CN113075541A - 一种柔性充电堆矩阵开关粘连故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及直流充电桩桩故障诊断技术领域，特指一种柔性充电堆矩阵开关发生粘连时的故障定位方法。该方法通过在柔性充电堆充电终端连接模拟测试负载，控制开关矩阵规则动作，观测注入模拟测试负载的功率的异常情况来判断开关矩阵的故障位置。

Description

一种柔性充电堆矩阵开关粘连故障定位方法

技术领域

本发明主要涉及直流充电桩桩故障诊断技术领域，特指一种柔性充电堆矩阵开关发生粘连时的故障定位方法。

背景技术

近年来，电动汽车与直流充电桩的数量日益增多，为了满足不同车型的充电功率需求，柔性充电堆的概念被提出。即将充电功率模块化，在给充电功率要求高的电动汽车充电时，可以调动多个功率模块同时充电；在给充电功率要求低的电动汽车充电时，则接入少量的功率模块。专利CN204538735U公开的矩阵式柔性充电堆灵活性高，可实现功率模块向充电终端的任意分配。但分配系统使用的开关数量多，在长时间工作中易出现开关粘连故障。目前开关粘连故障没有成熟的自动诊断技术，现有的处理方法都是通过工作人员现场进行观察判断，费时费力，效率不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对柔性充电堆矩阵开关出现的粘连故障，本发明提供了一种故障自动定位方法。

针对现有技术存在的不足，本发明所提供的技术方案是：

在待测充电堆各充电终端连接模拟测试负载；

启动柔性充电堆，通过开关矩阵的控制器下发控制指令使所有开关全部断开，监控各充电终端输出功率；

此时，各充电终端没有功率输出为正常；有功率输出为异常，且输出功率为一倍功率模块功率。

若各充电终端皆正常，则判定开关矩阵无开关粘连故障。

否则，可根据某个充电终端是否为异常，判定与其相连的系列开关中是否存在粘连开关。

进一步，通过开关矩阵的控制器下发控制指令，使与异常充电终端相连的系列开关轮流闭合，监测该充电终端连接到不同功率模块时的输出功率。

在连接到某一功率模块的开关闭合时，

若该充电终端输出为两倍功率模块功率，则判定连接该充电终端与该功率模块的开关无粘连故障。

若该充电终端输出为一倍功率模块功率，则判定连接该充电终端与功率模块的开关出现了粘连故障。

故障自动定位方法数学模型描述如下：

需进行故障定位的充电堆具有N个功率模块，分别编号为：功率模块1、2、……、N，每个功率模块在进行测试工作时额定输出为P_o；充电堆具有M个充电终端，分别编号为：充电终端1、2、……、M，各充电终端接入的模拟测试负载皆设置参数一致；用S_ij表示连接充电终端i与功率模块j的开关，则M*N个矩阵开关可分别表示为：S₁₁、S₁₂、……、S_1N、S₂₁、S₂₂、……、S_2N、……、S_M1、S_M2、……、S_MN，用0表示开关状态断开，用1表示开关状态闭合，则开关矩阵状态可用矩阵S表示：

将开关矩阵的控制指令信号用S*表示：

在该充电堆开关矩阵无粘连故障时，控制指令信号S^*与开关矩阵状态S的关系可表示为：

S＝S^*

两个以上开关同时发生粘连故障概率极小，在此只以单开关故障及两开关故障为例进行分析，其他多开关粘连故障分析方法类似。

当连接充电终端I与功率模块J的开关及连接充电终端K与功率模块L的开关出现粘连故障时(K≥I，L≥J)，开关矩阵状态S不总是等于控制指令信号S^*，故障特征为：

当S_IJ ^*＝0时，S_IJ＝1；当S_IJ ^*＝1时，S_IJ＝1。

当S_KL ^*＝0时，S_KL＝1；当S_KL ^*＝1时，S_KL＝1。

即无论控制指令信号如何，故障开关状态始终为闭合。

开关粘连故障自动定位方法有三个步骤，如下所述：

(1)控制S^*＝0，监测此时各充电终端输出功率P_i，i＝1，2，……，M，此时，可能出现以下四种故障情景：

①当i＝i₁时，P_i＝P_o；当i≠i₁时，P_i＝0。i₁为检测到的第一处粘连故障所对应的充电终端编号。

故障分析：此时仅有一开关发生粘连故障，且I＝i₁，即与编号为i₁的充电终端相连的某个开关发生故障。记为故障模式1。

②当i＝i₁时，P_i＝2P_o；当i≠i₁时，P_i＝0。

故障分析：此时有两开关发生粘连故障，且I(K)＝i₁，即与编号为i₁的充电终端相连的某两个开关同时发生故障。记为故障模式2。

③当i＝i₁及i＝i₂时，P_i＝0.5P_o；当i≠i₁且i≠i₂时，P_i＝0。i₂为检测到的第二处粘连故障所对应的充电终端编号。

故障分析：此时有两开关发生粘连故障，且I＝i₁，K＝i₂，即与编号为i₁的充电终端相连的某个开关及与编号为i₂的充电终端相连的某个开关发生故障，由输出功率大小可知，这两个故障开关连接着同一功率模块。记为故障模式3。

④当i＝i₁及i＝i₂时，P_i＝P_o；当i≠i₁且i≠i₂时，P_i＝0。

故障分析：此时有两开关发生粘连故障，且I＝i₁，K＝i₂，即与编号为i₁的充电终端相连的某个开关及与编号为i₂的充电终端相连的某个开关发生故障。记为故障模式4。

(2)轮流控制S_Ij ^*＝1,j＝1，2，……，N，监测此时充电终端I每一次的输出功率P_Ij。

①对于故障模式1，可能出现的故障情景为：

当j＝j₁时，P_Ij＝P_o；当j≠j₁时，P_Ij＝2P_o。

故障分析：由故障情景可知J＝j₁，即连接充电终端i₁与功率模块j₁的开关发生了粘连故障。

②对于故障模式2，可能出现的故障情景为：

当j＝j₁或j＝j₂时，P_Ij＝2P_o；当j≠j₁且j≠j₂时，P_Ij＝3P_o。

故障分析：由故障情景可知J＝j₁，L＝j₂，即连接充电终端i₁与功率模块j₁的开关及连接充电终端i₁与功率模块j₂的开关发生了粘连故障。

③对于故障模式3，可能出现的故障情景为：

当j＝j₁时，P_Ij＝0.5P_o；当j≠j₁时，P_Ij＝1.5P_o。

故障分析：由故障情景可知J(L)＝j₁，即连接充电终端i₁与功率模块j₁的开关及连接充电终端i₂与功率模块j₁的开关发生了粘连故障。

④对于故障模式4，可能出现的故障情景为：

当j＝j₁时，P_Ij＝P_o；当j≠j₁时，P_Ij＝2P_o。

故障分析：由故障情景可知J＝j₁，即连接充电终端i₁与功率模块j₁的开关发生了粘连故障。

(3)轮流控制S_Kj ^*＝1,j＝1，2，……，N，监测此时充电终端K每一次的输出功率P_Kj。

①对于故障情景1，无需进行步骤(3)即可分析出故障开关位置。

②对于故障情景2，无需进行步骤(3)即可分析出故障开关位置。

③对于故障情景3，无需进行步骤(3)即可分析出故障开关位置。但可以通过步骤(3)对步骤(2)得出的故障位置结论进行验证。

当j＝j₁时，P_Kj＝0.5P_o；当j≠j₁时，P_Kj＝1.5P_o。即可验证连接充电终端i₁与功率模块j₁的开关及连接充电终端i₂与功率模块j₁的开关发生了粘连故障。

对于故障情景4，可能出现的故障情景为：

当j＝j₂时，P_Kj＝P_o；当j≠j₂时，P_Kj＝2P_o。

故障分析：由故障情景可知L＝j₂，即连接充电终端i₂与功率模块j₂的开关发生了粘连故障。结合步骤(2)可知故障情景4中故障开关位置为：连接充电终端i₁与功率模块j₁的开关及连接充电终端i₂与功率模块j₂的开关发生了粘连故障。

附图说明

图1为柔性充电堆矩阵开关故障定位方法流程示意图。

图2为柔性充电堆开关矩阵示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面结合实例对本发明做进一步详细描述。

利用本发明所提方法对一连接6功率模块和4充电终端的开关矩阵进行故障定位，该柔性充电堆开关矩阵如图2所示。

假设连接第1个充电终端与第3个功率模块的开关、连接第4个充电终端与第2个功率模块的开关发生粘连故障，即I＝1，J＝5，K＝4，L＝2。

一种柔性充电堆矩阵开关粘连故障定位方法具体实施步骤如下：

第一步)控制S^*＝0，即控制6×4的开关矩阵全部断开，监测此时各充电终端输出功率P_i，i＝1，2，3，4.

对实际故障情景进行理论分析，此时应监测到充电终端输出功率为P₁＝P_o,P₂＝0,P₃＝0,P₄＝P_o。Po为单个功率模块的额定输出功率。

根据充电终端输出功率的异常情况可以判定，故障情景为故障情景四，且连接第1个充电终端的开关组与连接第4个充电终端的开关组中存在粘连故障。即判定I＝1，K＝4。

第二步)轮流控制S_1j ^*＝1,j＝1,2,3,4,5,6，即依次控制与第1个充电终端连接的开关闭合，监测此时各充电终端输出功率P_1j。

对实际故障情景进行理论分析，此时应监测到充电终端输出功率为P₁₅＝P_o,P_1j＝2P_o,j＝1,2,3,4,6。

根据充电终端输出功率的异常情况可以判定，第一个故障位置为连接第1个充电终端与第5个功率模块的开关，即判定即I＝1，J＝5。

第三步)轮流控制S_4j ^*＝1,j＝1,2,3,4,5,6，即依次控制与第4个充电终端连接的开关闭合，监测此时各充电终端输出功率P_4j。

对实际故障情景进行理论分析，此时应监测到充电终端输出功率为P₄₂＝P_o,P_4j＝2P_o,j＝1,3,4,5,6。

根据充电终端输出功率的异常情况可以判定，第一个故障位置为连接第4个充电终端与第2个功率模块的开关，即判定即K＝4，L＝3。

经判定，所述开关矩阵实例存在两处粘连故障，为连接第1个充电终端与第3个功率模块的开关、连接第4个充电终端与第2个功率模块的开关发生粘连故障。

以上所述仅为本发明的优选实施方案，本发明不限于以上实施案例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种柔性充电堆矩阵开关发生粘连时的故障定位方法，其特征在于：所述方法由以下三步组成：

第一步)控制S^*＝0，监测此时各充电终端输出功率P_i，i＝1，2，……，M。其中S^*为矩阵开关控制指令矩阵，S^*＝0表示所有矩阵开关皆断开，M为充电终端总个数。

第二步)轮流控制S_Ij ^*＝1,j＝1，2，……，N，监测此时充电终端I每一次的输出功率P_Ij。其中N为功率模块总个数，I为第一个故障开关所对应的充电终端编号，J为第一个故障开关所对应的功率模块编号。

第三步)轮流控制S_Kj ^*＝1,j＝1，2，……，N，监测此时充电终端K每一次的输出功率P_Kj。其中K为第一个故障开关所对应的充电终端编号，L为第一个故障开关所对应的功率模块编号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：本发明所提方法可用于四种矩阵开关粘连故障情景，单开关故障、同一功率模块所连两开关故障、同一充电终端所连两开关故障、不同功率模块及充电终端所连两开关故障。

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