CN108495522A - 非车载充电机及其散热系统主动适应和自诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非车载充电机及其散热系统主动适应和自诊断方法，包括机柜本体以及置于机柜本体内的充电模块、主控模块、温度传感器和多台散热风扇，充电模块、散热风扇和温度传感器与主控模块电连接；主控模块获取充电模块的输出功率以及第一传感器采集到的环境温度和第二传感器采集到的设备内部温度数据，并将获取到的数据与预先存储的标准参照数据进行对比分析，在获取的设备内部温度超出标准参照数据中对应的设备内部温度期望值的合理范围之外时，生成相应的执行指令并发送至相应的执行单元，执行单元响应执行指令。通过本发明，主控模块能够根据设备运行状况快速作出执行指令保证设备运行安全，并能在散热系统出现故障时进行提前预警。

Description

非车载充电机及其散热系统主动适应和自诊断方法

技术领域

本发明涉及一种充电装置，特别是针对非车载充电机的散热系统及其自诊断，属于电动汽车充电技术领域。

背景技术

散热系统的性能直接影响交、直流充电设备运行状态及使用寿命，但是散热系统出现故障或性能下降时，不易检测且容易被忽视，因此，存在设备及人身安全隐患和财产损失的风险。

非车载充电机的功率模块通常由多个单位功率模块并联构成，输出的功率越大，需要的单位功率模块数量越多，发热量也越大。多个单位功率模块紧挨在狭小的机柜空间里，散热是一个很困难的问题。现有技术中，机柜内虽然各功能单元虽然按一定规律排布设计，但仍然是一个连通的空间，充电区域产生的热量会在整个机柜内部流窜，影响其它功能单元的正常工作，且由于空间过大，对散热系统的要求也较高，并且散热效率也会打一定折扣。此外，目前市场上大量使用的电动汽车非车载充电机，散热大多采用自然风冷方式，且不具有智能调节和自检测功能，散热效果完全依赖于当时的使用环境，包括温度、风压、风速以及风扇运行情况，而一般使用环境相对恶劣，风扇故障率高。这种方式存在环境恶劣，风扇缺乏检测装置，散热效果缺乏判断等问题。而散热效果差会直接导致充电桩故障频发、用户体验差，同时也是一种潜在的安全隐患。

如公开号为CN 107087380的一种直流充电桩的散热结构，所述散热结构包括：进风口组件和出风口组件，进风口组件与直流充电桩之间形成吹风风道，出风口组件与直流充电桩之间形成吸风风道；充电模块设置在直流充电桩的安装架上，并与进风口组件连接；风机可拆卸地设置在出风口组件上。该专利申请将充电模块和风机安装在直流充电桩的两侧，并隔离出相互独立的腔体风道，大大提高了散热效果和提高了风机的使用寿命，但并未解决充电桩散热系统的主动适应及其自诊断问题，充电机仅具备被动散热功能，随着运行时间的增加，散热口逐渐被灰尘阻塞，风机性能也会下降，且因散热性能不佳，会导致温度迅速上升，最终引起线缆、塑料组件高温冒烟甚至燃烧，造成人员伤亡，财产经济损失。

如公开号为CN206442655U的实用新型专利公开了一种用于充电桩的智能控制风扇散热系统，包括机柜、相对设置有进风口和出风口，主控板以及与其电连接的多个充电模块、温度传感器、散热风扇，主控板根据温度传感器传送的充电模块出风口处的温度，及充电模块传送的内部散热器的温度，调节散热风扇的转速，控制机柜内和充电模块的温度，进行散热。在保证机柜正常散热的前提下，避免散热风扇不必要的高速运转，降低散热风扇的能耗，降低系统噪声，降低进转速度，减少机柜防尘网的维护频率，但并未完全解决散热系统的主动散热问题，以及对散热系统的自诊断和应对处理的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开一种非车载充电机及其散热系统主动适应和自诊断方法。

本发明公开一种非车载充电机，包括机柜本体以及置于机柜本体内的充电模块、主控模块、温度传感器和多台散热风扇，充电模块、散热风扇和温度传感器与主控模块电连接；

机柜本体的一侧壁设有进风口，与之相对的另一侧壁设有出风口；

充电模块包括多个并联的充电单元；

多台散热风扇分别布置在进风口和出风口处，并均具有状态反馈功能；

温度传感器包括布置在进风口处的第一传感器和布置在出风口处的第二传感器；

主控模块获取充电模块的输出功率以及第一传感器采集到的环境温度和第二传感器采集到的设备内部温度数据，并将获取到的数据与预先存储的标准参照数据进行对比分析，在获取的设备内部温度超出设备内部温度期望值的合理范围时，生成相应的执行指令并发送至相应的执行单元，执行单元响应执行指令；

其中，标准参照数据包括充电模块在处于不同环境温度条件下，输出不同功率时，对应的设备内部温度期望值；所述执行单元包括散热风扇和充电模块；执行指令包括散热风扇启停、转速或转向调节，充电模块降额输出或停止运行。

优选的，在机柜本体内具有一相对独立的充电区域，充电模块、散热风扇和温度传感器布置在充电区域，主控模块布置在机柜本体的非充电区域。

优选的，出风口与进风口错开一部分设计且出风口高于进风口；各充电单元间隔布置且自进风口至出风口方向倾斜向上，以形成倾斜向上的气流通道。

优选的，各充电单元与水平方向的夹角为15～30℃

优选的，进风口和出风口处布置有可调百叶窗，并通过电机与主控模块电连接，执行单元还包括电机，执行指令还包括可调百叶窗叶片的角度调整。

优选的，散热风扇采用PWM温控风扇。

本发明还公开一种散热系统主动适应及自诊断方法，基于具有上述特征的非车载充电机，包括：

通过布置在机柜本体进风口处的第一传感器和出风口处的第二传感器分别采集环境温度和设备内部温度，并将采集到的温度数据发送至主控模块；主控模块接收第一传感器和第二传感器发送的温度数据，并同时获取充电模块的输出功率，然后在预先构建的标准参照数据中寻找充电模块在该输出功率时和该环境温度条件下对应的设备内部温度期望值；将第二传感器采集到的设备内部温度与寻找到的设备内部温度期望值进行比对，当采集到的设备内部温度超出设备内部温度期望值的合理范围时，发出相应的执行指令并发送至相应的执行单元；执行单元响应执行指令；

预先构建的标准参照数据包括充电模块在处于不同环境温度条件下，输出不同功率时，对应的设备内部温度期望值；

所述执行单元包括散热风扇和充电模块；执行指令包括散热风扇启停、转速或转向调节，充电模块降额输出或停止运行。

优选的，执行单元还包括与布置在进风口和出风口处的可调百叶窗电连接的电机，执行指令还包括可调百叶窗叶片的角度调整。

优选的，还包括对执行指令设置优先级，其中，可调百叶窗叶片角度调整、散热风扇转速调节、充电模块降额输出和充电模块停止运行的执行指令的优先级依次降低。

优选的，在采集到的环境温度低于预先设定的调向温度值时，主控模块发出散热风扇转向调节指令。

优选的，设备内部温度期望值的合理范围是指:0.5*设备内部温度期望值～1.15*设备内部温度期望值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)非车载充电机内采用相对独立的充电区域设计，避免热空气影响其它功能单元的正常工作。

(2)通过进、出风口部分错开且出风口高于进风口的设计，并配合自进风口至吹风口向上倾斜的充电模块的设计，在充电区域形成的倾斜向上的气流通道，有利于热空气的排出。

(3)进、出风口处的可调百叶窗设计，便于根据需求调节机柜内与外界空气接触的面积。

(4)散热风扇可多级调速，能实现根据需求调节转向和转速，以保证充电区域的温度适宜；散热风扇还具有状态反馈功能，能实时将运行状态反馈给主控模块，便于主控模块实时监测其运行状况，掌握其性能。

(5)具有散热系统主动适应及自诊断的非车载充电机，能根据获取到的环境温度、设备温度数据和充电模块的输出功率反应的散热效果反馈信息分析判断，并即时调整进出风口的大小，散热风扇的转向和转速，充电模块的输出功率和运行状态等，达到散热系统主动适应的目的；还能在监测到散热风扇出现故障时即时做出相应反应，实现自诊断功能，以保证充电机的运行安全。

(6)还能根据实际温升与事先构建的标准拟合曲线的比较，诊断散热系统是故障还是性能下降，有效解决了恶劣高温环境中，内部温度与功率模块等元器件之间的矛盾，避免器件损坏，实现设备与用户之间的友好互动。同时构建的标准拟合曲线对散热系统的布局与设计还具有一定的指导意义。

附图说明

图1是非车载充电机的内部结构示意图；

图2是充电区域内部结构示意图；

图3是非车载充电机的电路连接示意图；

图4是输出功率-环境温度-设备内部温度的标准拟合曲线示意图；

图5是非车载充电机的工作原理图；

图6是非车载充电机的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

本发明所公开的非车载充电机在机柜内纵向截取一部分作为相对独立的充电区域，该区域可位于机柜的中间，也可位于上部或下部，用于放置充电模块，将充电区域与其它功能单元(例如计费控制单元、充电控制器、计量表计、充电接口、人机交互界面等)分隔开来，在机柜内设计一相对独立的区域，并针对性地设计散热系统，以避免热空气在整个机柜内流窜，保证其它功能单元的正常工作。

如图1所示，实施例中公开一种非车载充电机，主要包括机柜本体1，以及内置于机柜本体1内的充电模块2(即功率模块)、散热风扇3、主控模块4、电机5(在图中未示出)、温度传感器6、温度传感器7、通信模块8、供电接口9、人机界面10。其中，充电模块2、散热风扇3、电机5和温度传感器布置在充电区域内，其它功能模块设计在该区域外的机柜内其它区域。

在充电区域内，机柜本体1的侧壁上设进风口11和出风口12。具体的，进风口11和出风口12分别位于机柜本体1的左右两侧壁，部分相对设置，且从水平角度来看，出风口12的位置高于进风口11。进风口11和出风口12处均装有与电机5连接的可调百叶窗13。优选的，可采用电控百叶窗的设计，类似于空调出风口格栅，通过电机5控制可调百叶窗13叶片的倾斜角度，从而控制风口的大小，能实现根据需要增大与外界空气流通，加速散热，保持机柜本体1内温度恒定。

充电模块2可设计在充电区域的中间位置，由多个并联的充电单元21(即单位功率模块)构成。根据热空气上升，冷空气下降的原理，将充电单元21自进风口11向出风口12以一定角度向上倾斜布置，且每个充电单元21间隔一定距离，形成倾斜向上的气流通道，以便空气自下而上自由流通。

散热风扇3包括多台，可通过支架固定在机柜本体1内的进、出风口处，具体数量和排布方式可根据进风口和出风口的大小进行设计。散热风扇3具有状态反馈功能(即通过反馈的风速判断其是故障还是正常状态)，并通过主控模块4对散热风扇3建立调速调向策略。具体的，散热风扇3能根据温度变化调整转速，以加快散热；在特殊场景下调整散热风扇3的转向，例如，在正常温度下，散热风扇3正向旋转，将热空气排出，但在特别寒冷的地区；极低温度下，散热风扇3反向旋转，将风往外吹，阻碍冷空气进入机柜，当然此时也会将百叶窗的风口调整到较小。散热风扇3可优先选择PWM温控风扇，基于主控模块4下发的调速指令来调节散热风扇3的转速，在散热风扇3上无需安装任何测温装置。主控模块4根据采集到的不同温度下发相应的调速指令，PWM温控风扇也会有不同的转速调节与之对应，并且风扇的转速变化可以做到四级五级，甚至更多，基本上是无极变速。由于是脉宽信号的实时调节，PWM温控风扇转速的变化非常灵敏，能即时响应主控模块4的调速或调向指令。在非车载充电机待机时，PWM温控风扇可以保持在一个非常低的转速上，这大大降低了运转的噪音。最高转速为四千多转，只有在充电区域温度接近极限温度时才会出现，如75-80度。可见，相比传统的散热风扇它有着更大的转速控制范围，也更好的解决了噪音和性能的问题。PWM温控风扇在开机的瞬间，转速会提升到最高，持续数秒后，降低到待机的低转速水平，这个特点也是PWM温控风扇的最明显特征，可以用来判断风扇是否正常。

通过以上的描述可知，该非车载充电机在机柜内创新的采用独立仓流体力学设计，在充电桩体中部位置设计一个与其它功能单元隔离开来的独立仓作为充电区域，供充电模块2充电使用，这种封闭的独立仓设计，能避免热空气像传统充电机散热模式那样流窜到机柜其他地方影响其它功能单元。并且，针对该区域还设计了具有主动适应及自诊断性的散热系统，主要由机柜本体1的进风口11和出风口12，散热风扇3，主控模块4，电机5，温度传感器6和温度传感器7等构成，充电过程散发的热量根据流体力学的原理通过倾斜向上的气流通道顺利排出，并可以调整进风口11和出风口12百叶窗的风口大小以及散热风扇3的转向和转速，保证空气对流，以保证该区域内的温度，例如，满功率输出时，环境温度在20度左右，该区域温度控制在34度左右。

如图3所示，主控模块4与充电模块2、散热风扇3、电机5、温度传感器6、温度传感器7、通信模块8、供电接口9、人机界面10电连接。

温度传感器6和温度传感器7分别设置在进风口11和出风口12处，用于采集设备运行时所处的外界环境温度(简称环境温度)和机柜内充电区域的温度(简称设备内部温度)，并将采集到的温度数据发送至主控模块4。实施例中，我们可选择专门用于采集温度的PT1000电阻作为温度传感器。

在运行过程中，主控模块4根据获取的温度传感器发送的温度数据以及充电模块2输出的功率数据进行分析判断，然后下发相应的执行指令至执行单元(散热风扇3、电机5、充电模块2)，例如，针对散热风扇3的调速、调向指令，电机5对进、出风口可调百叶窗13角度的调节指令，充电模块2降功率输出或停止运行指令，通信模块8的故障上报指令。在具体实施中，主控模块4可采用较为成熟的恩智浦芯片LPC1768，其性能比较稳定，能满足本方案的功能需求。

通信模块8采用现有技术即可，可根据实际需求设置成有线、无线或组合的通讯模式。

实施例中公开的非车载充电机，其散热系统具有主动适应及自诊断性。

主动适应是指散热系统能根据非车载充电机的运行情况主动调整散热方案以保证设备运行安全。具体的，主控模块4将获取到的温度和功率等数据与预先建立并存储的有关输出功率(充电模块2的实际输出功率)-环境温度-设备内部温度的标准参照数据(具体可用表格或拟合的曲线图来表示)进行比较分析，在比对结果超出预先设定的设备内部温度期望值的合理范围时，生成相应的执行指令并发送至相应的执行单元(散热风扇3、电机5、充电模块2)，执行单元响应执行指令，做出相应的散热调整方案，以保证充电区域的温度适宜。

需要注意的是，执行指令设计时，按电机5、散热风扇3、充电模块2的顺序设计执行指令的优先级，即在前一个执行单元运行到最大极限或设定值时再发出下一个执行单元的执行指令，或在前一执行单元发生故障时，可直接启动后一执行单元作出响应，在保证设备运行安全的前提下，一方面能节省能耗，另一方面还能尽可能保证功率输出。其中，标准参照数据包括充电模块在处于不同环境温度条件下，输出不同功率时，对应的设备内部温度期望值；所述执行单元包括散热风扇和充电模块；执行指令包括散通过电机5调整可调百叶窗13的角度，热风扇3启停或转速转向调节，充电模块2降额输出或停止运行等。标准参照数据可根据现场运行的实际经验并结合相应的国家标准获得。

在具体应用时，可通过大量实验数据分析散热性能对设备内部温升的影响，得到有关输出功率-环境温度-设备内部温度的标准参照数据。实施例中，我们可通过表1表示不同环境温度下，不同的输出功率时，设备内部温度应保持的参照值，进一步的，还可以用如图4所示的拟合曲线图来直观表示。相应的设备内部温度期望值可根据具体要求进行设计，例如，表1中，处于环境温度为0度的非车载充电机，要求输出功率为30KW时，设备内部温度期望值为10度，可设计成“0.5*设备内部温度期望值～1.15*设备内部温度期望值”的范围均为合理范围。得到的有关输出功率-环境温度-设备内部温度的标准参照数据或标准拟合曲线可作为用于交、直流充电设备的散热系统状态自诊断的参考标准。

表1输出功率-环境温度-设备内部温度的标准参照数据

自诊断性是指散热系统能将其运行况反馈给控制模块4以诊断其自身是否正常，同时还可通过通信模块上报给后台监控系统，以进行提前预警。具体的，在充电设备运行时，主控模块4将实时获取的环境温度、设备内部温度和输出功率三个参数与标准参照数据的对应点进行比较，如果当前充电机内部温度与该输出功率对应的环境温度下，设备内部温度误差超过相应的设备内部温度期望的合理范围，且已达到一定执行极限或设定值时，则判断充电设备散热系统出现故障或性能明显下降，然后发出相应的执行指令或进行提前预警，例如，设备降功率输出，如果是严重故障，则立即停机并通过通信模块8上报故障至后台监控系统。

结合图4和图5所示，该非车载充电机运行时工作原理如下：

当气流由进风口11进入机柜本体1后，设置在进风口11处的散热风扇3将气流吸入至充电模块2，气流在流经充电模块2时，通过倾斜向上的气流通道将各充电单元21工作时产生的热量带走，设置在出风口12处的散热风扇3将气流吹向出风口12处，最后气流从出风口12排出非车载充电机。

在此过程中，温度传感器6和温度传感器7实时采集环境温度和设备内部温度，并将其传送至主控模块4，主控模块4同时获取充电模块2的输出功率，并将采集到的环境温度、设备内部温度和输出功率与内部存储的标准参照数据进行比较分析，在比较结果超出设定阀值时，生成相应的执行指令并发送至相应的执行单元，执行单元响应主控模块4发出的执行指令，控制充电区域温度，保证设备运行安全，以实现散热系统的自适应。

结合图6所示，对执行单元设置执行优先级，即电动百叶窗13角度调节、散热风扇3转速调整、充电模块2降额输出、充电模块2停止运行。在判断设备内部温度不在对应期望值的合理范围之内时，控制模块4发出指行指令，优先调用优先级高的执行单元执行操作，如果该执行单元执行后为不能将温度降低到期望值的合理范围之内，启动下一优先级的执行单元执行相应指令，以此类推。需要说明的是，如果电动百叶窗13已开到最大且散热风扇3已要求运行在最大转速，并结合散热风扇3的信息反馈可判断充电设备散热系统出现故障或性能明显下降，进行提前预警，并且，可控制充电模块2降功率输出，如果是严重故障，则立即停机并通过通信模块8上报故障，从而实现系统的自诊断。需要说明的是，实际这里的散热系统故障主要指的是散热风扇3出现故障，在实际应用时，可根据实际情况将散热等级分为良好、一般、异常、故障等级别，根据散热风扇3会实时反馈的运行状态，判断其状态级别。

综上所述，本发明将充电区域单独隔离起来，防止因充电产生的热量影响其它功能模块的正常运行；设计倾斜向上的气流通道，以便空气自下而上自由流通；通过可供调节的进出口百叶窗和倾斜向上设置的气流通道，能够实现功率模块与外界空气的有效接触，保证气流流动顺畅。通过PWM散热风扇可以保证机柜内空气快速对流，有效降低机柜内部的温度。将实时采样的实际温度和输出功率与标准参照数据对比，能够判断在当前输出功率下，设备内部温度是否在合理范围内，若出现异常，主控模块能够快速发出执行指令至执行单元，以保证设备运行安全，同时将诊断出的散热系统的状态，通过通信模块上送给后台监控系统，以提醒维护人员检修或注意。

此外，通过经验数据构建并不断优化出的输出功率-环境温度-设备内部温度的标准参照数据，特别是拟合曲线，对正在应用的散热系统的设计还具有一定的指导意义，例如，选择多大功率的散热风扇，布置多少台散热风扇，进出风口面积大小设计等，这也是现有技术中不具有的。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种非车载充电机，包括机柜本体以及置于机柜本体内的充电模块、主控模块、温度传感器和多台散热风扇，充电模块、散热风扇和温度传感器与主控模块电连接；

机柜本体的一侧壁设有进风口，与之相对的另一侧壁设有出风口；

充电模块包括多个并联的充电单元；

多台散热风扇分别布置在进风口和出风口处，并均具有状态反馈功能；

温度传感器包括布置在进风口处的第一传感器和布置在出风口处的第二传感器；

主控模块获取充电模块的输出功率以及第一传感器采集到的环境温度和第二传感器采集到的设备内部温度数据，并将获取到的数据与预先存储的标准参照数据进行对比分析，在获取的设备内部温度超出设备内部温度期望值的合理范围时，生成相应的执行指令并发送至相应的执行单元，执行单元响应执行指令；

其中，标准参照数据包括充电模块在处于不同环境温度条件下，输出不同功率时，对应的设备内部温度期望值；所述执行单元包括散热风扇和充电模块；

执行指令包括散热风扇启停、转速或转向调节，充电模块降额输出或停止运行。

2.如权利要求1所述的非车载充电机，其特征在于：在机柜本体内具有一相对独立的充电区域，充电模块、散热风扇和温度传感器布置在充电区域，主控模块布置在机柜本体的非充电区域。

3.如权利要求1所述的非车载充电机，其特征在于：出风口与进风口错开一部分设计且出风口高于进风口；各充电单元间隔布置且自进风口至出风口方向倾斜向上，以形成倾斜向上的气流通道。

4.如权利要求3所述的非车载充电机，其特征在于：各充电单元与水平方向的夹角为15～30℃。

5.如权利要求1所述的非车载充电机，其特征在于:进风口和出风口处布置有可调百叶窗，并通过电机与主控模块电连接，执行单元还包括电机，执行指令还包括可调百叶窗叶片的角度调整。

6.一种散热系统主动适应和自诊断方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的非车载充电机，包括：

通过布置在机柜本体进风口处的第一传感器和出风口处的第二传感器分别采集环境温度和设备内部温度，并将采集到的温度数据发送至主控模块；主控模块接收第一传感器和第二传感器发送的温度数据，并同时获取充电模块的输出功率，然后在预先构建的标准参照数据中寻找充电模块在该输出功率时和该环境温度条件下对应的设备内部温度期望值；将第二传感器采集到的设备内部温度与寻找到的设备内部温度期望值进行比对，当采集到的设备内部温度超出设备内部温度期望值的合理范围时，发出相应的执行指令并发送至相应的执行单元；执行单元响应执行指令；

预先构建的标准参照数据包括充电模块在处于不同环境温度条件下，输出不同功率时，对应的设备内部温度期望值；

所述执行单元包括散热风扇和充电模块；执行指令包括散热风扇启停、转速或转向调节，充电模块降额输出或停止运行。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：执行单元还包括与布置在进风口和出风口处的可调百叶窗电连接的电机，执行指令还包括可调百叶窗叶片的角度调整。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括对执行指令设置优先级，其中，可调百叶窗叶片角度调整、散热风扇转速调节、充电模块降额输出和充电模块停止运行的执行指令的优先级依次降低。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在采集到的环境温度低于预先设定的调向温度值时，主控模块发出散热风扇转向调节指令。

10.如权利要求6至9任意一项所述的方法，其特征在于：设备内部温度期望值的合理范围是指:0.5*设备内部温度期望值～1.15*设备内部温度期望值。