续的行程在同方向上运转，不存在新引入的误差无需重复补偿，直到阀片(或电机)运转方向发生变化时(如，当下流量太大，需要减少阀片开度，阀片和电机需要反向运转)，则在该变化后的方向上，对首个行程再实施电机误差补偿，对后续未发生换向的行程同理不进行误差补偿，直到再次换向发生，依次类推。

上述控制系统，由于补偿误差在每次系统启动时都需要更新换算避免了由于随着使用时间的增长或者地域或者外部环境的变化，导致控制精度下降问题，具有较高的环境、地域适应性和动态修正能力，通过上述三通阀组件控制系统的精确控制，即，在三通阀精确控制要求较高场合，通过控制系统在进入常态化运行前，测量系统存在的误差，并在控制阀片打开或者关闭期间，分别应用电机误差补偿措施，有效的提高了精度、和稳定性，避免了通过增加辅助传感器提高控制精确度的成本。此外，根据研究，也有效降低了由于长期尤其是在高温高压情况下长期使用造成三通阀内部传动构件(驱动阀片旋转的构件)和外部驱动部件(如中间齿轮传动机构等)发生磨损/腐蚀等产生的叠加行程误差对控制系统的影响，提高了控制精度和稳定性，有效解决了上述缺陷，对经济性、准确性、安全性、稳定性要求比较严格的场合，能够满足使用要求，节约成本。当然，程序或者硬件上也可设置成定期或根据手动需要实施补偿误差换算程序，这些都是本领域计算人员的常规的变型手段。

需要说明的是，在本文中，术语″包括″、″包含″或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种包括冷却系统用三通阀组件的控制系统的控制方法，所述三通阀组件包括阀主体和驱动器(3)，所述阀主体包括三通阀壳(1)、三通阀芯(2)和三通阀基座(11)，三通阀芯(2)包括阀片(20)和阀片座(21)，所述阀片(20)一端面紧贴所述阀片座(21)端面并相对于所述阀片座(21)可滑动旋转，所述驱动器(3)包括电机(4)、中间传动系统，所述阀片(20)由驱动器(3)中的电机(4)通过中间传动系统间接进行驱动旋转，进而对冷却液通路进行调节；其中所述电机、中间传动系统、阀片满足如下理论设定关系：M＝RN/(360度)，其中，M表示电机一个行程转动的转数，R表示中间传动系统的预设理论传动比，N表示阀片由于电机转动一个行程而旋转张开的行程角度；

所述控制方法实施以下控制步骤：所述控制系统上电后，步骤一、首先进行系统初始化；步骤二、待上述控制系统初始化完毕后驱动电机工作，使电机正转M1转进而使得所述三通阀组件的阀片正向旋转打开一预设的理论行程角度N1，M1可由控制系统根据预设的N1及上述理论设定关系计算可得；步骤三、再驱动电机反向转动，直到阀片完全回归初始位置且电机无法转动为止，此时完成阀片初始位置的位置定位；步骤四、从上述阀片处于初始位置开始，驱动电机正向转动直到阀片达到最大行程位置为止，此时电机由于受到阀片最大行程位置的行程限位限制而停转，此时记录电机从上述阀片初始位置到阀片最大行程位置为止所转动的总转数为Mmax；步骤五，计算电机补偿误差ΔMa：由于阀片初始位置和最大行程位置的行程角度为预设固定值Nmax，则通过上述理论设定关系公式可知，该三通阀组件从电机到阀片之间的整个传动系统存在的整体传动误差为ΔMa＝Mmax-(RNmax/(360度))，即得到电机补偿误差ΔMa的值；步骤六，完成上述步骤五之后，所述控制系统开始正常运行并在正常运行期间实施电机误差补偿措施：即当需要控制阀片打开一目标行程角度N时，所述控制系统根据上述理论设定关系计算出目标电机转数M，并在该目标电机转数M的基础上施加额外的电机补偿误差ΔMa来驱动电机旋转；其中，在实施所述步骤六的电机误差补偿措施期间，如果电机在同一个旋转方向上存在一个或多个连续的旋转行程，其间未发生电机换向旋转，则仅对该方向上的第一个旋转行程实施电机误差补偿措施，而如果紧接该一个或多个连续的旋转行程之后，电机发生换向旋转，则仅对该电机换向后的方向上的第一个旋转行程实施电机误差补偿措施，以此类推实施阀片旋转角度的调节控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：其中，N1小于30度。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：其中，所述中间传动系统包括安装在所述电机(4)转轴上的蜗杆(5)、与所述蜗杆(5)传动连接的蜗轮(6)、与所述蜗轮(6)传动连接的双联齿轮(7)、与所述双联齿轮(7)传动连接的输出齿轮(8)，其中，所述输出齿轮(8)的转轴一端与所述三通阀芯(2)的端轴(16)的一端旋转连接；其中，所述三通阀芯(2)依次包括端轴(16)、固定在端轴(16)上的限位凸块(17)、压缩弹簧(18)、中间片体(19)、阀片(20)、阀片座(21)、密封件(22)，所述端轴(16)的另一端与所述中间片体(19)的一端轴向可滑动且周向共同旋转驱动连接，所述中间片体(19)的另一端与所述阀片(20)的一端面共同旋转驱动连接，所述阀片20另一端面紧贴所述阀片座(21)端面并相对于所述阀片座(21)可滑动旋转，所述压缩弹簧(18)安装于所述限位凸块(17)与所述中间片体(19)之间以对所述中间片体(19)施加轴向推力。

4.一种运行前述权利要求1所述的控制方法的控制系统。