CN107154659A - 一种充电机的非直接测量的温度保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电机的非直接测量的温度保护方法，其建立模拟温度环境，进行温升数据测试，得到实验值，判定该功率器件是最恶劣器件；利用热电类比方法建立热路模型，得到热路模型表达式，以最恶劣器件的实验值代入功率器件的热量模型表达式，对热路模型表达式中的各参数进行计算；设定最恶劣器件的最大限定温度，最大限定温度小于其工业级工作温度范围的最高值，实时采集充电机的输入功率和环境温度，根据热路模型表达式计算出最恶劣器件的实时稳态温度，然后与最恶劣器件的最大限定温度比较，当高于最大限定温度，降低充电机输入功率，以限制最恶劣器件的温升，从而对充电机温度保护。

Description

一种充电机的非直接测量的温度保护方法

技术领域

本发明涉及快速充电机技术领域，尤其涉及一种充电机的非直接测量的温度保护方法。

背景技术

随着电动汽车行业快速发展，电动汽车充电机的需求量也与日俱增，快速充电机一般采用大电流或高电压给电池直接充电，较高的充电功率可使电池在短时间内充至80％左右。但在高温日照天气下电动汽车内部温度极高，车载充电器长时间工作在大功率高温环境下，其内部功率器件温升较快，易引起各种失效故障，产生安全问题，国外已有部分学者开始研究功率器件的热保护方法，该技术主要通过主动热控制方式实现，主动热控制是一种温度闭环控制方法，通过实时获取功率器件的工作温度，调整输出功率以提高功率器件运行的可靠性，但电动车辆在路面较为颠簸的路况下行驶时，车载充电机处于剧烈振动的环境条件中，探头极易发生错位或脱落，因此也难以完成其主动热控制。

发明内容

本发明的目的是解决在高温日照天气下电动汽车内部温度极高，车载充电器长时间工作在大功率高温环境下，其内部功率器件温升较快，易引起各种失效故障的技术问题，克服现有主动热控制方法采用温度探头直接测试功率器件温度而在车载充电机处于剧烈振动的环境条件中，探头极易发生错位或脱落的技术缺陷。

为了解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是：一种充电机的非直接测量的温度保护方法，所述充电机包括若干功率器件，包括如下步骤，步骤1)建立模拟温度环境，将充电机放置在模拟温度环境中，设定环境温度范围和充电机的输入功率范围，并分别在环境温度范围内的任一环境温度保持不变时，给充电机输入功率，观测功率器件的温升，待功率器件的温度稳定时，记录实验值，即环境温度值、输入功率值和各功率器件的温度值，刷选实验值，在相同环境温度值和相同输入功率值的情况下，当一个功率器件的温度值最接近它的工业级工作温度范围的最高值，而其他功率器件的温度值均不高于各自的工业级工作温度范围的最高值时，判定该功率器件是最恶劣器件；步骤2)利用热电类比方法建立热路模型，得到热路模型表达式，即，T_w＝C₁T_a+C₂P_i+C₃，式中C1为温度系数，C2为功率系数，C3为修正系数，Ta为环境温度变量，P_i是充电机的输入功率变量，T_w是功率器件的稳态温度变量；步骤3)以最恶劣器件的实验值代入功率器件的热量模型表达式，对热路模型表达式中的各参数进行计算；步骤4)设定最恶劣器件的最大限定温度，最大限定温度小于其工业级工作温度范围的最高值，实时采集充电机的输入功率和环境温度，根据热路模型表达式计算出最恶劣器件的实时稳态温度，然后与最恶劣器件的最大限定温度比较，当高于最大限定温度时，降低充电机输入功率，以限制最恶劣器件的温升。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过温升模拟测试，寻找最恶劣的功率器件，即该功率器件首先接近它的工业级工作温度范围的最高值，而对充电机的温度保护的实质是对最恶劣器件的温度保护，限制其温升，随后针对该功率器件，建立可描述器件温度、输入功率及环境温度关联性的热路模型，并对模型参数进行计算；最后利用该热路模型，调整充电机输入功率，实现功率器件的温度保护；该方法不需直接测量功率器件温升情况，只依据当前环境温度和输入功率，即可实现功率器件的热保护,克服了现有主动热控制方法采用温度探头直接测试功率器件温度而在车载充电机处于剧烈振动的环境条件中，探头极易发生错位或脱落的技术缺陷。

附图说明

图1所示为本发明的流程图。

图2所示为本发明实施例中的各功率器件的温升曲线。

具体实施方式

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。

实施例1参考图1，一种充电机的非直接测量的温度保护方法，所述充电机包括若干功率器件，包括如下步骤，步骤1)建立模拟温度环境，将充电机放置在模拟温度环境中，设定环境温度范围和充电机的输入功率范围，并分别在环境温度范围内的任一环境温度保持不变时，给充电机输入功率，观测功率器件的温升，待功率器件的温度稳定时，记录实验值，即环境温度值、输入功率值和各功率器件的温度值，刷选实验值，在相同环境温度值和相同输入功率值的情况下，当一个功率器件的温度值最接近它的工业级工作温度范围的最高值，而其他功率器件的温度值均不高于各自的工业级工作温度范围的最高值时，判定该功率器件是最恶劣器件。

一般情况，充电机的功率器件包括mos管、变压器、整流管和整流桥等元器件，所述环境温度范围设定在20℃到55℃之间，而充电机的输入功率范围根据充电机的最大输入功率来设定的，在进行模拟温升测试中，在环境温度范围中分别取值20℃、30℃、40℃、50℃，而充电机的输入功率范围在500w-2000w，取值500w、1000w、1500w、2000w，在环境温度保持不变时，给充电机提供不同的输入功率，即500w、1000w、1500w、2000w，用于观测功率器件的温升，每次输入功率不变时，待功率器件的温度稳定，记录实验值，即环境温度值、输入功率值和各功率器件的温度值，图2所示了本实施例中的充电机的主要功率器件的温升曲线，从实验值刷选，判断哪个功率器件是最恶劣器件，筛选和判断的方法是：在相同环境温度值和相同输入功率值的情况下，当一个功率器件的温度值最接近它的工业级工作温度范围的最高值，而其他功率器件的温度值均不高于各自的工业级工作温度范围的最高值时，判定该功率器件是最恶劣器件。

步骤2)利用热电类比方法建立热路模型，得到热路模型表达式，即，T_w＝C₁T_a+C₂P_i+C₃，式中C1为温度系数，C2为功率系数，C3为修正系数，Ta为环境温度变量，P_i是充电机的输入功率变量，T_w是功率器件的稳态温度变量；

具体如下：根据热电类比法原理，功率器件工作温度达到稳态时，功率器件的稳态温度取决于环境温度和功率器件的热损耗，因此，得到公式(1)

T_w＝T_a+P_d·R_th (1)

而功率热损耗等于热流量P_d和热阻R_th的乘积，而功率器件热流量P_d取决于功率器件的效率η和输入功率P_i，因此，功率器件热流量P_d可表达为：

P_d＝P_i-P_i·η (2)

再由式(1)可得功率器件工作时的稳态温度：

T_w＝T_a+(1-η)·R_th·P_i (3)

当热阻R_th不变的情况下，功率器件稳态温度决定于环境温度T_a、输入功率P_i和效率η的变化，因此将上式(3)简化为一般表达式：

T_w＝C₁T_a+C₂P_i+C₃ (4)

由式(4)可知，在得到环境温度和输入功率后，热路模型表达式可有效描述功率器件的稳态温度。

步骤3)以最恶劣器件的实验值代入功率器件的热量模型表达式，对热路模型表达式中的各参数进行计算；

本发明对充电机的温度保护的实质是对最恶劣器件的温度保护，限制其温升，因此我们需要得到最恶劣器件的热路模型表达式，一般情况下，功率器件的热路模型的参数难以通过理论计算得到，故采用参数计算的方法，即，当温升测试数据多于参数时，可视为参数的超定方程组。以公式(4)为基础，以最恶劣器件的实验值代入功率器件的热量模型表达式，得方程组，如式(5)所示。

式中T_an、P_in为功率器件的第n次温测环境温度和输入功率，T_wn为第n次功率器件稳态时的工作温度。

方程组5用矩阵形式可表示为：

Ax＝b(6)

其中为功率器件的温测条件(环境温度条件和输入功率温条件)数据矩阵；x＝[C₁ C₂ C₃]^T，为参数向量；b＝[T_w1 L T_wn]^T，为功率器件的温升数据向量。

对于超定方程组(6)，采用最小二乘法原理可得方程如下：

A^TAx＝A^Tb (7)

此时,参数C1、C2和C2的计算，转化为式(7)的最小二乘解：

x＝(A^TA)^-1A^Tb

其中，A^T是矩阵方程转置(线性代数的一种表示方法)。根据上述方法对热路模型表达式中的各参数进行计算。

步骤4)设定最恶劣器件的最大限定温度，最大限定温度小于其工业级工作温度范围的最高值，实时采集充电机的输入功率和环境温度，根据热路模型表达式T_w＝C₁T_a+C₂P_i+C₃，计算出最恶劣器件的实时温度，然后与最恶劣器件的最大限定温度比较，当高于最大限定温度时，降低充电机输入功率，以限制最恶劣器件的温升。

一般情况下，由于功率器件的温升是一个渐变过程，根据输入功率和环境温度计算出的实时温度要大于功率器件的实际温度，如果输入功率不加以调节，待功率器件温度渐渐稳定时，功率器件的实际温度会慢慢接近计算出的实时温度，如果计算出的实时温度高于最恶劣器件的最大限定温度，很显然，功率器件到达稳态的实际温度会超出最恶劣器件的最大限定温度，从而可能损坏功率器件，因此，本发明根据功率器件的实时输入功率和环境温度计算出的实时温度，实时温度一旦高于最恶劣器件的最大限定温度时，就开始降低充电机的输入功率，以破坏功率器件的进一步升温的条件，防止其实际温度高于最大限定温度而受到损坏，从而对充电机进行温度保护。

为了充分地对充电机进行温度保护，步骤4)设定最恶劣器件的最大限定温度，所述最大限定温度的取值范围是该最恶劣器件的工业级最高工作温度值的85％-95％。这么设置的好处在于，当充电机未能执行降低输入功率时，充电机的实际温度上升在最大限定温度也不会立即损坏该功率器件，只要实际温度没有达到最恶劣器件的工业级最高工作温度值时，依然可以运行，但是此时，对于该功率器件来说是高风险的，只要操作人员能够得到此情况发生的信号警示，就能及时化解风险，这样可以充分地对充电机进行温度保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种充电机的非直接测量的温度保护方法，所述充电机包括若干功率器件，其特征在于，包括如下步骤，步骤1)建立模拟温度环境，将充电机放置在模拟温度环境中，设定环境温度范围和充电机的输入功率范围，并分别在环境温度范围内的任一环境温度保持不变时，给充电机输入功率，观测功率器件的温升，待功率器件的温度稳定时，记录实验值，即环境温度值、输入功率值和各功率器件的温度值，刷选实验值，在相同环境温度值和相同输入功率值的情况下，当一个功率器件的温度值最接近它的工业级工作温度范围的最高值，而其他功率器件的温度值均不高于各自的工业级工作温度范围的最高值时，判定该功率器件是最恶劣器件；步骤2)利用热电类比方法建立热路模型，得到热路模型表达式，即，T_w＝C₁T_a+C₂P_i+C₃，式中C1为温度系数，C2为功率系数，C3为修正系数，Ta为环境温度变量，P_i是充电机的输入功率变量，T_w是功率器件的稳态温度变量；步骤3)以最恶劣器件的实验值代入功率器件的热量模型表达式，对热路模型表达式中的各参数进行计算；步骤4)设定最恶劣器件的最大限定温度，最大限定温度小于其工业级工作温度范围的最高值，实时采集充电机的输入功率和环境温度，根据热路模型表达式计算出最恶劣器件的实时稳态温度，然后与最恶劣器件的最大限定温度比较，当高于最大限定温度时，降低充电机输入功率，以限制最恶劣器件的温升。

2.如权利要求1所述的一种充电机的非直接测量的温度保护方法，其特征在于，所述环境温度范围设定在20℃到55℃之间。

3.如权利要求1所述的一种充电机的非直接测量的温度保护方法，其特征在于，所述输入功率范围在500w-2000w。

4.如权利要求1所述的一种充电机的非直接测量的温度保护方法，其特征在于，步骤3)以最恶劣器件的实验值代入功率器件的热量模型表达式，采用最小二乘法对热路模型表达式中的各参数进行计算。

5.如权利要求1所述的一种充电机的非直接测量的温度保护方法，其特征在于，步骤4)设定最恶劣器件的最大限定温度，所述最大限定温度的取值范围是该最恶劣器件的工业级最高工作温度值的85％-95％。

6.如权利要求1所述的一种充电机的非直接测量的温度保护方法，其特征在于，步骤3)根据热电类比法原理，功率器件工作温度达到稳态时，功率器件的稳态温度取决于环境温度和功率器件的热损耗，因此，得到公式(1)

T_w＝T_a+P_d·R_th (1)

而功率热损耗等于热流量P_d和热阻R_th的乘积，而功率器件热流量P_d取决于功率器件的效率η和输入功率P_i，因此，功率器件热流量P_d可表达为：

P_d＝P_i-P_i·η (2)

再由式(1)可得功率器件工作时的稳态温度：

T_w＝T_a+(1-η)·R_th·P_i (3)

可见，当热阻R_th不变的情况下，功率器件稳态温度决定于环境温度T_a、输入功率P_i和效率η的变化，因此将上式(3)简化为一般表达式：

T_w＝C₁T_a+C₂P_i+C₃ (4)

由式(4)可知，在得到环境温度和输入功率后，热路模型表达式可有效描述功率器件的稳态温度。