CN105026868A - 用于气流故障及成因识别的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于检测和识别风冷系统中的故障的方法和系统。系统和方法可使用基于能量平衡关系的预测模型。在特定方法中，可将与风冷系统有关的一个或多个所测量的参数与由预测模型产生的对应参数进行比较。可基于所测量的和所检测的系统参数之间的偏差来检测和识别一个或多个故障。

Description

用于气流故障及成因识别的方法
公开的领域
本公开涉及到风冷系统，以及特别地涉及到针对识别风冷系统中的故障的方法和系统。
公开背景
诸如电源逆变器的风冷电源模块依靠足够的空气流动来移除在正常模式的操作期间产生的热量。与一个或多个成因有关的故障可能危害在风冷系统中提供充足冷却的能力。例如，灰尘环境或不充分的维修程序可能使空气过滤器变得阻塞。由于缺乏空气过滤器或泄露空气过滤器，还可使与特定电源模块有关的散热器变得阻塞或以其他方式将其危害。此外，实体物件可能堵住气流(例如，当将未设计成墙壁安装的电源模块被物理上安装在墙上的时候)。可由一个或多个风扇提供空气冷却，且风扇本身可能出故障或以其他方式不能提供足够的气流。例如，风扇电机可能发生故障，或者可能将风扇放置在其中没有充足的空气供给的环境中。
在一些实例中，不充分的冷却可能触发导致电源模块被断电的安全措施。因此，在诉诸关闭模块之前检测和识别与不充分的冷却有关的故障将是有利的。此外，确定是否可获取足够的冷却并识别与气流有关的故障的一个或多个成因的能力有助于创建自主系统，自助系统具有快速检测和自我诊断故障的不同来源的能力。检测和识别与气流有关的故障的成因可以允许现场服务工程师基于故障的特定类型快速响应并解决问题。这将降低一个或多个系统的停机时间，并且随后增加整体效率。
公开概述
本公开的方面以介绍的方式提供在风冷系统中识别故障的方法。风冷系统可包含：第一温度传感器，其被配置成检测废热的温度；第二温度传感器，其被配置成检测散热器的温度；以及气流传感器，其被配置成检测通过空气冷却装置的气流率。方法可包含用第一温度传感器测量第一系列温度，以产生第一时间序列的第一测量的温度值。在一些方面，方法还可包含用第二温度传感器测量第二系列温度以产生第二时间序列的第二测量的温度值。在至少一方面，方法还可包含用气流传感器测量一系列气流率以产生时间序列的测量的气流率值。在各方面，方法还可包含响应于以下项的至少一个识别故障：第一时间序列的第一测量的温度值在第一目标值的可接受的范围之外；第二时间序列的第二测量的温度值在第二目标值的可接受的范围之外；以及时间序列的测量的气流率值在第三目标值的可接受的范围之外。
根据一个或多个方面，识别故障可包含计算在第一时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与第一所测量温度相关的第一系列的连续差值。在另一方面，识别故障可包含计算在第二时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与第二所测量温度相关的第二系列的连续差值。在又一方面，识别故障可包含计算在所述时间序列的测量的气流率中的连续的测量值之间的差以产生与测量的气流率相关的一系列连续的差值。
在某些实施方式中，方法可包含基于以下项确定第一类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值高于第一目标值的可接受范围；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值在第三目标值的可接受范围之内。
根据另一个实施方式，方法可包含基于以下项确定第二类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值在第一目标值的可接受范围之内；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值在第三目标值的可接受范围之内。
在至少一个实施方式中，方法可包含基于以下项确定第三类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值高于第一目标值的可接受范围；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值低于第三目标值的可接受范围。
在某些实施方式中，方法可包含基于以下项确定第四类型的故障：与所测量气流率有关的至少一个连续差值低于第三目标值的可接受范围。
根据某些实施方式，风冷系统可还包含第三温度传感器，第三温度传感器被配置成检测环境空气的温度。在至少一个方面，方法可包含用第三温度传感器测量第三系列的温度以产生第三时间序列的第三测量的温度值。
在各方面，可以通过计算预测的废热温度来创建第一目标值。在另一方面，可以通过计算预测的散热器温度来创建第二目标值。在至少一方面，可以通过预测模型来计算预测的废热温度和预测的散热器温度。在一些实施方式中，预测模型可被配置成基于时间序列的测量的气流率值、第三时间序列的第三测量的温度值、系统负载值和风冷系统的设计参数来产生所预测的废热温度和预测的散热器温度。在各个实施方式中，预测模型可基于根据方程Q＝cmΔT的能量平衡关系。
根据一个或多个实施方式，提供了用于识别在风冷系统中的故障的检测系统。在特定实施方式中，风冷系统可能属于被用于冷却风冷设备的类型。根据各方面，风冷系统可包含散热器。在各个实施方式中，检测系统可包含空气冷却装置，其被配置为将空气导引到散热器上。在特定实施方式中，检测系统可包含第一温度传感器，其被配置成检测与风冷设备有关的废热的温度。在另一个实施方式中，检测系统可包含第二温度传感器，其被配置成检测散热器的温度。在另一个实施方式中，检测系统可包含气流传感器，其被配置成检测通过空气冷却装置的气流率。在各个方面，检测系统可包含控制器，控制器与第一温度传感器、第二温度传感器和气流传感器进行通信。根据至少一个方面，控制器可被配置成用第一温度传感器测量第一系列温度以产生第一时间序列的第一测量的温度值。在另一个方面，控制器可被配置成用第二温度传感器测量第二系列温度，以产生第二时间序列的第二测量的温度值。在一些方面，控制器可被配置成用气流传感器测量一系列气流率以产生时间序列的测量的气流率值。根据各个方面，控制器可被配置成响应于以下项的至少一个识别故障：第一时间序列的第一测量的温度值在第一目标值的可接受的范围之外；第二时间序列的第二测量的温度值在第二目标值的可接受的范围之外；以及时间序列的测量的气流率值在第三目标值的可接受的范围之外。
根据至少一个实施方式，控制器可被配置成通过以下项识别故障：计算在第一时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与第一所测量温度相关的第一系列的连续差值；计算在第二时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与第二所测量温度相关的第二系列的连续差值；以及计算在所述时间序列的所测量的气流率值中的连续的测量值之间的差以产生与所测量气流率相关的一系列连续差值。
根据另一个方面，控制器可被配置成基于以下项确定第一类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值高于第一目标值的可接受范围；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值在第三目标值的可接受范围之内。
根据另一个方面，控制器可被配置成基于以下项确定第二类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值在第一目标值的可接受范围之内；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值在第三目标值的可接受范围之内。
在至少一个方面，控制器可被配置成基于以下项确定第三类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值高于第一目标值的可接受范围；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值低于第三目标值的可接受范围。
在另一方面，控制器可被配置成基于以下项确定第四类型的故障：与所测量气流率有关的至少一个连续差值低于第三目标值的可接受范围。
根据一个或多个实施方式，检测系统可还包含第三温度传感器，第三温度传感器被配置成检测环境空气的温度。根据至少一个实施方式，控制器可被配置成用第三温度传感器测量第三系列温度，以产生第三时间序列的第三测量的温度值。在各个实施方式中，控制器可被配置成通过计算预测的废热温度来创建第一目标值。在一些实施方式中，控制器可被配置成通过计算预测的散热器温度来创建第二目标值。
根据一个或多个实施方式，控制器可被配置成通过使用预测模型来计算所预测废热温度和所预测散热器温度。在不同实施方式中，预测模型可被配置成基于时间序列的测量的气流率值、第三时间序列的第三测量的温度值、系统负载值和风冷系统的设计参数来产生所预测的废热温度和所预测的散热器温度。
附图简述
附图不旨在按照比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同的或者接近相同的组件用相似的数字来表示。出于清楚的目的，并非每个组件都可以在每个图中被标记。在附图中：
图1是根据本公开的一个或多个方面的风冷系统的示意图；
图2是根据本公开的一个或多个方面的预测模型的示意图；
图3是与根据本公开的一个或多个方面的预测模型相结合的风冷系统的示意图；以及
图4是与根据本公开的一个或多个方面的预测模型相结合的风冷系统的流程图。
公开详述
仅为了说明的目的且不是限制一般性，现在将参考附图详细地描述本公开。本公开不将其应用限于在下面的描述中阐述或在附图中示出的组件的构造和布置的细节。本公开中阐述的原理能够有其它实施方式并能够以各种方式被实践或实施。此外，本文所用的措词和术语是出于描述的目的并且不应视作限制。本文使用的“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”和其变体意在涵盖其后所列项和其等价物以及附加项。
公开了了用于识别风冷系统中的故障的方法和系统。根据一个或多个实施方式，风冷系统可包含电源模块。在特定实施方式中，电源模块可以是电源逆变器或电源逆变器。如本文中使用的术语“电源模块”通常指的是产生可使用的功率并因此产生热量的单元。然而，电源模块可包含诸如功率元件、控制单元的任何生热装置或可以被储存在外壳中的任何其它生热电子装置。电源模块可包含：输入端，其操作以允许气流的进入；以及排气装置，其操作以允许热量和气流退出模块。风冷系统还可包含散热器，散热器被固定到电源模块以从电源模块去除热量。如本文中使用的术语“散热器”通常指的是具有从电源模块的产生热量的装置将热量驱散或以其他方式转移热量的主要目的的装置或结构。在特定实例中，散热器可以是一种结构，这种结构提供实质上高的内部导热系数和适合于从周围介质(例如，空气、除了空气之外的气体的混合物、单一气体、流体等)或向周围介质传输热量的表面面积。例如，在特定实施方式中，散热器可包含散热片。
风冷系统可还包含空气冷却装置，其被配置成向电源模块传递冷却的空气。例如，空气冷却装置可向电源模块的散热片传递冷却的空气。如在本文中使用的术语“空气冷却装置”指的是能够使用气流传输或传递热量的结构或器械。在特定实例中，空气冷却装置可以是风扇或用于去除空气的任何装置。空气冷却装置操作以将热量从电源模块驱散或传输出去或将热量驱散或传输远离电源模块，从而降低模块的温度。
在特定实施方式中，风冷系统可包含废热。电源模块的生热组件可产生：热量，其被散热器和/或冷却空气传输或吸收，冷却空气由空气冷却装置产生并流过电源模块的内部或在电源模块的内部周围流动。驱散或传输到流动空气的热量可以以废热的形式从电源模块排出。
风冷系统可还包含一个或多个传感器，传感器被配置成检测风冷系统的一个或多个性能或特性。例如，传感器可包含压力、温度、RF或本领域已知的任何其他类型的传感器。传感器还可被配置成产生信号，信号表示风冷系统的性能或特性。例如，空气冷却装置可以包括检测风扇速度的传感器，并且散热器和废热可以配备有一个或多个检测温度的传感器。在风冷系统中还可包含温度传感器，温度传感器被配置成检测环境温度。术语“环境温度”通常指的是被提供给空气冷却装置的空气的温度。在特定实例中，环境温度可以是电源模块周围的环境的温度。例如，如果将电源模块放置在房间内，则环境温度可以是房间的温度。
参考附图以及更具体地参考图1，存在通常表示为10的风冷系统。系统10包含电源模块12、构造有散热片14a的散热器14和诸如风扇的空气冷却装置16。在一个实施方式中，可将散热器14固定到电源模块的生热组件或以其他方式配置成从电源模块驱散热量。可将空气冷却装置16放置在电源模块12中的进气孔28a附近或在电源模块12中的进气孔28a处。可将由电源模块12产生的热量传输至散热器14，并通过在电源模块12中形成的排气孔28b排出。由空气冷却装置16产生的气流(其由箭头A和B表示)在散热器14上从进气孔28a流动至排气孔28b。该气流有助于通过吸收来自散热器14的风扇14a的热量来冷却电源模块12的生热组件。
系统10包含被配置成检测废热的温度的传感器18。传感器18被放置在排气孔28b处或排气孔28b附近。可包含另一个传感器20，以检测散热器14的温度。可将散热器传感器20安装在电源模块12的散热器14上或将其放置于电源模块12的散热器14的附近。可包含气流传感器22，其被配置成检测通过空气冷却装置16的气流率。在特定实例中，气流传感器22可以是被配置成检测风扇速度的软件实现。在其他实例中，气流传感器22可以是放置在空气冷却装置16中的流速计。系统10还可包含被配置成检测环境温度的温度传感器24。在一些实施方式中，可将环境温度传感器24放置在电源模块12的外部(例如，在其中室温相对均匀的位置处)。在其他实施方式中，环境温度传感器24可位于进气孔28a处或进气孔28a附近。
在特定实例中，可发生与风冷系统的组件有关的一个或多个故障。例如，系统可包含一个或多个空气过滤器，空气过滤器可能变得堵塞或以其他方式不起作用。堵塞的空气过滤器将随后限制通过系统的气流，从而导致放置于散热器和废热的温度传感器检测到热量的随后的增加。空气过滤器的堵塞可能是缓慢发生的事件，意味着在散热器和废热处检测到的温度可能缓慢增加。空气过滤器堵塞到触发故障的程度所用的时间量可取决于风冷系统位于的环境。例如，在诸如计算机房的干净的环境中，空气过滤器的堵塞可能需要多个月或甚至一年。对于诸如工业环境的更脏的环境，空气过滤器可能更频繁地(例如每月一次或两次)堵塞。在特定实施方式中，堵塞的空气过滤器可导致位于散热器的温度传感器检测到温度的增加。例如，散热器的温度从其稳定状态温度增加大约10℃。废热的温度的增加可取决于空气正在流过模块或系统的速率。
在各个实施方式中，一个或多个所检测的故障可基于在稳定状态条件下运行的风冷系统。这意味着操作条件：在该操作条件下诸如风扇速度、散热器温度和废热温度的影响系统的热量输出的所有的特征参数以可忽略的速率变化。在其他实施方式中，一个或多个所检测故障可基于动态条件，意味着特征参数中的一个或多个特征参数快速变化。
可能发生的另一种类型的故障包含散热器已经变得堵塞或以其他方式运行不当。空气可能自由地流过电源模块，但是从散热器到空气的热量传输减少。堵塞的散热器将致使与散热器有关的传感器检测热量的增加。对于这种类型的故障，与废热有关的温度传感器可能不经历任何重大的变化，并可能保持不变。这种类型的故障还可能是缓慢发生的故障。取决于系统环境和组件，散热器可堵塞并需要被维修(这可能一年发生一次或每几年发生一次)。由于系统中的其他不能运行的组件，散热器可能堵塞。例如，在被设计具有空气过滤器的系统中，如果一个或多个空气过滤器缺失或因为任何其他原因而不能运行，那么散热器将堵塞。纠正动作可包含改变或替换空气过滤器。在特定实例中，这可能在诸如一个月之内的短时间段之内发生。在特定实例中，散热器的温度可从其稳定状态温度升高大约10℃。
额外的类型的故障包含关于通过电源模块的气流的一致性的问题。例如，物体可能堵塞空气冷却装置或空气冷却装置可能失灵。当将风冷系统首次启动在其中没有足够的空气供应的位置中或其中电源模块被不正确安装的实例中时，这种类型的还可能发生。例如，未被设计成安装在墙上的电源模块可能呈现这种类型的错误(当该电源模块实际上被安装在墙上时)。关于通过模块的气流的问题可致使模块内部的温度增加。与空气冷却装置有关的气流传感器可检测气流的减少，且与散热器和废热有关的温度传感器可检测热量的增加。与气流有关的问题可迅速发生，意味着在散热器和废热处检测到的温度可迅速升高，以及在空气冷却装置处检测到的气流率可迅速降低。在特定实施方式中，可能的是，只从与空气冷却装置有关的传感器检测到关于气流的问题，意味着在与散热器和废热有关的传感器检测到热量的任何增加之前，检测到气流的降低。
根据一个或多个实施方式，提供了用于识别在风冷系统中的故障的方法。风冷系统可包含：第一温度传感器，其被配置成检测废热的温度；第二温度传感器，其被配置成检测散热器的温度；以及气流传感器，其被配置成检测通过空气冷却装置的气流率。方法可包含用第一温度传感器测量第一系列温度，以产生第一时间序列的第一测量的温度值。
时间序列的测量值可包含在时间间隔内获得的一个或多个测量值。时间间隔可以是适应于识别在风冷系统中的故障的任何间隔。例如，时间间隔可以是一秒的若干分之一。在特定实施方式中，时间间隔可以是一秒的1/1000。在其他实施方式中，时间间隔可以是一秒的1/100。
方法可还包含用第二温度传感器测量第二系列温度，以产生第二时间序列的第二测量的温度值。方法还可包含用气流传感器测量一系列气流率，以产生时间序列的测量的气流率值。
方法还可包含识别故障，以响应以下项的至少其中一个：(a)第一时间序列的第一测量的温度值在第一目标值的可接受范围之外；(b)第二时间序列的第二测量的温度值在第二目标值的可接受范围之外；以及(c)时间序列的测量的气流率值在第三目标值的可接受的范围之外。
在至少一方面，识别故障包含计算在第一时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与第一所测量温度相关的第一系列的连续差值。在另一方面，识别故障包含计算在第二时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与第二测量的温度相关的第二系列的连续差值。在另一个方面，识别故障包含计算在测量的气流率的时间序列中的连续的测量值之间的差以产生于测量的气流率相关的一系列连续差值。
在特定方面，方法可还包含基于以下项确定第一类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值高于第一目标值的可接受范围；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值在第三目标值的可接受范围之内。例如，当空气过滤器堵塞时，可能发生第一类型的故障。与废热和散热器有关的温度可能随着时间的推移升高。根据本示例，对应于废热和散热器温度的连续差值降增加，因为在每个单独的位置获得的每一个独立温度测量值随着时间的推移而增加。当将目标值设置为零值时(意味着期望温度不升高)，那么将触发故障，因为连续的差值将高于零。同时，与所测量气流率有关的连续差值不变，且将落在设置在零的可接受目标值范围之内。
在另一方面，方法可还包含基于以下项确定第二类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值在第一目标值的可接受范围之内；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值在第三目标值的可接受范围之内。当散热器堵塞时，可能发生第二类型的故障。与散热器有关的温度可随着时间的推移而升高，而与废热和气流率有关的温度可保持不变。根据本示例，对应于散热器温度的连续差值将增加，因为在散热器处获得的每一个独立温度测量值将随着时间的推移而增加。当将目标值设置为零值时(意味着期望温度不升高)，那么将触发故障，因为连续的差值将会高于零。同时，与废热和所测量气流率有关的连续差值不变，并且将落在被设置在零的可接受目标值范围之内。
在至少一方面，方法可还包含基于以下项确定第三类型的故障：与第一所测量温度有关的第一系列的连续差值高于第一目标值的可接受范围；与第二所测量温度有关的第二系列的连续差值高于第二目标值的可接受范围；以及与所测量气流率有关的系列的连续差值低于第三目标值的可接受范围。例如，当发生与气流有关的错误时，可能发生第三类型的故障。与废热和散热器有关的温度可随着时间的推移而迅速升高，且气流率可迅速降低。根据本示例，对应于废热温度和散热器温度的连续差值将增加，且气流率将降低。当将各自的目标值设置在零值时，那么故障将被触发。
在又一方面，方法可还包含基于以下项确定第四类型的故障：与所测量气流率有关的至少一个连续差值序列低于第三目标值的可接受范围。与第三类型的故障相似，当存在关于气流的问题时，可能发生该故障。然而，与废热和散热器有关的温度可能不被影响，而气流率可能迅速降低。
在至少一方面，方法可还包含基于以下项确定一种类型的故障：第一时间序列的第一测量的温度高于第一目标值的可接受范围；第二时间序列的第二测量的温度高于第二目标值的可接受范围；以及时间序列的测量的气流率在第三目标值的可接受范围之内。例如，当空气过滤器堵塞时，可能发生这种类型的故障。根据本示例，对应于废热和散热器温度的连续测量值将增加，因为在每个单独的位置处获得的每一个独立温度测量值将随着时间的推移而增加。可通过预测模型(如下文中讨论的)来确定目标值，且当关于废热和散热器的所测量量值高于对应的目标值时，那么可触发故障。
在另一方面，方法可还包含基于以下项确定一种类型的故障：第一时间序列的第一测量的温度在第一目标值的可接受范围之内；第二时间序列的第二测量的温度高于第二目标值的可接受范围；以及时间序列的测量的气流率在第三目标值的可接受范围之内。当散热器堵塞时，可能发生这种类型的故障。根据本示例，对应于散热器温度的连续测量值将增加，因为在散热器处获得的每一个独立温度测量值将随着时间的推移而增加。可通过预测模型(如下文中讨论的)来确定目标值，且当关于散热器的测量值高于该目标值时，那么可触发故障。
在另一方面，方法可还包含基于以下项确定一种类型的故障：第一时间序列的第一测量的温度序列高于第一目标值的可接受范围；第二时间序列的第二测量温度高于第二目标值的可接受范围；以及与气流率有关的时间序列的测量值低于第三目标值的可接受范围。例如，当发生与气流有关的错误时，可能发生这种类型的故障。根据本示例，对应于废热温度和散热器温度的连续测量值将增加(并因此高于各自的所预测目标值(在下文中讨论的))，并且气流率将降低(并因此低于所预测目标值)，那么将触发故障。
在又一方面，方法还可包含基于以下项确定又一种类型的故障：与气流率有关的时间序列的测量值低于第三目标值的可接受范围。当存在关于气流的问题时，可能发生这种类型的故障。
在特定方面，风冷系统可还包含第三温度传感器，第三温度传感器被配置成检测环境空气的温度。方法可还包含用第三温度传感器测量第三系列温度以产生第三时间序列的第三测量的温度值。
在至少一个实施方式中，通过计算所预测废热温度来创建所述第一目标值，以及通过计算所预测的散热器温度来创建所述第二目标值。可通过使用预测模型来计算所预测的废热温度和所预测的散热器温度。预测模型可被配置成基于时间序列的测量的气流率值、与环境空气有关的第三时间序列的第三测量的温度值、系统负载值和风冷系统的设计参数来产生所预测的废热温度和所预测的散热器温度。例如，一个或多个设计参数可表示系统效率和散热器的传输率。可基于给定系统设计获知系统效率和散热器的传输率。例如，在一些实施方式中，系统可包含具有99％的效率的输出转换器和具有98.5％的效率的输入转换器。在其中散热器操作于稳定状态条件下的特定实施方式中，热量传输率可为100％。例如，当散热器温度稳定时，散热器传输率可为100％。在特定实例中，在稳定状态条件下，可基于气流率和添加到散热器的能量的量来预测散热器温度。
图2是通常表示为30的预测模型的示意图，预测模型可被用于识别在风冷系统中的故障的成因。概括地，可通过进行获得自风冷系统的传感器数据和由预测模型30产生的所预测数据之间的比较来识别一个或多个故障。预测模型30基于对给定系统的知识(例如,基于各种系统负载和冷却能力的系统损耗)、实际系统负载、环境温度和通过电源模块的气流率来计算所预测的数据。从环境温度传感器24和气流传感器22获得传感器数据。此外，关于系统负载26的给定值还被预测模型30使用。系统负载26可指的是实际的系统负载。在简单的电源模块中，输入负载等于输出负载。在一个或多个实施方式中，系统负载可从0–100％。在其中针对若干个输出转换器使用单个输入转换器或者针对单个输出转换器使用若干个输入转换器的电源模块中，必须单独计算每个转换器上的负载。预测模型30能够基于在由电源模块产生的热量和被流过模块的空气吸收的热量之间的能量平衡来计算所预测的散热器温度32和所预测的废热温度34。可通过根据以下方程的关系来表达热能方程：Q＝cmΔT。这个方程例证了在能量和温度之间的关联，并陈述了能量(Q)等于比热系数(c)、物体质量(m)和温度差(ΔT)的乘积(multiplication)。
基于上文讨论的热能方程，可根据以下方程计算散热器温度：ΔT散热 器＝T(Q/(cm))。Q是被传输至散热器的热量，且可基于关于系统负载和系统效率的输入数据来计算Q。例如，根据一些实施方式，系统可包含具有10kW的负载和99％的效率的转换器。在该系统中，被传输至散热器的100W表示至散热器的100焦耳每秒的能量传输率。如果没有冷却效果，那么散热器的温度将基于能量关系继续增加：Q＝cmΔT。
在启动阶段，散热器温度等于环境温度(T环境)，从输入传感器数据获知环境温度，c是基于所使用材料(例如，铝)的关于散热器比热系数，且m是散热器的质量。
还可使用包含热能方程的系统的能量平衡来计算废热温度(T输出)。这可由方程T输出＝T环境+(Q/cm))来表示。Q是从散热器传输至流过模块的空气的能量，且可基于用于散热器的传输率、气流率和散热器温度的输入数据来将计算Q。从输入传感器数据获知T环境，c是空气的比热系数，且m是根据气流率计算得的空气的质量。在稳定状态条件下，由电源模块产生并传输至散热器的热量等于从散热器传输至流过模块的空气的热量。能量平衡表示将从转换器传输到散热器的所有能量作为散热器的热增加存入散热器中或作为空气的热增加传输到气流。根据散热器、气流和环境温度的已知设计规格，可计算到气流的能量传输，且可使用热能方程来计算产生的空气温度。当计算散热器温度时，必须将从散热器传输到气流的能量计算在内，结果是实际的散热器温度。
可使用本领域熟知的一个或多个软件程序来计算和实现预测模型。例如，可将预测模型编程到(Mathworks公司，Natick,MA)，其中示例性结果在图2中示出。如所示，可将100％的系统负载26、60％的风扇速度22以及25℃的环境温度24作为输入值引入预测模型30。在各种实施方式中，例如在给定示例中，可由对应于能力的值来表示风扇速度。在一些实施方式中，可由数字值级别(例如，从0值到1024值的范围的级别)表示风扇速度。给定这些输入值，在应用从0-100％的负载步之后，模型以200秒的时间间隔产生55℃的所预测的散热器温度32和45℃的废热温度。可将这些结果与从实验室获取的结果进行比较，并用从实验室获取的结果验证这些结果，实验室包含已知的运行中的电源模块。图2中所示的电源模块的预测模型以线性方式表现，但在其他实施方式中，线性模型可能不足以描述操作的完整范围。对于这些情况，可实现若干个简单的模型或更复杂的模型。可以通过针对实验室环境中的工作模型比较由预测模型计算的预测的值来确定模型的准确度。
在图3中示出了预测模型30和风冷系统10之间的关系。由的风冷系统10提供的包含在预测模型30之内的输入数据包含环境温度24、气流率22和系统负载26。预测模型使用这些值来计算所预测散热器温度32和所预测废热温度34，将它们分别与如在风冷系统10中检测到的实际的散热器温度20和废热温度18进行比较。当诸如堵塞的空气过滤器的故障出现时，在电源模块中所测量的温度和在预测模型中所计算的所预测的温度之间的差异将发生。这个差异是由发生在从散热器到空气的动态热量传输中的变化引起的，例如，这个差异是由气流的减少引起的。这个偏差的发生和行为识别已经发生的故障的存在和类型。
图4示出了显示了与预测模型30和通常表示为40的故障检测机构结合的风冷系统10的流程图，故障检测机构将关于散热器温度和废热温度两者的所测量的系统数据与关于散热器温度和废热温度两者的所预测的模型数据进行比较。基于这些比较，故障检测机构可产生一种或多种类型的故障。例如，当被与由预测模型30产生的各自的所预测值(分别为32和34)进行比较时，通过检测到的在风冷系统10中的废热温度18和散热器温度20的升高来表示对应于堵塞的空气过滤器的故障42。对于这种类型的故障，以恒定风扇速度通过电源模块的气流率可能降低，因为空气过滤器随着时间的推移变得堵塞。这可能是缓慢发生的故障；意味着所检测废热温度18和散热器温度20可随着时间的推移缓慢升高。在可替代的方案中，在特定风冷系统中，风扇速度可自动提高以补偿气流的减少。在这种情况下，所检测的废热温度18和散热器温度20将保持不变，但这些参数的所预测值(分别为32和34)将降低。
在另一个示例中，通过散热器温度20的升高(当与预测的散热器温度34进行比较时)来表示对应于堵塞的散热器的故障44。当发生这种类型的故障时，空气可能自由地流过电源模块，但是从散热器到空气的热量传输减少。这可能也是缓慢发生的故障，意味着所检测散热器温度20可随着时间的推移缓慢升高。当发生这种类型的故障时，废热温度可保持稳定。
通过废热温度18和散热器温度20的升高(当与各自的预测的值进行比较时)和附加的包括检测到的气流率22的相应的降低来表示对应于气流的故障46。这种类型的故障可以快速发生，意味着所检测的系统参数可随着时间的推移而迅速升高(温度值)或降低(气流率)。还可仅仅以所检测的气流率的降低(而不需要所检测的散热器温度20或废热18温度的任何相应的升高)来表示故障46。
在特定实例中，预测模型可基于稳定状态条件，意味着在处理的启动或关闭阶段在所测量的系统值和所预测系统值之间发生的偏差可能不能代表一个或多个故障模式。本领域的普通技术人员将认识到，实际活动的风冷系统可具有随着时间的推移而变化的输入参数。例如，可提高风扇速度，以补偿由于诸如堵塞的空气过滤器的故障而发生的冷却的降低。风扇速度的提高可影响所检测的系统参数和由预测模型产生的所预测的参数两者。因此，在这些两组值之间可能不产生偏差。
根据一个或多个实施方式，提供了用于识别在风冷系统中的故障的检测系统。检测系统可以具有用于冷却具有散热器的风冷设备的类型。如先前讨论地，风冷设备可以是电源模块。检测系统可包含空气冷却装置，空气冷却装置被配置成将空气导引到散热器上。例如，由空气冷却装置产生的冷却空气可流过散热器上方或散热器附近，并将热量从散热器吸收和传输走。检测系统可还包含温度传感器，其被配置成检测与风冷设备有关的废热的温度。可随后将被传输至流过风冷设备的空气的热量从风冷设备以废热的形式排放。可将传感器布置在排放位置处或排放位置附近以检测废热的温度。
在一个或多个实施方式中，检测系统可包含控制器。如在本文中使用的术语“控制器”旨在包含可能与检测系统的一个或多个组件相关的并可能在控制该系统的各种功能和操作方面配合的一个或多个控制器。可将控制器实现在硬件、软件、固件或其一些组合中。例如，控制器可包含单一微处理器或多个微处理器。与任何控制器相关的功能可以是集中式或分布式的(不论是本地还是远程)。控制器可与在系统中布置的一个或多个传感器进行通信或以其他方式被连接至在系统中布置的一个或多个传感器。例如，控制器可与跟废热、散热器、空气冷却装置和环境空气有关的一个或多个传感器进行通信。控制器可被配置成测量一系列温度或与这些传感器相关的其他特性中的一个或多个。控制器可被配置成接收并解译来自一个或多个传感器的信号。控制器可被配置成识别故障，以响应于这些系列的测量值中的一个或多个。例如，控制器可被配置成识别故障，以响应于以下项中的至少一个：(a)与废热有关的时间序列的温度测量值在第一目标值的可接受范围之外；(b)与散热器有关的时间序列的温度测量值在第二目标值的可接受范围之外；以及(c)时间序列的测量的气流率值在第三目标值的可接受范围之外。控制器还可被配置成适应并应用如先前讨论的预测模型的不同功能。例如，控制器可被配置成计算所预测的废热值和所预测的散热器值。
在特定实例中，控制器可调节风冷系统的一个或多个组件，以响应于接收自传感器的信号。例如，可调节(提高)风扇速度，以响应于所检测到的散热器或废热中的温度的升高。这些类型的调节可在如先前所述的一个或多个故障被触发之前发生。
所公开的系统和方法的至少一个优点可包含在必须使电源模块断电或下线之前检测故障。而且，当检测到问题时，可识别主要的成因。可基于问题的严重性分配合适的响应级别。例如，当发生特定类型的故障时，可激活警报或可通知现场服务技术人员。此外，现场服务技术人员可以能够基于故障的主要成因迅速解决任何问题并相应地行动。
可以以计算机或控制器实现的处理和用于实践那些处理的设备的形式来体现本文所公开的系统和方法。还可以以计算机程序代码的形式来体现本发明，计算机程序代码包含体现在诸如磁盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其他计算机可读存储介质的有形介质中的指令，其中，当计算机程序代码被加载到计算机/控制器中并且被计算机/控制器执行时，计算机变成用于实践发明的装置。
本领域的技术人员将容易理解的是，本文所描述的各种参数和配置旨在是示例性的，以及实际参数和配置将取决于特定应用，针对本公开的气流故障检测方法和系统的实施方式用于该特定的应用。本领域的技术人员仅仅使用常规试验将认出或者能够确定本文中所描述的特定实施方式的许多等价物。例如，本领域的技术人员可认识到，根据本公开的实施方式还可包含多个电源模块或电源模块网络，或者可包含使用电源模块的生产过程的组件。因此，应理解，仅仅以示例的方式提出了以上实施方式，并且在所附附加权利要求和其等价物的范围之内，可用除如明确描述的方式之外的其它方式实践所公开的气流故障检测方法和系统。本系统和方法针对本文所描述的每个单独的特征或方法。此外，两个或两个以上的这样的特征、装置和方法的任何组合(如果这样的特征、装置和方法不是互相不一致的)包括在本公开的范围之内。
而且，应当理解的是，本领域的技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在本公开的精神和范围之内。例如，可修改现有的过程以使用或合并本公开的任何一个或多个方面。因此，在一些实施方式中，实施方式可涉及到连接或配置已有的过程以构成气流故障检测方法和系统。例如，可改造现有的空气冷却过程以涉及根据一个或多个实施方式的故障检测方法的使用。因此，前面的描述和附图仅仅通过示例的方式。而且，附图中的描绘不限于对特定示出的表示的公开。
虽然已经公开了示例性实施方式，但是可以做出很多修改、添加和删除而不脱离如在所附权利要求中阐述的本公开和其等价物的精神和范围。

Claims (20)

1.一种识别在风冷系统中的故障的方法，所述风冷系统包含：第一温度传感器、第二温度传感器和气流传感器，所述第一温度传感器被配置成检测废热的温度，所述第二温度传感器被配置成检测散热器的温度，所述气流传感器被配置成检测通过空气冷却装置的气流率，所述方法包括：
用所述第一温度传感器测量第一系列的温度，以产生第一时间序列的第一所测量的温度值；
用所述第二温度传感器测量第二系列的温度，以产生第二时间序列的第二所测量的温度值；
用所述气流传感器测量一系列气流率以产生一时间序列的所测量的气流率值；以及
响应于以下项中的至少一个来识别故障：
所述第一时间序列的第一所测量的温度值在第一目标值的可接受范围之外，
所述第二时间序列的第二所测量的温度值在第二目标值的可接受范围之外，以及
所述时间序列的所测量的气流率值在第三目标值的可接受范围之外。
2.根据权利要求1所述的方法，其中识别所述故障包含计算在所述第一时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与所述第一所测量的温度相关的第一系列的连续差值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中识别所述故障包含计算在所述第二时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与所述第二所测量的温度相关的第二系列的连续差值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中识别所述故障包含计算在所述时间序列的所测量的气流率中的连续测量值之间的差以产生与所测量的气流率相关的一系列连续差值。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括基于以下项确定第一类型的故障：
与所述第一所测量的温度相关的所述第一系列的连续差值高于所述第一目标值的所述可接受范围，
与所述第二所测量的温度相关的所述第二系列的连续差值高于所述第二目标值的所述可接受范围，以及
与所测量的气流率相关的所述一系列连续差值在所述第三目标值的所述可接受范围之内。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括基于以下项确定第二类型的故障：
与所述第一所测量的温度相关的所述第一系列的连续差值在所述第一目标值的所述可接受范围之内，
与所述第二所测量的温度相关的所述第二系列的连续差值高于所述第二目标值的所述可接受范围，以及
与所测量的气流率相关的所述一系列连续差值在所述第三目标值的所述可接受范围之内。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括基于以下项确定第三类型的故障：
与所述第一所测量的温度相关的所述第一系列的连续差值高于所述第一目标值的所述可接受范围，
与所述第二所测量的温度相关的所述第二系列的连续差值高于所述第二目标值的所述可接受范围，以及
与所测量的气流率相关的所述一系列连续差值低于所述第三目标值的所述可接受范围。
8.根据权利要求4所述的方法，还包括基于以下项确定第四类型的故障：
与所测量的气流率相关的至少一个连续差值低于所述第三目标值的所述可接受范围。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风冷系统还包含第三温度传感器，所述第三温度传感器被配置成检测环境空气的温度，所述方法还包括用所述第三温度传感器测量第三系列的温度以产生第三时间序列的第三所测量的温度值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过计算预测的废热温度来创建所述第一目标值，以及通过计算预测的散热器温度来创建所述第二目标值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预测的废热温度和所述预测的散热器温度是由预测模型计算的，所述预测模型被配置成基于以下项来产生所述预测的废热温度和所述预测的散热器温度：所述时间序列的所测量的气流率值、所述第三时间序列的第三所测量的温度值、系统负载值以及所述风冷系统的设计参数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预测模型是基于根据方程Q＝cmΔT的能量平衡关系。
13.一种检测系统，其用于识别在一种类型的风冷系统中的故障，所述类型的风冷系统被用于冷却具有散热器的风冷设备，所述检测系统包括：
空气冷却装置，其被配置成将空气导引到所述散热器上；
第一温度传感器，其被配置成检测与所述风冷设备相关的废热的温度；
第二温度传感器，其被配置成检测所述散热器的温度；
气流传感器，其被配置成检测通过所述空气冷却装置的气流率；以及
控制器，其与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述气流传感器进行通信，所述控制器被配置成：
用所述第一温度传感器测量第一系列的温度以产生第一时间序列的第一所测量的温度值，
用所述第二温度传感器测量第二系列的温度以产生第二时间序列的第二所测量的温度值，
用所述气流传感器测量一系列气流率以产生一时间序列的所测量的气流率值，以及
响应于以下项中的至少一项来识别故障：
所述第一时间序列的第一所测量的温度值在第一目标值的可接受范围之外，
所述第二时间序列的第二所测量的温度值在第二目标值的可接受范围之外，以及
所述时间序列的所测量的气流率值在第三目标值的可接受范围之外。
14.根据权利要求13所述的检测系统，其中，识别所述故障包含：
计算在所述第一时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与所述第一所测量的温度相关的第一系列的连续差值，
计算在所述第二时间序列中的连续的测量值之间的差以产生与所述第二所测量的温度相关的第二系列的连续差值，以及
计算在所述时间序列的所测量的气流率值中的连续值之间的差以产生与所测量的气流率相关的一系列连续差值。
15.根据权利要求14所述的检测系统，其中所述控制器被配置成基于以下项确定第一类型的故障：
与所述第一所测量的温度相关的所述第一系列的连续差值高于所述第一目标值的所述可接受范围，
与所述第二所测量的温度相关的所述第二系列的连续差值高于所述第二目标值的所述可接受范围，以及
与所测量的气流率相关的所述一系列连续差值在所述第三目标值的所述可接受范围之内。
16.根据权利要求14所述的检测系统，其中所述控制器被配置成基于以下项确定第二类型的故障：
与所述第一所测量的温度相关的所述第一系列的连续差值在所述第一目标值的所述可接受范围之内，
与所述第二所测量的温度相关的所述第二系列的连续差值高于所述第二目标值的所述可接受范围，以及
与所测量的气流率相关的所述一系列连续差值在所述第三目标值的所述可接受范围之内。
17.根据权利要求14所述的检测系统，其中所述控制器被配置成基于以下项确定第三类型的故障：
与所述第一所测量的温度相关的所述第一系列的连续差值高于所述第一目标值的所述可接受范围，
与所述第二所测量的温度相关的所述第二系列的连续差值高于所述第二目标值的所述可接受范围，以及
与所测量的气流率相关的所述一系列连续差值低于所述第三目标值的所述可接受范围。
18.根据权利要求14所述的检测系统，其中所述控制器被配置成基于以下项确定第四类型的故障：
与所测量的气流率相关的至少一个连续差值低于所述第三目标值的所述可接受范围。
19.根据权利要求13所述的检测系统，还包括：
第三温度传感器，其被配置成检测环境空气的温度；以及
其中所述控制器被配置成：
用所述第三温度传感器测量第三系列的温度以产生第三时间序列的第三所测量的温度值；以及
通过计算预测的废热温度来创建所述第一目标值，以及通过计算预测的散热器温度来创建所述第二目标值。
20.根据权利要求19所述的检测系统，其中，所述预测的废热温度和所述预测的散热器温度是由预测模型计算的，所述预测模型被配置成基于以下项生成所述预测的废热温度和所述预测的散热器温度：所述时间序列的所测量的气流率值、所述第三时间序列的第三所测量的温度值、系统负载值以及所述风冷系统的设计参数。
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