热均衡管理方法、健康管理方法及电加热装置与流程

1.本技术涉及电加热领域，更具体地说，涉及一种用于热均衡管理方法、健康管理方法及电加热装置。


背景技术：

2.在电动车辆中(如混合动力车辆或纯电动车辆)，通常设置有电加热设备来实现对车内环境的温度控制。该电加热设备与电动车辆的动力电池组电连接，由电加热设备中的发热元件将电能转换为热能，再经由导热介质通过车内散热系统将热量传递给车内环境，以实现对车内环境的温度控制。
3.在电加热设备的制造、使用过程中，经常会出现以下问题：
4.电加热设备的水道设计、布局一般是对称的，但是由于公差、粗糙度等因素微小的差异，造成不同位置对应的加热元件的温度不一致，较高的那一边可能会影响到加热器的整体寿命。
5.电加热设备加热元件加工差异及随时间推移可能存在不同程度的老化，如果此时仍然以相同的电力驱动加热，那么可能存在不同电回路对应的加热元件的温度不一致，较高的那一边可能会影响到加热器的整体寿命。
6.电加热设备的加热回路诊断，一般都是依据功率开关两端的电压、负载两端的电压诊断断路和短路，不能诊断出加热元件老化的问题。
7.电加热设备的进出水口位置差异导致进水口侧温度相对出水口侧温度较低，影响不同侧的加热电阻温度。
8.电加热设备的流道分布不均匀，多个电阻电发热量不一样，造成电阻变化，影响加热效果。
9.对于以上问题，现有技术为了控制简单，赋予各加热元件的驱动行为都是一致的，未考虑以上情况带来的负面影响。
10.因此，如何应对电加热设备的制造、使用过程中出现的加热元件不确定变化成为本领域需要解决的技术问题。


技术实现要素：

11.有鉴于此，本技术提出了一种用于热均衡管理方法及电加热装置，以克服加热元件在制造、使用中产生的不确定变化对电加热设备的影响，在总功率不变的情况下实现了温场均衡。
12.根据本技术，提出了一种热均衡管理方法，用于对电加热设备进行热均衡管理，所述电加热设备包括若干加热元件；
13.所述方法包括：
14.步骤1：读取加热元件的状态参数；
15.步骤2：计算加热元件状态参数的比较基准；
16.步骤3：判断加热元件状态参数与比较基准的差异是否超过设定阈值，若超过设定阈值则对加热元件工作功率进行调整，直至达到加热元件正常工作标准。
17.作为上述方法的一种改进，所述加热元件的状态参数为加热元件的加热层温度。
18.作为上述方法的一种改进，所述加热元件的加热层温度t
实际
的计算公式为：
[0019][0020]
其中，t
常
表示常温且非加热状态下加热层温度；r
实际
表示加热时的加热元件阻值；r
常
表示常温下加热元件的阻值；k表示加热元件阻值随温度线性变化系数；
[0021]r实际
通过测得的加热元件上电压和电流之比计算得到。
[0022]
作为上述方法的一种改进，所述加热元件状态参数为加热元件在加热时的等效电阻与常温下的电阻值之比。
[0023]
作为上述方法的一种改进，所述加热元件状态参数的比较基准的计算方法为：取各加热元件的状态参数之和的平均值。
[0024]
作为上述方法的一种改进，所述对加热元件工作功率进行调整的方式为：当加热元件状态参数与比较基准之差大于设定阈值时，在基础pwm占空比之上降低一定的占空比；当比较基准与加热元件状态参数之差大于设定阈值时，在基础pwm占空比之上增加一定的占空比。
[0025]
作为上述方法的一种改进，所述加热元件正常工作标准为任意加热元件的状态参数与比较基准的差异小于设定阈值。
[0026]
本技术还提供了一种健康管理方法，用于对电加热设备进行健康管理，所述电加热设备包括若干加热元件；所述方法为：电加热设备启动时，依次调整每一个加热元件的pwm占空比，同时调整其他加热元件的pwm占空比，保持电加热设备总pwm占空比不变；根据调整后电加热设备的功率变化情况判断加热元件的健康状态。
[0027]
作为上述方法的一种改进，所述调整加热元件的pwm占空比的方式为：将一个加热元件的pwm占空比增加x％，将剩余加热元件的pwm占空比减小x/(n-1)％，测得电加热设备功率为p1；其中，n为加热元件个数。
[0028]
作为上述方法的一种改进，所述根据调整后电加热设备的功率变化情况判断加热元件的健康状态具体为：
[0029]
若|p
1-p|《c1，则加热元件状态正常；
[0030]
若c2》|p
1-p|》c1，则加热元件存在热点或阻值偏大或偏小，即加热元件健康状态轻微异常，对该加热元件降额工作；
[0031]
若|p
1-p|》c2，则加热元件存在严重热点或阻值严重偏大或严重偏小，即加热元件健康状态严重异常，停止电加热设备工作；
[0032]
其中，p为电加热设备稳定工作时的功率；c1和c2为根据加热元件类型设定的阈值。
[0033]
本技术还提供了一种电加热设备，该设备采用上述方法进行热均衡管理和/或健康管理。
[0034]
根据本技术的技术方案，本技术通过调节施加在不同加热元件上的高压pwm占空比的方式，克服了加热元件在制造、使用中产生的不确定变化对电加热设备的影响，在总功率不变的情况下实现了温场均衡。
[0035]
本技术通过启动时对电加热设备进行健康管理，根据加热元件的实际状况调节每个加热元件的pwm占空比，同时避免加热元件损坏对电加热设备造成整体的损伤。
[0036]
本技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0037]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施方式及其说明用于解释本技术。在附图中：
[0038]
图1为电加热设备多加热电阻控制方式示意图；
[0039]
图2为热均衡管理方法流程图；
[0040]
图3为健康管理方法示意图。
具体实施方式
[0041]
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本技术的技术方案。
[0042]
本技术的目的是提供一种热均衡管理方法及电加热设备。
[0043]
电加热设备一般存在多个加热元件(加热电阻)，每个加热元件通过pwm来控制工作时的加热功率。如图1所示，pwm通过多个类似q12的开关分别独立控制每一个加热电阻回路。
[0044]
通过将多个加热元件单元彼此独立地并联电连接，并利用多个开关q12,q13,
…
,q1n对各个加热元件独立地进行控制，从而使电加热设备的工作电阻值根据不同加热元件的工作状态而具有可调节性，能实现多种工作方式，进而使电加热设备保持稳定可靠的工作状态，以适用于电动车辆的各种工况。
[0045]
电加热设备里加热元件的驱动电流(及其对应的工作功率)与pwm控制信号的占空比有必然关系，占空比越大，在pwm控制信号的工作输出时间越长，则相应开关如q12、q13导通时间也越长，因此电加热设备的驱动电流也就越大，工作功率也越大。反之，如果pwm控制信号的占空比越小，则电加热设备里加热元件的驱动电流(及其对应的工作功率)会越小。因此，通过对pwm控制信号占空比的调节，能够对所控制的加热元件的工作功率进行调节，进而对电加热设备的整体工作功率进行调节，重要的是，还可以对加热元件的功率误差进行补偿。例如，可以在0-100％的范围内对pwm控制信号的占空比进行0％-5％(含)为调节单位的调节控制。
[0046]
根据加热电阻材料的不同性质，随着温度变化，加热电阻的阻值可能会成正温度系数或负温度系数的特性。该特性分辨率不高，但能反应加热层温度变化的趋势和幅度，根据加热电阻的此项特征可以对加热层平均温度进行计算。
[0047]
以两个加热元件为例，通过测量和报告的高压电压u和pwm导通电流i
on
，计算当前加热元件等效电阻r
等效
＝高压电压u/pwm导通电流i
on
，假定加热设备使用两个加热元件，这里对计算方法做如下说明：
[0048]
常温下加热元件的阻值表示为r
1常
和r
2常
；在两个加热元件上设置电流采集点，加热时测得i1为加热元件1的电流，i2为加热元件2的电流，根据电压比电流可计算出加热元件1的等效阻抗r1和加热元件2的等效阻抗r2。
[0049]
以上加热时计算得到的加热元件阻值均可记为r
实际
。根据加热元件的ptc特性，即
加热元件阻值随温度升高而增大的特性，设定温度增高的线性变化系数为k，则实际加热层温度t
实际
下的电阻r
实际
可以表示为：
[0050]r实际
＝r
常
+(t
实际-t
常
)*k (1)
[0051]
其中，r
常
表示常温且非加热状态下加热层温度t
常
下电阻。
[0052]
由式(1)可以计算出加热层温度：
[0053][0054]
本技术提供一种电加热设备热均衡管理方法，通过调节施加在不同加热元件上的高压pwm占空比的方式，在总功率不变的情况下实现温场均衡。
[0055]
如图2所示，热均衡管理方法包括：
[0056]
步骤1：读取加热元件的状态参数；
[0057]
步骤2：计算加热元件状态参数的比较基准；
[0058]
步骤3：判断加热元件状态参数与比较基准的差异是否超过设定阈值，若超过设定阈值则对加热元件工作功率进行调整，直至达到加热元件正常工作标准。
[0059]
当温度较低时，为简化控制，可以不考虑不平衡问题；当温度较高时，需要按电阻温度的不同施加不同的占空比。
[0060]
电加热设备出厂时，将常温下测定的各加热元件的电阻值写入电加热设备控制器中，根据电阻的差异，设定不同出水口温度、不同功率下电加热设备pwm驱动的偏移值d
pow_t_offsetn
，制作一张对照表，作为运行时的温场均衡固定的基础调节量。
[0061]
本技术的实施例1：
[0062]
根据加热元件加热层温度计算公式(2)，计算出各加热元件的加热层平均温度tn(n＝1,2
……
n，n为加热元件的个数)，则各加热元件的平均温度的平均值t
avg
＝(t1+t2+
……
+tn)/n。
[0063]
设定阈值t
limit
，若某个加热元件的加热层温度t
n-t
avg
》t
limit
时，则需要在基础pwm占空比之上降低一定的占空比；若某个加热元件的加热层温度t
avg-tn》t
limit
时，则需要在基础pwm占空比之上增加一定的占空比。调节的目标是任意|t
n-t
avg
|＜t
limit
。
[0064]
本技术的实施例2：
[0065]
常温下各加热元件阻值表示为rn(n＝1,2
……
n，n为加热元件的个数)。常温下各加热元件的阻值其初值为出厂标定值，在加热器的使用过程中，其值可以通过自学习更新。
[0066]
根据加热时采集的加热元件电流，计算出各加热元件在加热时的等效电阻rtn(n＝1,2
……
n，n为加热元件的个数)，其各元件加热前后阻值比例为ktn(n＝1,2
……
n，n为加热元件的个数)，其中ktn＝rtn/rn。
[0067]
各元件加热前后阻值比例关系平均值为k
tavg
＝(kt1+kt2+
……
+ktn)/n。
[0068]
设定阈值k
limt
，若某个加热元件的加热前后阻值比例关系kt
n-kt
avg
＞k
limit
时，则需要在基础pwm占空比之上降低一定的占空比；若某个加热元件加热前后阻值比例关系kt
avg-ktn》k
limit
时，则需要在基础pwm占空比之上增加一定的占空比。调节的目标是任意|kt
n-kt
avg
|＜k
limit
。
[0069]
电加热设备在使用一段时间后，各加热元件的状况会发生一定的变化，电加热设备在启动时如果不考虑加热元件的实际状况，则有可能会对电加热设备造成损伤。因此，电
加热设备在启动时需要对各加热元件进行检测，根据加热元件的实际状况调节每个加热元件的pwm占空比，同时避免加热元件损坏对电加热设备造成整体的损伤。
[0070]
本技术的实施例3：
[0071]
电加热设备所有加热元件阻值具有一致性，差值在一定范围内，加热功率与pwm占空比存在一致的线性关系，依据此特性，在电加热设备启动时进行健康管理，如图3所示，具体流程为：
[0072]
1)控制器将第1个加热元件的pwm占空比增加x％，将剩余加热元件的pwm占空比减小x/(n-1)％，此时，控制器测得的功率为p1；
[0073]
其中，n为加热元件个数；
[0074]
2)若|p
1-p|《c1，那么加热元件一致性良好，加热元件状态正常；
[0075]
若c2》|p
1-p|》c1，那么加热元件存在轻微的一致性异常，加热元件存在热点或阻值偏大或偏小，加热元件健康状态轻微异常，可降额工作，增加产品可靠性；
[0076]
若|p
1-p|》c2，那么加热元件存在严重的一致性异常，加热元件存在严重热点或阻值严重偏大或严重偏小，此时应上报故障，停止加热；
[0077]
其中，p为电加热设备稳定工作时功率；c1和c2为根据加热元件类型设定的阈值；
[0078]
3)对第2～n个加热元件执行步骤1、2，记录加热元件健康状态。
[0079]
本技术通过调节施加在不同加热元件上的高压pwm占空比的方式，克服了加热元件在制造、使用中产生的不确定变化对电加热设备的影响，在总功率不变的情况下实现了温场均衡。
[0080]
本技术通过启动时对电加热设备进行健康管理，根据加热元件的实际状况调节每个加热元件的pwm占空比，同时避免加热元件损坏对电加热设备造成整体的损伤。
[0081]
以上详细描述了本技术的优选实施方式，但是，本技术并不限于上述实施方式中的具体细节，在本技术的技术构思范围内，可以对本技术的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本技术的保护范围。
[0082]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本技术对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0083]
此外，本技术的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本技术的思想，其同样应当视为本技术所公开的内容。

技术特征：
1.热均衡管理方法，用于对电加热设备进行热均衡管理，所述电加热设备包括若干加热元件；所述方法包括：步骤1：读取加热元件的状态参数；步骤2：计算加热元件状态参数的比较基准；步骤3：判断加热元件状态参数与比较基准的差异是否超过设定阈值，若超过设定阈值则对加热元件工作功率进行调整，直至达到加热元件正常工作标准。2.根据权利要求1所述的热均衡管理方法，其特征在于，所述加热元件的状态参数为加热元件的加热层温度。3.根据权利要求2所述的热均衡管理方法，其特征在于，所述加热元件的加热层温度t
实际
的计算公式为：其中，t
常
表示常温且非加热状态下加热层温度；r
实际
表示加热时的加热元件阻值；r
常
表示常温下加热元件的阻值；k表示加热元件阻值随温度线性变化系数；r
实际
通过测得的加热元件上电压和电流之比计算得到。4.根据权利要求1所述的热均衡管理方法，其特征在于，所述加热元件状态参数为加热元件在加热时的等效电阻与常温下的电阻值之比。5.根据权利要求1所述的热均衡管理方法，其特征在于，所述加热元件状态参数的比较基准的计算方法为：取各加热元件的状态参数之和的平均值。6.根据权利要求1所述的热均衡管理方法，其特征在于，所述对加热元件工作功率进行调整的方式为：当加热元件状态参数与比较基准之差大于设定阈值时，在基础pwm占空比之上降低一定的占空比；当比较基准与加热元件状态参数之差大于设定阈值时，在基础pwm占空比之上增加一定的占空比。7.根据权利要求1所述的热均衡管理方法，其特征在于，所述加热元件正常工作标准为任意加热元件的状态参数与比较基准的差异小于设定阈值。8.健康管理方法，用于对电加热设备进行健康管理，所述电加热设备包括若干加热元件；所述方法为：电加热设备启动时，依次调整每一个加热元件的pwm占空比，同时调整其他加热元件的pwm占空比，保持电加热设备总pwm占空比不变；根据调整后电加热设备的功率变化情况判断加热元件的健康状态。9.根据权利要求8所述的健康管理方法，其特征在于，所述调整加热元件的pwm占空比的方式为：将一个加热元件的pwm占空比增加x％，将剩余加热元件的pwm占空比减小x/(n-1)％，测得电加热设备功率为p1；其中，n为加热元件个数。10.根据权利要求9所述的健康管理方法，其特征在于，所述根据调整后电加热设备的功率变化情况判断加热元件的健康状态具体为：若|p
1-p|<c1，则加热元件状态正常；若c2>|p
1-p|>c1，则加热元件存在热点或阻值偏大或偏小，即加热元件健康状态轻微异常，对该加热元件降额工作；若|p
1-p|>c2，则加热元件存在严重热点或阻值严重偏大或严重偏小，即加热元件健康
状态严重异常，停止电加热设备工作；其中，p为电加热设备稳定工作时的功率；c1和c2为根据加热元件类型设定的阈值。11.电加热设备，其特征在于，该设备采用权利要求1至10任一方法进行热均衡管理和/或健康管理。

技术总结
本申请公开了一种热均衡管理方法、健康管理方法及电加热设备；热均衡管理方法，用于对电加热设备进行热均衡管理，所述电加热设备包括若干加热元件；所述热均衡管理方法包括：读取加热元件的状态参数；计算加热元件状态参数比较基准；设置加热元件状态参数允许波动阈值；判断加热元件状态参数与比较基准的差异是否超过阈值，若超过阈值则对加热元件工作功率进行调整，直至达到加热元件正常工作标准。本申请通过调节施加在不同加热元件上的高压PWM占空比的方式，克服了加热元件在制造、使用中产生的不确定变化对电加热设备的影响，在总功率不变的情况下实现了温场均衡。率不变的情况下实现了温场均衡。率不变的情况下实现了温场均衡。


技术研发人员：沈剑 沈志文 孟宪军 孙逊 张绍林 戚文傲 常涛 蒋奕
受保护的技术使用者：镇江海姆霍兹传热传动系统有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/6