CN109827987A - 一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测方法，该方法包括：通过试验，得到散热器散热性能退化程度与散热器等效热阻的对应关系。首先对电力电子变流装置进行能效分析，获得电力电子变流装置的效率曲线以及功率器件功率损耗相对于变流装置总损耗的占比；在实际应用中通过上述功率器件功率损耗相对于变流装置总损耗所占百分比计算得到功率器件的功率损耗，而变流装置的总功率损耗可以通过电力电子变流装置的效率曲线得到；接着获取散热器扩散热量过程中的温升，然后通过温升与功率器件功率损耗的比值计算此时的散热器等效热阻，通过实验获得的散热器等效热阻大小与散热器散热性能退化度的对应关系，获得散热器散热性能退化度。

Description

一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测方法

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆领域，尤其涉及一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测方法。

背景技术

变流装置是轨道交通车辆的核心装置，是轨道交通车辆牵引供电***的重要组成部分，散热器作为变流装置散热的重要部件，对其散热性能退化程度进行预测是保证变流装置安全可靠运行的重要工作。

长期以来，对于散热器散热性能始终没有一种智能的监测方法，使得散热器清理维护存在欠维护、过维护的问题。目前为了确保变流装置正常可靠工作，一般采用定期清理维护的方式，但不同的工作环境、气候条件下，散热器散热性能退化速度不一样，定期监测显具有盲目性。为了解决这一问题，本专利提出了一种智能的散热器散热性能监测方法，仅利用列车现有的传感器，在不添加传感器、不改变变流装置结构的前提下，通过本专利提供的方法，可以实现散热器散热性能退化程度的智能监测。

发明内容

本发明提供一种基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法及***，首次实现了散热器散热性能的智能监测。

本发明提供一种基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，包括以下步骤：

步骤1、散热器上设置有温度传感器，用于获取所述散热器的温度、环境温度；散热器的温度为第一温度、环境温度为第二温度；

通过电压、电流传感器获取变流装置直流侧、交流侧电压、电流测量值；

计算变流装置功率器件的功率损耗；

根据所述第一温度、第二温度和所述变流装置功率器件的功率损耗，确定第一热阻；

步骤2、将第一热阻值与散热器未退化前的预设热阻值的比值作为与散热器散热性能退化度所对应的参量，计算第一热阻与预设热阻的热阻比值，在数据库查找热阻比值与散热器散热性能退化度之间的对应关系；

步骤3、根据散热器热阻比值的大小与散热器散热性能退化度的对应关系，获得散热器散热性能退化度。

在上述方案的基础上，在散热器的不同位置上设置多个温度传感器，通过多个温度传感器获取散热器不同位置的温度，将多个温度传感器获取的多个温度的平均值作为散热器的第一温度。

在上述方案的基础上，第一温度与第二温度的差值作为散热器的温升，即第三差值；将第三差值与计算所得功率器件的功率损耗的比值确定为第一热阻R，计算公式如下：

其中，A为第一温度，B为第二温度，C为第三差值，D为变流装置功率器件的功率损耗。

在上述方案的基础上，所述的功率器件的功率损耗，可以通过功率器件功率损耗相对于变流装置的总功率损耗的占比计算得到，功率器件功率损耗相对于变流装置的总功率损耗占比通过能效分析计算得到。

在上述方案的基础上，所述变流装置的总功率损耗，通过电压、电流传感器测量值计算得到。

在上述方案的基础上，所述变流装置的总功率损耗，还可以根据变流装置的效率曲线得到。

在上述方案的基础上，所述变流装置的总功率损耗包括，直流侧支撑电容、滤波电感的功率损耗，交流侧滤波电容、滤波电感的功率损耗，功率器件的功率损耗。

本发明提供一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测***，包括：获取模块、第一确定模块、第二确定模块和第三确定模块；

所述获取模块包括温度传感器、电流传感器和电压传感器，用于获取所述第一温度、第二温度，直流侧电压、直流侧电流，交流侧电压、交流侧电流；

所述第一确定模块与获取模块相连，根据所述的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流，计算变流装置的总功率损耗，从而根据功率器件相对于总功率损耗的占比，计算功率器件的功率损耗；

所述第二确定模块与获取模块、第一确定模块连接，根据所述第一温度、第二温度和所述的变流装置功率器件的功率损耗，确定第一热阻；

所述第三确定模块与第二确定模块连接，根据所述第一热阻、第一样本数据确定所述散热器散热性能退化程度，所述的第一样本数据是热阻比值与堵塞程度的对应数据样本。

在上述方案的基础上，所述第二确定模块具体用于：

获取所述第一温度和所述第二温度的第三差值；

将所述第三差值和所述变流装置的功率损耗的比值确定为所述第一热阻。

本发明提供一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测设备，包括：处理器、存储器，所述处理器与存储器耦合；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序，使得终端设备执行上述第一方面任一项所述的方法。

本发明提供一种可读存储介质，包括程序或指令，当所述程序或指令在计算机上运行时，基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法中任意一项所述的方法被执行。

本申请提供的基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测方法及***，当需要确定散热器的散热性能退化程度时，根据散热器的第一温度、第二温度和变流装置功率器件的功率损耗，确定第一热阻，确定第一热阻和预设热阻的比值，在样本数据库中根据第一热阻和预设热阻比值所对应的散热器散热性能退化程度百分比，确定散热器散热性能退化度。样本数据库中的样本数据可以真实的反映热阻比值与散热器散热性能退化度之间的对应关系。因此，可以通过第一热阻的计算和实验数据库的支撑，得到散热器散热性能退化度的准确预测。

附图说明

本发明有如下附图：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的散热器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的散热器散热性能退化程度确定方法示意图Ⅰ；

图3为本发明实施例提供的散热器散热性能退化程度与热阻比值之间对应关系示意图；

图4为本发明实施例提供的变流装置的效率曲线与功率器件功率损耗相对于变流装置总损耗占比曲线；

图5为本发明实施例提供的变流装置的散热器散热性能退化程度预测装置示意图；

图6为本发明实施例提供的散热器散热性能退化程度确定方法示意图Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1～6，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作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。

图1为本发明散热器的结构示意图，请参见图1，包括散热基板1、散热翅片2、风冷通道3和风机4。

变流装置产生的热量由散热基板1扩散到散热翅片2上，风机4产生强对流空气，使得散热翅片2上的热量通过风冷通道3扩散到空气中。

在实际中，变流装置中散热器的散热翅片2上容易黏附大量灰尘，导致散热器堵塞，影响变流装置进行热量扩散的效果，散热器散热性能退化的两种影响方式：一是大量灰尘粘附在散热器散热翅片上，灰尘的导热系数比散热翅片的导热系数低3个数量级，因此增加散热器的等效热阻，降低散热性能；二是入风口的局部堵塞会使得通风口有效通风面积变小，使得通过散热器风道的冷却剂的流量减小,降低散热性能。为了准确地确定散热器的散热性能退化程度，本申请提供了一种变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，具体见图2所示。

图2为本发明的散热器散热性能退化程度确定方法示意图，请参见图2，包括：

本发明实施例的执行主体可以为变流装置确定装置。可选的，该散热器堵塞程度确定装置可以通过软件实现，也可以通过软件和硬件的结合实现。

当需要确定散热器散热性能退化度时，可以执行图2所示的实施例所示的技术方案，或者，按照某预设的执行周期，周期性的执行图2所示的实施例所示的技术方案。

散热器上设置有温度传感器，可以通过温度传感器获取散热器的第一温度、第二温度。

可选的，可以在散热器的不同位置上设置多个温度传感器，通过该多个温度传感器获取散热器不同位置的温度。

可选的，当温度传感器的个数为多个时，可以将该多个温度传感器获取的多个温度的平均值作为散热器的第一温度。

根据第一温度、第二温度和变流装置的功率损耗，确定第一热阻。

将第一温度与第二温度的第三差值与计算所得功率器件的功率损耗比值确定为第一热阻。

例如：假设第一温度为A，预设温度为B，第三差值为C，变流装置的功率损耗为D，第一热阻为R。则A、B、C、D和R之间存在如下对应关系：

将第一热阻值与散热器未退化前的预设热阻值的比值作为与散热器散热性能退化度所对应的参量。

例如：假设第一热阻为R_fouling，未退化前的预设热阻为R_initial，热阻比值为k，则R_fouling、R_initial、k之间存在如下对应关系：

图3为本发明实施例提供的散热器散热性能退化程度与热阻比值之间对应关系示意图，请参见图3，热阻比值与散热器散热性能退化度之间的对应关系，通过试验获得。

本申请提供的电力电子变流装置的散热器散热性能退化程度预测方法，当需要确定散热器散热性能退化程度时，根据第一温度、第二温度和变流装置功率器件功率损耗，确定第一热阻，然后计算第一热阻与预设热阻的热阻比值，在数据库查找热阻比值与散热器散热性能退化度之间的对应关系，就可得到此时的散热器散热性能退化程度。

在上述确定散热器散热性能退化程度的过程中，无需依靠人工观察来确定散热器的散热性能退化度，仅利用列车现有的传感器，通过软硬件结合，程序编写，就可实现智能监测，这不仅节省了人工监测的成本，更提高了监测的效率与准确度。由于本申请中所示的散热器的散热性能退化度确定方法，不再依赖人工观察，因此，本申请所示的散热器的散热性能退化度确定方法可以适用于任何结构的散热器，使得本申请所示的散热器的散热性能退化度确定方法具有通用性。

在上述任一实施例的基础上，下面对变流装置功率器件的功率损耗计算过程作进一步的说明：

计算变流装置直流侧与交流侧的有功功率；

通过采集的电压电流量计算直流侧与交流侧的有功功率，二者差值作为变流装置总的功率损耗。

另一种可行的方法，可通过变流装置的效率曲线，得到变流装置的总功率损耗。即变流装置的总功率损耗＝输入功率*(1-效率)，效率曲线的获取见图4所述方法。输入功率计算与上式相同，整流时，输入功率为交流侧有功功率；逆变时，输入功率为直流侧有功功率。

功率器件的功率损耗，通过功率器件功率损耗相对于变流装置的总损耗的占比计算得到。

例如：功率器件的功率损耗为P_IGBT，变流装置功率损耗为P_tot，占比为K,则P_IGBT、P_tot、K的关系为：

P_IGBT＝P_tot×K

变流装置的效率曲线与功率器件功率损耗相对于变流装置的总损耗占比曲线，通过实验获得，如图4所示：

图4为本发明实施例提供变流装置的效率曲线与功率器件功率损耗相对于变流装置的总损耗占比曲线，参见图4，包括：

通过实验，计算变流装置的输入、输出有功功率，计算得到变流装置的效率曲线，然后通过函数拟合，得到变流装置效率与负载率大小的函数关系；通过功率器件功率损耗计算公式，计算得到功率器件功率损耗相对于变流装置的总功率损耗的占比曲线，然后通过函数拟合，得到功率器件功率损耗占比与负载率大小的函数关系。

在实际应用中，只要需知道变流装置的输入功率与效率曲线，就可以得到变流装置的总损耗，从而得到功率器件的功率损耗大小。

输入功率通过PQ算法计算得到，变流装置功率损耗＝输入功率*(1-效率)。功率器件功率损耗＝变流装置功率损耗*功率损耗占比。其中所述的效率和功率损耗占比通过图4的函数拟合结果计算得出。

图5为本发明实施例提供的变流装置的散热器散热性能退化程度预测确定装置示意图。请参见图5，该装置可以包括获取模块、第一确定模块、第二确定模块和第三确定模块，其中，

所述获取模块用于获取所述第一温度、第二温度、直流侧电压、直流侧电流，交流侧电压、交流侧电流；

所述第一确定模块与获取模块连接，根据所述的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流，计算变流装置的总功率损耗，从而根据功率器件相对于总损耗的占比，计算功率器件的功率损耗；

所述第二确定模块与获取模块、第一确定模块连接，根据所述第一温度、第二温度和所述的变流装置功率器件功率损耗，确定第一热阻；

所述第三确定模块与第二确定模块连接，根据所述第一热阻、所述第一组样本数据确定所述散热器散热性能退化程度。

本发明实施例提供的变流装置的散热器散热性能退化程度预测确定装置可以执行上述方法实施例所示的技术方案，其实现原理以及有益效果类似，此处不再进行赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、散热器上设置有温度传感器，用于获取所述散热器的温度、环境温度；散热器的温度为第一温度、环境温度为第二温度；

通过电压、电流传感器获取变流装置直流侧、交流侧电压、电流测量值；

计算变流装置功率器件的功率损耗；

根据所述第一温度、第二温度和所述变流装置功率器件的功率损耗，确定第一热阻；

步骤2、将第一热阻值与散热器未退化前的预设热阻值的比值作为与散热器散热性能退化度所对应的参量，计算第一热阻与预设热阻的热阻比值，在数据库查找热阻比值与散热器散热性能退化度之间的对应关系；

步骤3、根据散热器热阻比值的大小与散热器散热性能退化度的对应关系，获得散热器散热性能退化度。

2.如权利要求1所述的基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，其特征在于，在散热器的不同位置上设置多个温度传感器，通过多个温度传感器获取散热器不同位置的温度，将多个温度传感器获取的多个温度的平均值作为散热器的第一温度。

3.如权利要求1所述的基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，其特征在于，第一温度与第二温度的差值作为散热器的温升，即第三差值；将第三差值与计算所得功率器件的功率损耗的比值确定为第一热阻R，计算公式如下：

其中，A为第一温度，B为第二温度，C为第三差值，D为变流装置功率器件的功率损耗。

4.如权利要求1所述的基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，其特征在于，所述的功率器件的功率损耗，通过功率器件功率损耗相对于变流装置的总功率损耗的占比计算得到，功率器件功率损耗相对于变流装置的总功率损耗占比通过能效分析计算得到。

5.如权利要求4所述的基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，其特征在于，所述变流装置的总功率损耗，通过电压、电流传感器测量值计算得到；

所述变流装置的总功率损耗，还能根据变流装置的效率曲线得到。

6.如权利要求5所述的基于能效分析的变流装置散热器散热性能退化程度预测方法，其特征在于，所述变流装置的总功率损耗包括，直流侧支撑电容、滤波电感的功率损耗，交流侧滤波电容、滤波电感的功率损耗，功率器件的功率损耗。

7.一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测***，其特征在于，包括：获取模块、第一确定模块、第二确定模块和第三确定模块；

所述获取模块包括温度传感器、电流传感器和电压传感器，用于获取所述第一温度、第二温度，直流侧电压、直流侧电流，交流侧电压、交流侧电流；

所述第一确定模块与获取模块相连，根据所述的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流，计算变流装置的总功率损耗，从而根据功率器件相对于总功率损耗的占比，计算功率器件的功率损耗；

所述第二确定模块与获取模块、第一确定模块连接，根据所述第一温度、第二温度和所述的变流装置功率器件的功率损耗，确定第一热阻；

所述第三确定模块与第二确定模块连接，根据所述第一热阻、第一样本数据确定所述散热器散热性能退化程度，所述的第一样本数据是热阻比值与堵塞程度的对应数据样本；

所述第二确定模块具体用于：

获取所述第一温度和所述第二温度的第三差值；

将所述第三差值和所述变流装置的功率损耗的比值确定为所述第一热阻。

8.一种基于能效分析的散热器散热性能退化程度预测设备，其特征在于，包括：处理器、存储器，所述处理器与存储器耦合；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序，使得终端设备执行权利要求1-6任一权利要求所述的方法。

9.一种可读存储介质，其特征在于，包括程序或指令，当所述程序或指令在计算机上运行时，权利要求1-6任一权利要求所述的方法被执行。