CN111885894B - 用于直流充电机的变风量散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流充电机的变风量散热方法，属于充电机技术领域，包括以下步骤：步骤A、充电机启动充电时，所有风扇均不启动，温度传感器实时监测充电机的内部温度并将温度值传递至风量控制器；步骤B、在充电机充电过程中，如果风量控制器检测到在一定时间内充电机内部温度的变化超过预设值，则通过转速控制器启动一组或多组风扇并调节风扇的转速直至检测到充电机内部温度保持稳定，否则所有风扇均保持当前状态；步骤C、充电机充电结束后，未运行风扇保持当前状态不变，已运行风扇以最大转速持续转动3min后停止转动。本发明可以在充电机保持良好散热的基础上，实时控制风扇启停、转速调整，从而降低能耗，提高电能利用率。

Description

用于直流充电机的变风量散热方法

技术领域

本发明属于充电机技术领域，具体涉及一种用于直流充电机的变风量散热系统及散热方法。

背景技术

直流充电机以快速高效的充电方式受到广大使用者的青睐，市场所占的比重也越来越大。

直流充电机在充电过程中，充电机内部温度与充电机机壳材料、充电机体积、充电时间、当前环境温度、内部器件热辐射等因素有密切关系。充电机内部温度过高，会增加电子元器件的额外损耗，加速器件老化，降低使用寿命，也会影响充电效率，增加电能的额外消耗。而且，直流充电机内置充电模块，要求的散热量要大的多。

综合成本、实现方式、可靠性等因素，目前充电机主流散热方式为强制风冷散热，通过风扇鼓风，加速空气流动，从而加速热量交换，以降低充电机内部温度。

现有技术中至少存在以下技术问题：当前大部分直流充电机安装有多个风扇，而且在启动充电阶段所有的风扇均会立刻转动，最多也就是随着充电时长更改下风扇转速，这样不分环境场合、不考虑风扇电能损耗的散热控制方式，加大了充电机的运行负担，降低了电能的利用率，更无法对充电机内部进行有效的散热。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于直流充电机的变风量散热方法，通过实时监测充电机的内部温度而改变风扇的启停、转速来调节系统总送风量，从而达到降低或维持充电机内部温度恒定的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于直流充电机的变风量散热方法，基于变风量散热系统，所述变风量散热系统包括设置在直流充电机内的风量控制器、与所述风量控制器相连的温度传感器、转速控制器以及与所述转速控制器相连的多组散热风扇组成的风冷系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、充电机启动充电时，所有风扇均不启动，温度传感器实时监测充电机的内部温度并将温度值传递至风量控制器；步骤B、在充电机充电过程中，如果风量控制器检测到在一定时间内充电机内部温度的变化超过预设值，则通过转速控制器启动一个或多个风扇组并调节风扇的转速直至检测到充电机内部温度保持稳定，否则所有风扇均保持当前状态；步骤C、充电机充电结束后，未运行风扇保持当前状态不变，已运行风扇以额定转速持续转动1～5min后停止转动。

本发明的有益效果是：1、可以在充电机保持良好散热的基础上，实时控制风扇启停、转速调整，从而降低能耗，提高电能利用率；2、建立充电机的温度模型，以更加直观的方式分析充电机散热问题；3、可以根据数量、安装位置对变速风扇进行分组，可以专门对充电桩内部局部高温区域进行散热；4、散热方法简单易实现、成本低，并具有相当可观的产业利用价值。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明中直流充电机变风量散热系统原理框图；

图2为本发明中直流充电机风扇安装位置示意图实施例一；

图3为本发明中直流充电机风扇安装位置示意图实施例二；

图4为本发明中直流充电机风扇安装位置示意图实施例三；

图5为本发明中直流充电机变风量散热系统结构图；

图6为本发明中转速控制器工作流程图；

图7为本发明中充电机降低风扇能耗控制图a；

图8为本发明中充电机降低风扇能耗控制图b。

具体实施方式

参见附图1，本发明的用于直流充电机的变风量散热方法基于变风量散热系统，变风量散热系统包括设置在直流充电机内的风量控制器、与风量控制器相连的温度传感器、转速控制器以及与转速控制器相连的多组散热风扇组成的风冷系统。风量控制器根据温度偏差反馈可以估算出当前充电机的预设风量。转速控制器根据风量偏差反馈控制风扇的启停、调节风扇转速以改变充电机内部送风量。温度传感器设置有一个或者多个，用于检测各位置的温度。

本发明的方法通过建立充电机的温度模型以及风扇模型，通过改变风扇的启停、转速来调节系统总送风量，从而达到降低或维持充电机内部温度的目的。

本发明中空间冷负荷是指为了维持空间内部温度设定需求，在单位时间内风冷系统从空间带走的热量。受到内部温度、内部设备、太阳辐射、维护结构性能等诸多因素的干扰，空间冷负荷实时变化，难以用精确的公式表达。

变风量散热系统需要平衡空间冷负荷，实时供冷量用以下公式表示：

Q_k＝ρ_aG_sC_a(t_s-t_r) (1)

公式中，ρ_a为送风空气密度，kg/m³；G_s为单位时间内空间送风量，m³/s；C_a为送风空气比热容，kJ/(kg·℃)；t_s为送风温度，℃；t_r为空间内部实时温度，℃；Q_k为风冷系统实时供冷量，W。

充电机的温度模型以能量守恒关系为基础，用以下公式表示：

公式中，C_a为充电机内部空气比热容，kJ/(kg·℃)；ρ_a为充电机内部空气密度，kg/m³；V_a为充电机内部空气容积，m³；Q_t为充电机内部实时冷负荷，W；

通过调节供冷量Q_k与冷负荷Q_t的关系，可以调节充电机内部的温度t_r。当Q_k与Q_t平衡时，t_r保持恒定。

基于能量守恒的关系，联立式(1)、(2)可以得出充电机温度t_r的模型：

充电机内部有大量的电子元器件，在工作状态下，这些电子元器件会产生一定的负荷。变风量散热系统实时改变送风量以跟随充电机内部电子元器件负荷的变化。

充电机理想工作温度与充电机当前实际温度的偏差温度传感器有一定的周期采样，根据离散PID控制算法，充电机内部实时负荷Q_τ为：

公式中，Q_τ为当前时刻的充电机负荷需求，W；K为比例系数；T_I为积分时间常数，s；T_D为微分时间常数，s；Δt_r,τ为本时刻温度偏差，Δt_r,τ-1为上一时刻温度偏差，Δt_r,τ-2为上上时刻温度偏差。其中，K、T_I、T_D三个参数的大小均可以任意改变，没有特定的范围限制，根据实际情况而定：若T_I为∞，T_D为0，则积分项和微分项均不起作用，为比例控制；若T_D为0，微分项不起作用，为比例积分控制；若T_I为∞，积分项不起作用，为比例微分控制。

根据充电机温度恒定下的风冷系统供冷量与负荷平衡关系，联立公式(1)(4)可以得出充电机的设定送风量G_x：

t_s,τ-t_r,τ为本时刻送风温度与充电机内部实时温度的差值。

根据风扇送风量、转速的关系，风扇的模型可由公式(6)表示：

公式中，G_r为风扇实际送风量，m³/s；G_d为风扇额定送风量，m³/s；n_r为风扇实际转速，rpm；n_d为风扇额定转速，rpm。

根据风扇特性原理，风扇在不同转速下的理论功率与其转速的三次方成正比。则两个风扇同一工作状态下的功率比可由公式(7)表示：

公式中，P_A、P_B为两个风扇同一工作状态下所对应的功率，W；n_A、n_B为此状态下两个风扇的转速，rpm。

由于不同风扇的功率比例关系与转速有关，因此风扇的功率可以通过转速等价计算。

由此，本发明的方法包括以下步骤。将充电机内的变速风扇根据数量、安装位置，任意分成n组(单个或者数个风扇为一组，n为风扇总组数)。

步骤A、充电机启动充电时，所有风扇均不启动，温度传感器实时监测充电机的内部温度并将温度值传递至风量控制器。

步骤B、在充电机充电过程中，如果风量控制器检测到在一定时间(如3分钟)内充电机内部温度的变化超过预设值，则通过转速控制器启动一个或多个风扇组并调节风扇的转速直至检测到充电机内部温度保持稳定，否则所有风扇均保持当前状态。

在此步骤中，风量控制器根据温度传感器检测到的实时温度t_r计算充电机的实时负荷Q_τ，

公式中，K为比例系数；T_I为积分时间常数，s；T_D为微分时间常数，s；Δt_r,τ为本时刻温度偏差，Δt_r,τ-1为上一时刻温度偏差，Δt_r,τ-2为上上时刻温度偏差。然后根据得到的实时负荷计算送风量并控制转速控制器启动一个或多个风扇组。其中，K、T_I、T_D三个参数的大小均可以任意改变，没有特定的范围限制，根据实际情况而定：若T_I为∞，T_D为0，则积分项和微分项均不起作用，为比例控制；若T_D为0，微分项不起作用，为比例积分控制；若T_I为∞，积分项不起作用，为比例微分控制。

进一步的，根据上述计算得到的充电机的实时负荷Q_τ并根据风冷系统实时供冷量Q_k计算送风量G_x，然后根据得到的设定送风量G_x控制转速控制器启动一个或多个风扇组并调节风扇的转速；其中，

实时供冷量Q_k＝ρ_aG_sC_a(t_s-t_r)，公式中，ρ_a为送风空气密度，kg/m3；G_s为单位时间内空间送风量，m³/s；C_a为送风空气比热容，kJ/(kg·℃)；t_s为送风温度，℃；t_r为空间内部实时温度，℃；Q_k为风冷系统实时供冷量，W；

直流充电机设定送风量

公式中，ρ_a为送风空气密度，kg/m³；G_s为单位时间内空间送风量，m³/s；C_a为送风空气比热容，kJ/(kg·℃)；t_s为送风温度，℃；t_r为空间内部实时温度，℃；t_s,τ-t_r,τ为本时刻送风温度与充电机内部实时温度的差值。

如果第一风扇组已经启动，依据当前充电机内部温度，实时调节第一风扇组的转速，从而控制充电机的送风量，达到降低或者维持充电机内部温度的目的。

如果第一风扇组达到额定转速且3min内充电机内部温度仍然在升高，则立刻启动第二风扇组；并依据当前充电机内部温度，实时调节第一、第二风扇组的转速，控制充电机的送风量。

如果第一、第二风扇组均达到额定转速，并在3min内充电机内部温度依然在升高，则启动第三风扇组；同样依据当前充电机内部温度，实时调节第一、第二、第三风扇组的转速，控制充电机的送风量。

以此类推，第n风扇组的启动条件同上(n为风扇总组数)。具体地，还可以根据温度传感器的温度反馈，是否局部温度过高，再结合第n风扇组的位置，进而启动对应位置的风扇组。

在充电机工作状态下，风量控制器检测到充电机内部温度保持稳定，对

与

进行比较判断：

若

则不需要做出任何处理，维持现状；若

则启动第k+1个风扇组并调整风扇组中风扇的转速(降低一个或多个风扇组中风扇的转速，即：可以是降低1个风扇组的转速，也可以是降低所有k+1个风扇组中风扇的转速且降低的程度不同)，以降低风扇组中风扇转速，达到减小风扇能耗的目的。其中，k为当前已启动的风扇组数量，n为风扇组的总数量，n_k为对应风扇组当前状态下的转速，rpm。

在充电机工作状态下，风量控制器检测到充电机内部温度有下降趋势，同上，对

与

进行比较判断：

若

则不需要做出任何处理，维持现状；若

则关闭一个风扇组，调整风扇组中风扇的转速(降低一个或多个风扇组中风扇的转速，即：可以是降低1个风扇组的转速，也可以是降低所有k-1个风扇组中风扇的转速且降低的程度不同)，以降低风扇组中风扇的转速，达到减小风扇能耗的目的。其中，k为当前已启动的风扇组数量，n为风扇组的总数量，n_k为对应风扇组当前状态下的转速，rpm。

本实施例中，

为k个风扇组的功率和，

为k+1个风扇组的功率和，

为k-1个风扇组的功率和。每个风扇组中可以有1个风扇，也可以有2个及以上的风扇。当有2个及以上的风扇时，该风扇组内所有的风扇在运行状态下的转速均一致，上述公式中该风扇组的转速为组内所有风扇的转速之和。

步骤C、充电机充电结束后，未运行风扇保持当前状态不变，已运行风扇以额定转速持续转动1～5min后(该时间与风扇的额定转速有关：即额定转速越大，该时间越小)停止转动。优选的，以最大转速持续转动3min后停止转动(风扇以最大转速持续转动3min所提供的风量，可以加快充电机内部空气流动，加速降温，为下次充电提供一个良好的充电环境)。

下面结合具体实施例来具体阐述本发明的方案。

如图2-4所示，图中为6个变速风扇经常使用的三种安装位置布局图。

用于具体阐述本发明方法所采用的实施例选用的直流充电机内设有6个变速风扇，其安装布局方式如图2所示。

将6个风扇按照图2所示，进行编码，将其分为3组(即：1、6一组，2、5一组，3、4一组)。

如图5所示为本发明实施例根据上述风扇布局分组而确定本实施例中直流充电机变风量散热系统结构图，该系统包括：温度传感器、风量控制器、转速控制器、3组变速风扇以及直流充电机；

根据充电机的温度模型

可以看出：该温度模型为一阶线性微分方程。当充电机内部空气容积V_a(m³)是一个定值时，充电机内部实时温度t_r(℃)与充电机内部实时冷负荷Q_t(W)和单位时间内充电机送风量G_s(m³/s)有关。

充电机内部实时负荷由公式

得出。

充电机送风量可以根据风扇模型得出，即：

则三个风扇组的总送风量为：G_s＝G₁+G₂+G₃。

由此，整个充电机变风量散热系统得以构成。

参见附图6-8，本实施例的方案具体工作过程如下。

步骤1：当充电机启动充电时，3个风扇组均不启动，温度传感器实时监测充电机内部温度。

步骤2：若充电机当前温度保持恒定，且没有升高的趋势，则3个风扇组均不启动。

步骤3：若当前充电机内部温度有明显升高的趋势，则根据温度传感器的温度反馈，是否局部温度过高，再结合3个风扇组的位置，进而启动对应位置组的风扇。

步骤4：根据步骤3的结果，启动第1风扇组，并根据温度传感器的反馈，实时调节该风扇组的转速，以控制充电机进风量，达到降低或维持充电机内部温度的目的。

步骤5：随着充电时间的延长或者当地环境温度的影响，根据温度传感器的反馈，若充电机内部温度持续升高(3min内)，且第1风扇组转速已经达到最大，则立刻启动第2风扇组。

步骤6：根据温度传感器的反馈，实时调节第1、第2风扇组的转速，以控制充电机进风量，进而降低或维持充电机内部温度。

步骤7：根据步骤6的结果，再依据温度传感器的实时反馈，若充电机内部温度持续升高(3min内)，且第1、第2风扇组转速均已经达到最大，则立刻启动第3风扇组。

步骤8：根据温度传感器的反馈，实时调节三个风扇组的转速，以控制充电机进风量，降低或维持充电机内部温度。

步骤9：如图7所示，若充电机在充电过程中，已经启动两个风扇组，且根据温度传感器的反馈，充电机内部温度已趋于稳定，则依据风扇特性原理：“风扇在不同转速下的理论功率与其转速的三次方成正比”进行能耗判断。即：若P₁+P₂≤P₁+P₂+P₃，则所有风扇维持现状；若P₁+P₂＞P₁+P₂+P₃，则启动第3风扇组，并调整三个风扇组的转速，在保持充电机良好散热的基础上，降低风扇能耗。

步骤10：如图8所示，若充电机在充电过程中，已经启动两个或三个风扇组，且根据温度传感器的反馈，充电机内部温度有下降的趋势，则依据风扇特性原理进行能耗判断。即：若P₁+P₂+P₃≤P₁+P₂，则所有风扇维持现状；若P₁+P₂+P₃＞P₁+P₂，则关闭第3风扇组，并调整剩余两个风扇组的转速，在保持充电机良好散热的基础上，降低风扇能耗。

步骤11：若充电机停止充电(自动充满、人为停止或故障停止)，则未运行风扇保持当前状态不变，已运行风扇以最大转速持续转动3min后停止转动(风扇以最大转速持续转动3min所提供的风量，可以加快充电机内部空气流动，加速降温，为下次充电提供一个良好的充电环境)。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种用于直流充电机的变风量散热方法，基于变风量散热系统，所述变风量散热系统包括设置在直流充电机内的风量控制器、与所述风量控制器相连的温度传感器、转速控制器以及与所述转速控制器相连的多组散热风扇组成的风冷系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、充电机启动充电时，所有风扇均不启动，温度传感器实时监测充电机的内部温度并将温度值传递至风量控制器；

步骤B、在充电机充电过程中，如果风量控制器检测到在一定时间内充电机内部温度的变化超过预设值，则通过转速控制器启动一个或多个风扇组并调节风扇的转速直至检测到充电机内部温度保持稳定，否则所有风扇均保持当前状态；

步骤C、充电机充电结束后，未运行风扇保持当前状态不变，已运行风扇以额定转速持续转动1～5min后停止转动；

在步骤B中，风量控制器根据温度传感器检测到的实时温度t_r计算充电机的实时负荷Q_τ，然后根据得到的实时负荷计算送风量并控制转速控制器启动一个或多个风扇组，

其中

公式中，K为比例系数；T_I为积分时间常数，单位：s；T_D为微分时间常数，单位：s；Δτ为本时刻与上一时刻的差值；Δt_r,τ为本时刻温度偏差，Δt_r,τ-1为上一时刻温度偏差，Δt_r,τ-2为上上时刻温度偏差；

在步骤B中，根据风冷系统实时供冷量Q_k和充电机的实时负荷Q_τ，计算直流充电机设定送风量G_x，然后根据得到的设定送风量G_x控制转速控制器启动一个或多个风扇组并调节风扇的转速；其中，

实时供冷量Q_k＝ρ_aG_sC_a(t_s-t_r)，公式中，ρ_a为送风空气密度，单位：kg/m3；G_s为单位时间内空间送风量，单位：m³/s；C_a为送风空气比热容，单位：kJ/(kg·℃)；t_s为送风温度，单位：℃；t_r为空间内部实时温度，单位：℃；Q_k为风冷系统实时供冷量，单位：W；

直流充电机设定送风量

公式中，ρ_a为送风空气密度，单位：kg/m³；C_a为送风空气比热容，单位：kJ/(kg·℃)；t_s为送风温度，单位：℃；t_r为空间内部实时温度，单位：℃；t_s,τ-t_r,τ为本时刻送风温度与充电机内部实时温度的差值。

2.根据权利要求1所述的用于直流充电机的变风量散热方法，其特征在于，在步骤B中，风量控制器检测到充电机内部温度保持稳定，对

与

进行比较判断：

为k个风扇组的功率和；

为k+1个风扇组的功率和；

若

则不需要做出任何处理，维持现状；若

则启动第k+1个风扇组并调整风扇组中风扇的转速，其中，

k为当前已启动的风扇组数量，n为风扇组的总数量，n_k为对应风扇组当前状态下的转速，单位：rpm。

3.根据权利要求1所述的用于直流充电机的变风量散热方法，其特征在于，在步骤B中，风量控制器检测到充电机内部温度有下降趋势，对

与

进行比较判断：

为k个风扇组的功率和；

为k-1个风扇组的功率和；

若

则不需要做出任何处理，维持现状；若

则关闭一个风扇组并调整风扇组中风扇的转速，其中，

k为当前已启动的风扇组数量，n为风扇组的总数量，n_k为对应风扇组当前状态下的转速，单位：rpm。

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