CN110861518A - 一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，步骤为：充电模块分区；所有机柜风机按数量及散热能力分区；得到各充电模块区的总输出功率；确定所有机柜风机区的转速影响因子函数，第i机柜风机区的转速影响因子函数为Ri(Pi,Ta)，所有机柜风机区的转速影响因子函数构成RPT；根据第i机柜风机区中风机额定转速、RPT和风压影响修正因子A得到第i机柜风机区的第1转速……第Y转速，依次类推得到所有机柜风机区的第1转速到第Y转速；选取各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值作为该机柜风机区的最终转速，调整转速完成智能散热控制。本发明的方法，降噪效果好；改造成本低，便于技术推广；针对工况进行控制效果好。

Description

一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法
技术领域
本发明属于电子设备热管理技术领域，涉及一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法。
背景技术
随着环境问题的日益严峻及全球能源危机的不断加剧，节能环保的新能源电动汽车作为解决此类问题的重要途径之一，得到了世界各国的广泛关注和重视。充电桩作为电动汽车能源补给的基础配套设施，对于电动汽车的正常运行和推广普及有着至关重要的作用。根据国家相关部门发布的发展指南，到2020年，分散式充电桩安装量要超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求。
为了缩减充电时间，相关厂家纷纷布局大功率充电桩。然而，实现大功率直流充电将导致充电桩内产生更多热量，其温度会急剧升高。如果温升过高，充电桩将降低输出功率，从而无法实现快速充电。以功率为300kW、360kW和400kW的直流充电桩为例，效率普遍在95％左右，那么其中5％就转化为热损耗，其热损耗分别为15kW、18kW和20kW。对于安装在户外的充电桩，受到外界太阳辐射的影响，其内部热量积聚更为严重。如不及时将热量排出，将导致内部电子元器件的烧毁甚至引发火灾。
为保证充电桩的安全稳定运行，避免温度过高造成损坏，必须对充电桩进行冷却。目前，大功率直流充电桩通常采用强制风冷的方式进行散热，但由于缺乏有效的散热控制方法，充电桩在实际应用中普遍存在以下问题：
1)噪声高；机柜风机长期按照最恶劣工况(最高环境温度及模块最大功耗)对应转速工作，产生较大噪声，由于充电桩较多安装在居民区附近停车场，如不解决噪声问题，将引起附近居民投诉，这不利于充电桩的推广普及；
2)积灰严重、能耗高；机柜风机长期全速运行，一方面造成柜内负压较大，容易导致大量灰尘进入防尘网，造成防尘网堵塞、机柜过温，另一方面增加设备能耗，不利于节能环保。
为了解决上述问题，CN 201710075298.6公布了一种用于充电桩的智能控制风扇散热系统及方法，其根据所有模块出口处传感器的温度最大值和充电模块传送的内部散热器温度最大值确定机柜散热风扇的实际电压PWM占空比，进而控制散热风扇的转速，虽然能够起到一定的降噪、防尘和节能效果，但其中所有机柜风扇均按照同一个PWM占空比进行调控，仅适用于单枪充电的小功率充电桩(各充电模块同时工作且输出功率基本接近)。
而实际应用中，为了提高充电桩功率的利用效率，大功率充电桩通常配置多把充电枪。
传统的双枪充电桩，不管是单枪还是双枪充电一般都采用平均功率的方式充电，由于单枪充电无法按照整机最大输出功率工作，这严重影响了充电速度，同时这还造成了充电模块闲置，充电功率利用率不高。
为克服以上缺陷，行业内推出了新型双枪及以上充电桩，其除了按平均功率方式充电，还可以按照功率柔性分配模式进行充电，以输出功率为300kW的充电桩为例，采用15kW充电模块，则模块数量为20个，一般配置有10把充电枪，当按照平均功率进行充电时，最多可以为10辆电动汽车同时充电，单把枪的输出功率最高为30kW，单枪充电时仅有2个充电模块输出功率，其余18个模块处于闲置状态，当按照功率柔性分配模式进行充电时，单枪能够输出最大功率为60kW，单枪充电时有4个充电模块输出功率，仍有16个模块处于闲置状态。
显然，对于多枪大功率充电桩，无论其是否具备功率柔性分配功能，由于单枪输出功率存在上限，当电动汽车等接入负载数量较少时，充电功率利用率较低，此时如按照单枪充电桩对应的散热控制方法，将调动整柜所有风机以相同转速工作用于散热，十分不利于充电桩的降噪、防尘以及节能降耗。
因此，开发一种能够根据负载实时调整控制方案的充电桩散热控制方法极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术充电桩散热控制不智能、不适用于新型多枪大功率充电桩、噪声大且能耗高的缺陷，提供一种能够根据负载实时调整控制方案的多枪大功率充电桩散热控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，所述多枪大功率直流充电桩包括主控模块、多个充电模块、多把充电枪及多个机柜风机，一把充电枪与一个以上的充电模块、一个以上的机柜风机对应，多枪大功率直流充电桩上安有用于检测环境温度的传感器，所述传感器与主控模块连接，所述充电模块与主控模块实时通讯即实时将充电模块的输出电压及输出电流发送至主控模块，所述主控模块用于接收传感器及各充电模块发出的信号并处理该信号得到风机控制方案后根据该控制方案控制机柜风机，其包括一个或多个程序和一个或多个处理器，当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述主控模块执行如下的控制方法；
所述控制方法的步骤如下：
(1)将所有的充电模块划分为X个充电模块区；
(2)将所有机柜风机按照数量及其散热能力划分为Y个机柜风机区，每个机柜风机区至少满足一个充电模块区的散热需要，Y≤X；
(3)主控模块根据各充电模块的输出电压和输出电流计算各充电模块的输出功率，进而得到各充电模块区的总输出功率；
(4)在忽略风机区之间风压相互干扰的情况下，主控模块确定所有机柜风机区的转速影响因子函数，其中第i机柜风机区的转速影响因子函数为Ri(Pi,Ta)，Ta为环境温度，单位为℃，Pi为第i机柜风机区对应的各充电模块区的总输出功率之和，i为1～Y间的整数；
(5)主控模块将所有机柜风机区的转速影响因子函数构成1×Y阶矩阵RPT；
RPT＝[R1(P1,Ta),R2(P2,Ta)……Ri(Pi,Ta)……RY(PY,Ta)]；
(6)主控模块根据第i机柜风机区中风机的额定转速F0、RPT和风压影响修正因子A得到第i机柜风机区的第1转速F1i、第2转速F2i……第Y转速FYi，依次类推得到所有机柜风机区的第1转速到第Y转速，其中风压影响修正因子A为常数矩阵，计算公式如下：
F1i＝F0·R1(P1,Ta)·A1i；
F2i＝F0·R2(P2,Ta)·A2i；
……
FYi＝F0·RY(PY,Ta)·AYi；
Figure BDA0002336378290000041
其中，Aji为A中第j行第i列的元素，代表第j机柜风机区对第i机柜风机区的风压影响修正因子；
(7)选取各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值作为该机柜风机区的最终转速，主控模块调整各机柜风机区中风机的转速使其达到最终转速，完成智能散热控制。
本发明的控制方法不仅考虑了功率对风机转速的影响，还考虑了各柜机风机区之间的影响，采用A修正风压影响，处理过程考虑全面，真实地构建了风机转速与功率的关系函数，通过以上关系函数即可实现根据功率及环境温度实时智能地对风机转速进行调整，采用本发明的控制方法，当多枪充电桩存在充电模块闲置时，能够有效降低闲置模块区对应的风机区转速且充电模块功率利用率越低，多枪充电桩由于机柜风机产生的噪声、能耗降低越明显，此外，本发明的控制方法可广泛地应用于现有的充电桩中，通过简单的改造(加装环境温度传感器和升级控制程序即采用本发明的控制方法)即可完成对设备的升级，改造成本低廉，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，所述转速影响因子函数Ri(Pi,Ta)是关于Pi和Ta的线性函数、二次函数和分段函数中的一种。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，Ri(Pi,Ta)的表达式如下：
Figure BDA0002336378290000051
其中，a和b均为常数，Ri(Pi,Ta)取值范围为0～1，当Ri(Pi,Ta)＞1，Ri(Pi,Ta)＝1。本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据需要设定转速影响因子函数，本发明选用的函数仅为经验证后一种可行的技术方案而已。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，每个充电模块区中的充电模块数量相同，X与充电枪数量相等即充电模块区与充电枪一一对应。本发明的保护范围并不仅限于此，此处仅做示范而已。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，所有的机柜风机型号相同。本发明的保护范围并不仅限于此，机柜风机主要是基于风机功率(散热能力)进行分区。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，每个机柜风机区中的风机数量相同，Y＝X且Y个机柜风机区与X个充电模块区一一对应。本发明的保护范围并不仅限于此，本发明以较为简单的一种布置形式为例，然而本领域技术人员可基于本发明的控制方法进行各种变形，并不仅限于以上形式，只要其基于本发明的控制方法即在本发明的保护范围内。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，所述传感器共有两个，且均布置在充电桩的进风口处，以两传感器测量值的较大值作为环境温度，以防止单个温度传感器出现故障影响整机散热控制。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，所述风压影响修正因子A是根据多枪大功率直流充电桩的具体结构进行仿真计算并进行实际测量后得到的；
A为对称矩阵，其对角线上的元素为1，对角线两侧的元素均小于1。
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，各机柜风机区的第1转速到第Y转速构成Y阶矩阵F，F的表达式如下：
Figure BDA0002336378290000061
如上所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，所述各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值即为矩阵F中各列元素的最大值，即选取矩阵F中第i列的最大值作为第i机柜风机区的最终转速进行输出，记为Fi，各风机区按照对应的输出转速进行调速；
Fi＝max{F1i,F2i,……,FY-1i,FYi}。
有益效果：
(1)本发明的多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，当多枪充电桩存在充电模块闲置时，能够有效降低闲置模块区对应的风机区转速，且充电模块功率利用率越低，多枪充电桩由于机柜风机产生的噪声、能耗降低越显著；
(2)本发明的多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，采用充电模块的输出电压、输出电流以及环境温度等参数用于散热控制，只需要在模块进风侧增加环境温度测量传感器即可，无需在模块出风口处额外增加大量温度传感器，有助于降低实施成本，便于技术推广；
(3)本发明的多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，可单独针对常温、高温、单模块输出、多模块输出等多种工况分别进行散热控制，即可以有效降低常温下的散热风机的噪声和功耗，又能保证高温下设备的大功率输出，极具应用前景。
附图说明
图1为多枪大功率直流充电桩散热系统的结构示意图；
图2为本发明的多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法的流程图；
其中，1-进风口，2-出风口，3-柜体，11-充电模块区I，12-充电模块区II，13-充电模块区III，14-充电模块区VI，15-充电模块区V，21-机柜风机区I，22-机柜风机区II，23-机柜风机区III，24-机柜风机区IV，25-机柜风机区V，31-充电模块I，32-充电模块II，33-充电模块III，34-充电模块IV，35-充电模块V，36-充电模块VI，37-充电模块VII，38-充电模块VIII，39-充电模块XI，40-充电模块X。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。
本发明的多枪大功率直流充电桩散热系统如图1所示，机柜内外部气流方向如图1中箭头方向所示，其包括主控模块和柜体3，柜体3的右侧设有进风口1(带百叶窗滤网)，进风口处安有两个用于检测环境温度的传感器，传感器与主控模块连接，柜体3的左侧设有出风口2(带百叶窗滤网)，在出风口2处有5个型号相同的机柜风机，充电桩配置有5把充电枪(未在图1中标出)，在机柜内部放置有10个充电模块(即图1中充电模块I 31、充电模块II32、充电模块III 33、充电模块IV 34、充电模块V 35、充电模块VI 36、充电模块VII 37、充电模块VIII 38、充电模块XI 39和充电模块X 40)，其中单个充电模块最大输出功率为15kW，充电模块与主控模块实时通讯即实时将充电模块的输出电压及输出电流发送至主控模块，主控模块用于接收传感器及各充电模块发出的信号并处理该信号得到风机控制方案后根据该控制方案控制机柜风机，主控模块包括一个或多个程序和一个或多个处理器，当一个或多个程序被处理器执行时，使得主控模块执行多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法：
(1)将所有的充电模块划分为5个充电模块区，具体为充电模块I 31和充电模块II32为充电模块区I11，充电模块III 33和充电模块IV 34为充电模块区II 12，充电模块V 35和充电模块VI 36为充电模块区III 13，充电模块VII 37和充电模块VIII 38为充电模块区VI 14，充电模块XI 39和充电模块X40为充电模块区V15；
(2)将所有5台机柜风机划分为5个机柜风机区(即机柜风机区I 21、机柜风机区II21、机柜风机区III 23、机柜风机区IV 24和机柜风机区V 25)，五个机柜风机区与五个充电模块区一一对应；
(3)主控模块根据各充电模块的输出电压和输出电流计算各充电模块的输出功率，进而得到各充电模块区的总输出功率，具体为：
主控设备采集充电模块31～40的输出电压V31～V40、输出电流I31～I40，据此计算各充电模块区的总输出功率P1、P2、P3、P4和P5：
P1＝I31V31+I32V32，
P2＝I33V33+I34V34，
P3＝I35V35+I36V36，
P4＝I37V37+I38V38，
P5＝I39V39+I40V40；
(4)主控模块确定所有机柜风机区的转速影响因子函数，其中第i机柜风机区的转速影响因子函数为Ri(Pi,Ta)，其中Ri(Pi,Ta)的表达式如下：
Figure BDA0002336378290000091
其中，a和b均为常数，Ta为环境温度，其中以两传感器测量值的较大值作为环境温度，单位为℃，Pi为第i机柜风机区对应的各充电模块区的总输出功率之和，i为1～5间的整数，Ri(Pi,Ta)取值范围为0～1，当Ri(Pi,Ta)＞1，Ri(Pi,Ta)＝1；
(5)主控模块将所有机柜风机区的转速影响因子函数构成1×5阶矩阵RPT；
RPT＝[R1(P1,Ta),R2(P2,Ta)……Ri(Pi,Ta)……R5(P5,Ta)]；
(6)主控模块根据第i机柜风机区中风机的额定转速F0、RPT和风压影响修正因子A得到第i机柜风机区的第1转速F1i、第2转速F2i……第5转速F5i，依次类推得到所有机柜风机区的第1转速到第5转速，其中风压影响修正因子A为常数矩阵，其是根据多枪大功率直流充电桩的具体结构进行仿真计算并进行实际测量后得到的，计算公式如下：
F1i＝F0·R1(P1,Ta)·A1i；
F2i＝F0·R2(P2,Ta)·A2i；
……
F5i＝F0·R5(P5,Ta)·A5i；
Figure BDA0002336378290000092
具体为
Figure BDA0002336378290000093
其中，Aji为A中第j行第i列的元素，代表第j机柜风机区对第i机柜风机区的风压影响修正因子；
各机柜风机区的第1转速到第5转速构成5阶矩阵F，F的表达式如下：
Figure BDA0002336378290000101
(7)选取各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值作为该机柜风机区的最终转速(各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值即为矩阵F中各列元素的最大值)，主控模块调整各机柜风机区中风机的转速使其达到最终转速，完成智能散热控制。
下面结合具体场景对本发明实施例的效果作进一步说明。
场景一、1辆电动汽车充电，对应的单枪满功率输出60kW，此时充电模块区I11和充电模块区II 12同时按照最大功率30kW输出。在环境温度分别为25℃和50℃条件下，计算得到各风机区转速与额定转速的比值，如表1和表2所示。显然，与单枪充电桩智能散热控制方法相比，在不影响模块输出功率和散热的前提下，机柜风机区III 23、机柜风机区IV 24及机柜风机区V 25的转速均降低了至少50％。
表1单枪满功率输出，环境温度25℃时机柜风机转速
i 1 2 3 4 5
P<sub>i</sub>(kW) 30 30 0 0 0
R<sub>i</sub>(P<sub>i</sub>,25℃) 0.5 0.5 0 0 0
F<sub>i</sub>/F<sub>0</sub> 0.5 0.5 0.25 0.2 0.2
表2单枪满功率输出，环境温度50℃时机柜风机转速
i 1 2 3 4 5
P<sub>i</sub>(kW) 30 30 0 0 0
R<sub>i</sub>(P<sub>i</sub>,25℃) 1 1 0.5 0.5 0.5
F<sub>i</sub>/F<sub>0</sub> 1 1 0.5 0.5 0.5
场景二、2辆电动汽车同时充电，双枪同时满功率输出，即充电模块区I～IV11～14同时按照最大功率30kW输出。在环境温度分别为25℃和50℃条件下，计算得到各风机区转速与额定转速的比值，如表3和表4所示。显然，与单枪充电桩智能散热控制方法相比，在不影响模块输出功率和散热的前提下，机柜风机区V 25的转速降低了50％。
表3双枪满功率输出，环境温度25℃时机柜风机转速
i 1 2 3 4 5
P<sub>i</sub>(kW) 30 30 30 30 0
R<sub>i</sub>(P<sub>i</sub>,25℃) 0.5 0.5 0.5 0.5 0
F<sub>i</sub>/F<sub>0</sub> 0.5 0.5 0.5 0.5 0.25
表4双枪满功率输出，环境温度50℃时机柜风机转速
i 1 2 3 4 5
P<sub>i</sub>(kW) 30 30 30 30 0
R<sub>i</sub>(P<sub>i</sub>,25℃) 1 1 1 1 0.5
F<sub>i</sub>/F<sub>0</sub> 1 1 1 1 0.5
经验证，本发明的多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，当多枪充电桩存在充电模块闲置时，能够有效降低闲置模块区对应的风机区转速，且充电模块功率利用率越低，多枪充电桩由于机柜风机产生的噪声、能耗降低越显著；采用充电模块的输出电压、输出电流以及环境温度等参数用于散热控制，只需要在模块进风侧增加环境温度测量传感器即可，无需在模块出风口处额外增加大量温度传感器，有助于降低实施成本，便于技术推广；可单独针对常温、高温、单模块输出、多模块输出等多种工况分别进行散热控制，即可以有效降低常温下的散热风机的噪声和功耗，又能保证高温下设备的大功率输出，极具应用前景。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (10)

1.一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，所述多枪大功率直流充电桩包括主控模块、多个充电模块、多把充电枪及多个机柜风机，一把充电枪与一个以上的充电模块、一个以上的机柜风机对应，多枪大功率直流充电桩上安有用于检测环境温度的传感器，所述传感器与主控模块连接，所述充电模块与主控模块实时通讯即实时将充电模块的输出电压及输出电流发送至主控模块，所述主控模块用于接收传感器及各充电模块发出的信号并处理该信号得到风机控制方案后根据该控制方案控制机柜风机，其包括一个或多个程序和一个或多个处理器，当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述主控模块执行如下的控制方法；
所述控制方法的步骤如下：
(1)将所有的充电模块划分为X个充电模块区；
(2)将所有机柜风机按照数量及其散热能力划分为Y个机柜风机区，每个机柜风机区至少满足一个充电模块区的散热需要，Y≤X；
(3)主控模块根据各充电模块的输出电压和输出电流计算各充电模块的输出功率，进而得到各充电模块区的总输出功率；
(4)主控模块确定所有机柜风机区的转速影响因子函数，其中第i机柜风机区的转速影响因子函数为Ri(Pi,Ta)，Ta为环境温度，单位为℃，Pi为第i机柜风机区对应的各充电模块区的总输出功率之和，i为1～Y间的整数；
(5)主控模块将所有机柜风机区的转速影响因子函数构成1×Y阶矩阵RPT；
RPT＝[R1(P1,Ta),R2(P2,Ta)……Ri(Pi,Ta)……RY(PY,Ta)]；
(6)主控模块根据第i机柜风机区中风机的额定转速F0、RPT和风压影响修正因子A得到第i机柜风机区的第1转速F1i、第2转速F2i……第Y转速FYi，依次类推得到所有机柜风机区的第1转速到第Y转速，其中风压影响修正因子A为常数矩阵，计算公式如下：
F1i＝F0·R1(P1,Ta)·A1i；
F2i＝F0·R2(P2,Ta)·A2i；
……
FYi＝F0·RY(PY,Ta)·AYi；
Figure FDA0002336378280000021
其中，Aji为A中第j行第i列的元素，代表第j机柜风机区对第i机柜风机区的风压影响修正因子；
(7)选取各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值作为该机柜风机区的最终转速，主控模块调整各机柜风机区中风机的转速使其达到最终转速，完成智能散热控制。
2.根据权利要求1所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，所述转速影响因子函数Ri(Pi,Ta)是关于Pi和Ta的线性函数、二次函数和分段函数中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，Ri(Pi,Ta)的表达式如下：
Figure FDA0002336378280000022
其中，a和b均为常数，Ri(Pi,Ta)取值范围为0～1，当Ri(Pi,Ta)＞1，Ri(Pi,Ta)＝1。
4.根据权利要求1所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，每个充电模块区中的充电模块数量相同，X与充电枪数量相等。
5.根据权利要求4所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，所有的机柜风机型号相同。
6.根据权利要求5所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，每个机柜风机区中的风机数量相同，Y＝X且Y个机柜风机区与X个充电模块区一一对应。
7.根据权利要求1所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，所述传感器共有两个，且均布置在充电桩的进风口处，以两传感器测量值的较大值作为环境温度。
8.根据权利要求6所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，所述风压影响修正因子A是根据多枪大功率直流充电桩的具体结构进行仿真计算并进行实际测量后得到的；
A为对称矩阵，其对角线上的元素为1，对角线两侧的元素均小于1。
9.根据权利要求8所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，各机柜风机区的第1转速到第Y转速构成Y阶矩阵F，F的表达式如下：
Figure FDA0002336378280000031
10.根据权利要求9所述的一种多枪大功率直流充电桩智能散热控制方法，其特征在于，所述各机柜风机区中第1转速到第Y转速中的最大值即为矩阵F中各列元素的最大值。
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