一种基于散热需求的分布式散热管理系统及其控制方式的制作方法

1.本发明涉及散热管理系统技术领域，特别涉及一种基于散热需求的分布式散热管理系统及其控制方式。


背景技术：

2.散热管理系统是通过控制单元控制散热器，为热源提供散热功能，使热源维持在某一特定温度区间的管理系统。可用于包括但不限于燃料电池发动机、动力电池、化学反应堆等需要维持某一特定温度区间但无法直观测量内部温度的热源的散热管理。散热需求来源于热源产生的热量及散热器在受环境温度影响下的散热效率。分布式散热管理是指对多组散热器采用不同的控制量进行控制的管理形式。
3.现有技术的散热管理系统，包含散热器、控制单元、冷却温度采集等部分，其中，冷却温度采集获取进入或流出热源的冷却液温度，从而间接的反馈热源温度；控制单元通过冷却目标温度与冷却采集温度的对比，输出散热器控制量，控制一组或多组散热器的运行，使散热量发生变化，令热源温度维持在某一特定温度区间。然而，在一般的散热管理系统中，会遇到下列问题：
4.1、控制单元控制散热器的运行，使散热量发生变化，该变化反馈至冷却温度采集具有滞后性，该情形下，实际冷却温度会出现大幅波动；
5.2、环境温度影响散热器的散热效率。不同环境温度下，若散热器采取同样的运行档位，散热量会有大幅变化，在该情形下，环境温度高时冷却温度会过高，环境温度低时冷却温度会过低；
6.3、散热器从停止状态转变为运行状态具有延迟，而散热器运行状态升档反应快，且最低档位具有一定的散热量。当所有散热器保持同一档位时，不能及时响应散热运行的档位需求，在该情形下，在热源功率较低时，容易出现散热器运行时温度过低，散热器关闭时温度过高的现象。在散热器需求陡增时，容易出现散热器开启响应延迟导致的温度过高现象；
7.4、若具备多组散热器，通常情况下，散热器依据散热量的增大依次开启，低散热档位时每次均会持续运行同一组散热器，在该情形下，长时间运行同一组散热器会导致其寿命下降。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于散热需求的分布式散热管理系统及其控制方式，将通过基于热源功率的控制手段解决温度采集滞后所造成的实际冷却温度大幅波动问题；将通过基于环境温度的控制手段解决环境温度造成实际冷却温度较设定值偏高或偏低的问题；将通过分布式散热的控制手段解决多组散热器自停止至启动存在的运行延迟所造成的实际冷却温度波动的问题；将通过分布式散热的控制手段解决多组散热器运行时长不同造成的某组散热器寿命下降的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.本技术公开了一种基于散热需求的分布式散热管理系统，包括散热管理系统，冷却管路、冷却液泵和热源，所述散热管理系统包括散热器组、控制单元、环境温度采集装置、冷却温度采集装置，所述散热器组内通过冷却管路串联有若干个散热器，所述散热器组、冷却液泵和热源之间通过冷却管路相互连接，所述热源的冷却液入口处设有冷却温度采集装置，所述散热器、热源、冷却温度采集装置均与控制单元相连接，所述控制单元上还设有用于采集散热器所接触的环境温度的环境温度采集装置。
11.作为优选，所述热源的冷却液出口处设有第二冷却温度采集装置，所述第二冷却温度采集装置与控制单元相连接。
12.本技术公开了还一种基于散热需求的分布式散热管理系统的控制方法，包括如下步骤：
13.s1、控制单元获取设定温度t，冷却液温度t1和环境温度t0；
14.s2、通过设定温度为t与冷却液温度t1，计算出散热期望e0；
15.s3、通过设定温度t与环境温度t0，计算出环境影响因子kt；
16.s4、修正散热期望e＝e0/kt；
17.s5、根据修正散热期望e对散热器组中的散热器的工作档位进行分配。
18.作为优选，所述步骤s2中计算出散热期望e0采用pid运算式，具体包括如下子步骤：
19.s21、将t和t1代入pid运算式中，所述pid运算式为
20.其中，k为运算次数，u(k)为第k次运算输出值；e(k)为第k次运算误差值，为当前的设定温度t与冷却液温度t1之差；kp为积分系数；ki为比例系数；kd为微分系数；
21.s22、控制单元获取热源功率p，计算当前最大散热期望e
max
(p)与当前最小散热期望e
min
(p)，所述最大散热期望
emax
(p)与最小散热期望e
min
(p)均为p的经验函数，判断u(k)与最大散热期望e
max
(p)、最小散热期望e
min
(p)之间的大小关系；
22.s23、若u(k)>e
max
(p)，则散热期望e0＝e
min
(p)；若u(k)<e
min
(p)，则e0＝e
min
(p)；若e
min
(p)<u(k)<e
max
(p)，则e0＝u(k)。
23.作为优选，所述步骤s3中，计算出环境影响因子kt的公式为
24.其中δt为当前的设定温度t与环境温度t0之差，δt
c
为基准温差，可以是自行设定的任意正值。
25.作为优选，当散热器组中的散热器数量n为1时，所述步骤s5的具体步骤为当e>0时，散热器运行；当e＝0，则散热器停止。
26.作为优选，当散热器组中的散热器数量n大于1时，所述步骤s5的具体步骤如下：
27.s51、获取单个散热器最低档位运行的散热量e
low
，计算n＝e/e
low
，n向下取整，判断n、e和n之间的关系；
28.s52、若n＝0且e>0，则开启1组散热器；若0<n<n，则开启n组散热器；若n>n，则所有
散热器均开启；
29.s53、判断已开启的散热器数量n0与需要开启的散热器个数为n1之间的关系；
30.s54、若n1>n0，则增加n1
‑
n0个散热器的运行；若n1<n0，则关闭n0
‑
n1个散热器的运行；
31.s55、调整所有已开启的散热器的运行档位为e/n1。
32.作为优选，所述步骤s54还包括如下步骤：对散热器组中的散热器进行依次编号，当有增加的散热器需要运行时，自最后一个开始运行的散热器的编号向后依次开启；当有减少的散热器需要关闭时，自最先一个开始运行的散热器的编号依次关闭。
33.本发明的有益效果：
34.1、基于热源功率p，可根据经验函数得到能够反映热源在功率p下稳定产热时，维持冷却温度在
±
2℃范围内，所需的最大散热期望e
max
(p)与最小散热期望e
min
(p)，散热期望e0将处于该范围中。以避免冷却液流动产生温度反馈滞后，使计算得出的e0过大或过小，进一步使散热器档位过高或过低，以至于冷却温度产生剧烈波动；
35.2、基于环境温度t，由气液温差散热公式可知q
∝
δt
1.2529
，气液之间散热，散热量与气液温差正相关，即冷却温度t0高于环境温度t越多，则散热效果越好，同散热器档位下，散热量越大，因此，引入由环境温度t得出的环境影响因子kt，使不同的环境温度下，最终散热量保持固定，其中环境温度t越大则散热档位越大，环境温度t越小则散热档位越小。
36.3、设计了散热器组，分布为n个散热器，通过控制手段，根据散热期望开启不同个数，以避免散热器全开全闭所造成的温度波动。进一步的，通过控制手段，打开尽量多的散热器，以避免散热期望陡增时散热器开启的延迟。
37.4、设计了散热器组，分布为n个散热器，通过控制手段，采用队列的方式依次开启停止时间久的散热器，关闭运行时间久的散热器。采用上述散热器开关方式，可以尽可能的平均每个散热器的运行时长，并延长整个分布式散热系统的寿命。
38.本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
39.图1是本发明的实施例一一种基于散热需求的分布式散热管理系统的结构示意图；
40.图2是本发明一种基于散热需求的分布式散热管理系统控制方法的操作流程图；
41.图3是本发明计算出散热期望e0的流程图；
42.图4是本发明根据修正散热期望e对散热器组中的散热器的工作档位进行分配的流程图；
43.图5是本发明的实施例二一种基于散热需求的分布式散热管理系统的结构示意图；
44.图中：1
‑
热源、2
‑
散热器组、21
‑
散热器、3
‑
冷却液泵、4
‑
控制单元、5
‑
冷却温度采集装置、6
‑
环境温度采集装置、7
‑
冷却管路、8
‑
第二冷却温度采集装置。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本
发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
46.实施例一：
47.参阅图1，本发明实施例提供一种基于散热需求的分布式散热管理系统，包括散热管理系统，冷却管路、冷却液泵和热源，所述散热管理系统包括散热器组、控制单元、环境温度采集装置、冷却温度采集装置，所述散热器组内通过冷却管路串联有若干个散热器，所述散热器组、冷却液泵和热源之间通过冷却管路相互连接，所述热源的冷却液入口处设有冷却温度采集装置，所述散热器、热源、冷却温度采集装置均与控制单元相连接，所述控制单元上还设有用于采集散热器所接触的环境温度的环境温度采集装置。
48.热源以一定的功率p运行并产生热量，冷却液泵驱动冷却液按：冷却液泵
→
冷却管路
→
散热器组
→
冷却管路
→
热源
→
冷却管路
→
冷却液泵的路径进行流动，在上述情形下，散热管理系统的冷却液温度采集采集冷却管路中进入热源的冷却液温度。
49.参阅图2
‑
4，一种基于散热需求的分布式散热管理系统的控制方法，包括如下步骤：
50.s1、控制单元获取设定温度t，冷却液温度t1和环境温度t0；
51.s2、通过设定温度为t与冷却液温度t1，计算出散热期望e0；
52.s21、将t和t1代入pid运算式中，所述pid运算式为
53.其中，k为运算次数，u(k)为第k次运算输出值；e(k)为第k次运算误差值，为当前的设定温度t与冷却液温度t1之差；kp为积分系数；ki为比例系数；kd为微分系数；
54.s22、控制单元获取热源功率p，计算当前最大散热期望e
max
(p)与当前最小散热期望e
min
(p)，所述最大散热期望
emax
(p)与最小散热期望e
min
(p)均为p的经验函数，判断u(k)与最大散热期望e
max
(p)、最小散热期望e
min
(p)之间的大小关系；
55.s23、若u(k)>e
max
(p)，则散热期望e0＝e
min
(p)；若u(k)<e
min
(p)，则e0＝e
min
(p)；若e
min
(p)<u(k)<e
max
(p)，则e0＝u(k)。
56.pid算式可以替换为其他具有设定温度为t与冷却液温度t1的输入或设定温度为t与冷却液温度t1之差δt的输入，及输出为散热量期望e0或散热器运行档位的函数。
57.s3、通过设定温度t与环境温度t0，计算出环境影响因子kt；
58.由于典型的气液温差散热公式如下：q
∝
δt
1.2529
，其中，q为散热量，δt为当前的设定温度t与环境温度t0之差，由上述公式可知，δt越大则相同散热期望下，实际散热量q越大；δt越小则相同散热期望下，实际散热量q越小。为保证q值不变，应使δt越大则散热期望越小，δt越小则散热期望越大。步骤s5中环境影响因子kt可由以下公式获得：
59.其中，δtc为基准温差，可以是自行设定的任意正值。
60.kt获取方式可以采用其他基于气液温差散热公式的简化方式进行获取，包括但不限于如下：1、采用数值表查询的方式获取kt，数值表中每个不同的δt存在有一一对应的
kt；2、采用插值函数的方式获取kt，存在有δt对应kt的数值表，若当前δt位于表中存在的两个δt之间，以插值函数方式计算对应的kt值；3、将kt的计算式简化为多项式函数或反比例函数等简单函数，再进行计算。
61.s4、修正散热期望e＝e0/kt；此外，若δt≤0，说明设定温度t小于环境温度t0，无法进行散热，e＝0，散热器停转。
62.s5、根据修正散热期望e对散热器组中的散热器的工作档位进行分配。
63.当散热器组中的散热器数量n为1时，所述步骤s5的具体步骤为当e>0时，散热器运行；当e＝0，则散热器停止。
64.当散热器组中的散热器数量n大于1时，所述步骤s5的具体步骤如下：
65.s51、获取单个散热器最低档位运行的散热量e
low
，计算n＝e/e
low
，n向下取整，判断n、e和n之间的关系；
66.s52、若n＝0且e>0，则开启1组散热器；若0<n<n，则开启n组散热器；若n>n，则所有散热器均开启；
67.s53、判断已开启的散热器数量n0与需要开启的散热器个数为n1之间的关系；
68.s54、若n1>n0，则增加n1
‑
n0个散热器的运行；若n1<n0，则关闭n0
‑
n1个散热器的运行；对散热器组中的散热器进行依次编号，当有增加的散热器需要运行时，自最后一个开始运行的散热器的编号向后依次开启；当有减少的散热器需要关闭时，自最先一个开始运行的散热器的编号依次关闭，举例如下：假设共有3个散热器，分别编号f1、f2和f3，当前运行的散热器为f2，需要增加至3组运行，则先开启f3，再开启f1；然后需要减少至1组运行，则先关闭f2，再关闭f3；之后又需要增加至2组运行，则开启f2
……
，采用上述散热器开关方式，可以尽可能的平均每组散热器的运行时长，并延长整个分布式散热系统的寿命。
69.s55、调整所有已开启的散热器的运行档位为e/n1。
70.步骤s5也可以依据单组散热器较低档位运行的散热量e
mid
，决定散热器的开启个数，e
mid
大于最低档位运行的散热量e
low
；对e/e
mid
向下取整，值为n，若n＝0且e>0，则开启1组散热器；若0<n<n，则开启n组散热器；若n>n，则所有散热器均开启。进一步的，有变体2，在步骤s7c中，当开启n1(n1<n)组散热器时，存在n1
‑
1组散热器的散热档位为e
mid
，存在1组散热器的散热档位为e
‑
e
mid
*(n1
‑
1)；当开启n组散热器时，所有散热器运行档位均为e/n。
71.实施例二：
72.参阅图5，本实施例与实施例一的区别在于：所述热源的冷却液出口处设有第二冷却温度采集装置，所述第二冷却温度采集装置与控制单元相连接。
73.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。