CN100575137C - 包括用冷却液冷却的电子耗散元件的车辆的电传动系 - Google Patents

Abstract

用于车辆的电传动系，上述传动系包括电线(61)，产生电能的装置，该装置连接在电线(61)上，该装置具有使用冷却液的第一冷却回路(1)，电能管理部件(6)，至少一个电机(4)连接到至少一个驱动轮(40)上，其通过用于电机的电控模块连接到电线(61)上，电机(4)连接到独立于第一冷却回路(1)的第二冷却回路(2)上，冷却液在第二冷却回路(2)中循环，电子耗散元件(8)，其能电连接到上述电线上，电子耗散元件(8)浸入到第一冷却回路中(1)。

Description

包括用冷却液冷却的电子耗散元件的车辆的电传动系

技术领域

本发明涉及使用燃料电池的机动车。具体地说，本发明涉及在某些过渡阶段中对电能的管理。

背景技术

在车辆上产生电能而不仅满足于在车辆上储存电能的倾向性的原因无需进行重复，众所周知，产生这种电能的可行方法之一是使用燃料电池。另一种已知可行的方法是通过使用矿物燃料的发动机例如内燃机来驱动电机(electrical machine)。在后者的情况中，所谓的“串联式混合动力”结构和“并联式混合动力”结构都是公知的。从而，用来在车辆上产生电能的装置也是多样的。

在一些结构中，很难突然地消除这些装置所产生的电力。燃料电池尤其会出现这种情况，因为它们在工作的时候通常是通过实时地压缩周围空气来提供氧气，据推测，压缩机的惯性会使其产生一定的惯量。在一些结构中，可以观察到燃料电池对动力改变的反应并不是十分动态的，其动态性比内燃机小得多。

当电力需求增加和电力需求减少的时候，这种情况都会出现。在某些情况下，例如就在车辆驾驶员要求全力加速之前，当他需要突然减速的时候，一个串联式混合动力车辆或一个使用燃料电池车辆所吸收的电能会非常突然地下降，比装置所产生的电力要更快。但是，可能碰巧无法储存电能，例如因为没有蓄电池或者因为即使车辆带有蓄电池，蓄电池也已经充满了。结果就必须耗散掉装置所产生的多余的电能。

此外，众所周知，电机是可逆的。这样，在电力牵引车辆中，当将电能供给到电机时，机械地连接在驱动轮上的电机就可以作为用来提供车辆推动力的电动机。电机还可以在车辆刹车阶段用作发电机(electrical generator)，在该情况下它将可能被热耗散的机械制动能转变成车辆必须吸收的电能。这种操作模式通常可以称为“电制动”。

虽然通常的目标是尽可能多地回收在车辆制动过程中的能量，但是众所周知这种回收会与当前已知的电能储存装置的性能相违背。如果电机要在其能达到的最大扭矩的时候作为发电机，那么就会输送通过电线一个非常强的电流。但是，大多数电池都无法吸收大充电电流。只有电容可以吸收与放电电流一样大的充电电流，但是它们的存储能力仍然很小。超级电容技术的优势就使其可以用于车辆上，因为其每单位质量的存储能力(也就是能量密度)大于电容，而且其允许比电池更大的充电电流。无论如何，对于相同的技术来说，安装蓄电池总是随着储存能力的增加而成比例地增加重量，另外，对于任何用来储存电能的技术来说，都会遇到的问题是当装置处于最大充电状态的时候，都无法再继续储存电能。

但是无论如何，如果仅仅要减轻车辆机械制动器上的应力，优选继续用一个或多个电机作为发电机，以便能给车辆提供减速或制动。实际上，优选，只有在紧急操作或更急的制动的时候才采用这样的装置，以避免在日常应用中的显著过热。此外，电制动与在传统车辆中通过发动机制动提供的感觉相比，驾驶更容易，电制动会使得由于驾驶传统车辆而导致反射有错觉的司机很容易控制车辆。

因为上述全部原因，优选是能将在电子元件中的多余电能耗散掉。怎样使用电子耗散元件是公知的。通过将电能转化成热能，就可以在元件中发生耗散：这就是焦耳效应。问题就转到要有效地冷却这个或多个电子耗散元件。

在公知的布置中，一个或多个电子耗散元件的尺寸和安装位置形成为使得能通过空气循环来有效地冷却。为此，使一个或多个电子元件相对于车身突起，或者，如果电子元件是更为集成的，那么就需要提供获得一定气流的孔，以便将气流引导到元件，然后将其排放到外面，如同在任何液体冷却热机的车辆中用来冷却散热器的方法一样。遗憾的是，在所有的情况中，这必然会引起车辆空气动力性的退化。

在其它公知的布置中，例如，通过在DISS.ETH No.11672第21页和DISS ETH No.11784第30、60页所公开的“Hybrid III”的那样，混合动力传动系使用一个浸入热机冷却系统的液体中的电子元件，以便提高电热的耗散效率，并使热机即使在没有输送动力的时候也保持在一个理想的工作温度。

而且，一个或多个电机和连接在它们上面的一个或多个电控模块自身必须尽可能有效地被冷却，因为它们的效率不可能达到100％。当这些电机和/或电子模块的比功率升高的时候，这个问题就更为紧要。无论怎样选择电机或电子模块的材料和结构，但是众所周知无法避免的是，当使强电流通过这些机器的定子的时候，必须排出由于损耗(由于焦耳效应等)而产生的热量。

为了保证尽可能有效地排出这些热量，已知通过热传递液体的冷却要比用空气冷却有效。大多数时间，热传递液体所流通的冷却回路是一个闭合回路，与需要被冷却的部件接触，并依靠散热器来排放掉热量。这种方法效率很高，并且能很好地调节发电系统部件的工作温度。

驱动车辆的一个或多个驱动轮的一个或多个电机和这些电机的大部分电控模块通常也是通过冷却液来冷却的。这就保证了所有这些电子元件具有良好的可靠性和良好的紧凑性。

例如，专利申请US2003/0001440和专利US 6,087,744公开了一种电机，其包括一个用于冷却液循环的管子，管子位于电机的外壳上。专利申请US2002/0027027公开了一种冷却回路，其尤其为电力牵引机、燃料电池和用来控制电力牵引机的电子模块所共有。

专利申请WO96/41393公开了一种用于车辆的燃料电池，其中一个电子元件浸入到燃料电池冷却回路的液体中，以便能非常快地加热燃料电池。在必需的场合下可以向电子元件供给电流，同时在车辆制动过程中产生电能以便加速加热电池或保持其温度。专利US 6,448,535还公开了一种车用燃料电池，其中一个电子元件浸入到燃料电池初级冷却回路的液体中，以便能防止液体冻结，因为根据该专利，其必须是去离子水。该初级冷却回路是通过能交换热量的液体热连接到一个次级冷却回路上。次级冷却回路独自带有一个散热器来与大气进行交换，并也用来冷却电动机。

所述方案的多样性说明，要设计具有下述特点的用于车辆的能管理大电力的电传动系不是如此简单的：其不仅仅要使用相当紧凑的结构，同时提供对驾驶员的命令尽可能动态的反应，特别是对于快速制动和彻底安全方面，同时还能保持所有部件的工作温度，不会影响部件的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种非常适用于机动车的解决方案，在无法快速减少输送的电力的时候，和/或在车辆在进行电制动的过程中，可以耗散例如燃料电池等电能产生装置产生的多余电能。

本发明提出一种车辆的电传动系，上述传动系包括：

一根电线；

一个在车上产生电能的装置，该装置连接在电线上，该装置具有第一冷却回路，第一冷却回路用第一热传递液体来给装置提供冷却，该第一冷却回路包括用来向周围大气耗散热量的第一散热器；

一个电能管理部件；

至少一个电机，其连接到至少一个驱动轮上，该电机通过控制电机的电子模块连接到电线上，电机连接到一个第二冷却回路上，第二冷却回路包括用来向周围大气耗散热量的第二散热器，第二冷却回路使用与第一冷却回路中所使用的第一热传递液体无关的第二热传递液体，第二冷却回路还可以与第一冷却回路热分离；

一个电子耗散元件，其能电连接到上述电线上，电子耗散元件浸入到第一冷却回路中。

在本发明的一个特别有利的应用中，上述装置包括一个燃料电池。关于氧化剂，或者将压缩的大气提供给燃烧池并且将氧气比例已经减小的过剩气体排放到燃料电池下游，或者将纯氧提供给燃料电池。后者的方案具有很多优点，特别是电池能更加动态地响应当前命令，和固定应用不同，在已知运输机械会实行特别间歇的工作条件的场合，这一点是有利的，特别是在运输机械例如轿车上应用的时候。作为给燃料电池提供纯氧的优点能再次提及的是，效率和功率密度更好。

已经观察到，在电制动情况下，车载电能产生装置没有启动，或至少很小地启动，因为车辆所需的大部分电能都来自车辆的减速，本发明提供两个独立的冷却回路：一个带有冷却液的第一冷却回路冷却燃料电池，一个带有与第一冷却回路无关的冷却液的第二冷却回路冷却连接到驱动轮上的一个或多个电机和电控模块，特别是控制这些电机的电控模块，电子耗散元件浸入在第一冷却回路中。

因为电能产生系统在电制动阶段没有启动或低载荷启动，所以车辆这个部分的冷却回路的冷却能力也没有启动。因此，可以理解的是，用来耗散电制动能量的电子元件的优选位置是位于冷却电能产生系统的特定冷却回路中。这是因为考虑到连接在车辆驱动轮上的电机，不管是起到牵引作用还是在刹车的时候，该电机以及其全部控制装置都容易达到其最大能力。但是不管能量转换的方向如何(电能转化成动能或者反过来)，效率基本上都是一样的。因而由于释放热量而造成的损耗基本上总是一样的。

使用机械地连接在车轮上的一个或多个电机的冷却回路以便还可以冷却电子耗散元件等于使冷却回路的压力更大，和必须相应地设计尺寸。这个约束因为在燃料电池的冷却回路中安装了电子耗散元件就消除了，因为在电制动阶段的过程中，其不会启动来传递大量的电力。因此该冷却回路的冷却能力就可以排放由电子耗散元件所产生的热量。

优选提供两个独立的冷却回路还有另外一个原因：回路的温度水平可能不同。有利的是，热机的冷却回路工作在大约为90℃，或燃料电池的冷却回路工作在70℃到80℃，且电机及其相连的控制装置的冷却回路上的温度为50℃或如果可能的话更少。

下面通过一个非限定性的特殊实施例来说明本发明，其中装置包括一个燃料电池。可以是从一个容纳着压缩氧气的容器给燃料电池提供氧气的情况，还可以是通过压缩周围空气给燃料电池提供氧气的情况。

附图说明

说明书的剩余部分将结合唯一的附图来更清楚地描述本发明的所有方面，唯一的附图非限定性地示出安装在电力牵引车辆上的冷却回路。

本发明的最佳实施方案

在图1中，能看到燃料电池3是通过电线60连接到电能管理部件6上。燃料电池优选是聚合膜电池(PEFC)或碱电池(AFC)。还可以看到一个电机4，其可以作为牵引电机或在电制动阶段作为发电机。电机4连接到至少一个驱动轮40上。电机的电控模块是反相器5。电线61将电能管理部件6连接到反相器5上，电线62将反相器5连接到电机4上。当然，其它的电力负荷(在图中未示出)也可以连接到电线61上，比如车辆的空调，很多外围设备例如车灯，或其它起到控制作用的主要设备例如转向、刹车甚至车辆的悬挂，这些设备以前必须用机械方法控制，现在转为电子控制。

根据本发明的传动系优选包括电能存储设备，其通过电能管理部件6连接到电线61上，并通过电线63连接到电能管理部件6上。该电能存储设备优选是一组超级电容7。

一个第一冷却回路1用来冷却燃料电池3，第一冷却液在第一冷却回路中循环。第一冷却回路1包括用来向周围大气散热的第一散热器10、一个液压泵13和一个管子12，管子12用来将冷却液从第一散热器10分配到燃料电池3中。冷却液可以是去离子液体，以防止导电，例如可以是水或去离子水与去离子乙二醇的混合物，因为它可以在燃料电池本身内循环(根据该电子部件的重要性，也就是说，增加构成该冷却回路的支路的电阻抗是否重要)。热传递液体循环的方向在图中示出。还可以看到一个管子14将加热后的冷却液从燃料电池3返回第一散热器10，以便与周围空气进行热交换。众所周知，散热器10的冷却由于有风扇11而更有效，风扇强制周围空气循环通过散热器10。

还能看到一个第二冷却回路2，其独立于第一冷却回路1，并且有冷却液在其中循环。第二冷却回路2使用独立于第一冷却回路中的冷却液的另一个热传递液体。如果需要的话，两个回路可以采用一种具有相同性状的热传递液体，但是在任何情况下热传递液体都是分离的，因而液体不会混合。第二冷却回路与第一冷却回路1也是热无关的：其包括一个用来向周围空气散热的第二散热器20，第二散热器与第一散热器10不同，还包括一个液压泵23和管道系统，管道系统将冷却液分配到必须冷却的不同部件。热传递液体循环的方向在图中示出。第二冷却回路2建立了一个在多个电子部件之间的冷却液循环。冷却液可以是普通的水，或者是水和乙二醇的混合物。

传动系，或者一般来说，被本发明所述的传动系推进的车辆，可以包括除了已经提及的反相器5之外的各种电子管理模块，第二冷却回路2建立了一个在数个电子管理模块之间的冷却液循环。优选所有被冷却液冷却的电子管理模块都连到第二冷却回路2上。

优选，所有被冷却液冷却的电子管理模块都连到第二冷却回路2上。优选，机械地连接到车辆的一个或多个驱动轮40的电机4连接到该第二冷却回路2上。

这样，能看到管网22可以用来将低温的冷却液分配到电机4、反相器5和电能管理部件6中。还能看到管网24将被加热后的冷却液从电能管理部件6、反相器5和电机4输送回第二散热器20。众所周知，第二散热器20的热交换效率可以被风扇21的作用来加强，风扇强制周围空气循环通过第二散热器20。

优选，所有被冷却液冷却的电子部件都连在第二冷却回路2上。

电子耗散元件8安装在第一冷却回路1中，该耗散元件8通过电子开关81连接到电线61，电子开关81本身受电能管理部件6的控制。

电能管理部件6接收车辆驾驶员发出的信息以及表示车辆机能状态的信息，例如移动速度。在电力牵引阶段，电能管理部件6直接将燃料电池3与反相器5连接起来，并且反相器5以适当的形式将电能传递给电机4，这样后者就可以作为一个电动机。根据周围的条件，电能管理部件6还可以在作为电动机工作期间将所述一组超级电容组7与电线61连接起来，以便吸收在超级电容组7中存储的电能，将其加入来自燃料电池3的电能中。

两个冷却回路中的每一个都优选可以调节温度，例如通过在附图中没有示出调温器。因为回路是独立的，所以每个回路的温度调节可以是不同的。例如，燃料电池的理想调节温度要稍微高于用来冷却电机4及其上连接的电子元件的回路的理想调节温度。例如，聚合膜电池(PEFC)的调节温度大约是60℃到90℃，用来冷却电机4及其上连接的电子元件的回路的调节温度大约是45℃到65℃。

当由电能管理部件6控制的车辆的工作模式进入电制动模式的时候，反相器5控制电机4作为一个发电机，这样它就能通过电线61返回电能。如果这样通过电线61返回的电能大于车辆的需求，也就是说大于如上所述的那些连接在电线61上的其它电力负荷所吸收的能量，那么对燃料电池3的控制就停止后者的作用。由于燃料电池的惯性是非常低的，所以燃料电池3快速地停止与在第一冷却回路1中循环的冷却液的热传递。在发挥电制动作用的时候，所有连接在电线61上的电力负荷都会吸收一定的可用电能。同样，电能管理部件6优先将电能输送到所述一组超级电容组7中，只要这些电容没有达到它们最大的充电量。

然而，如果所有的这些负荷都无法吸收在电线中可用的电能，电能管理部件6可以通过例如电线61中电压的升高来检测到这种情况，那么电能管理部件6就闭合开关81，以便将耗散元件8增加为电力负荷。该元件可以吸收一个或多个电机4输入到电线61中的最大电流。电子耗散元件8变热，热量逐渐被冷却液排出，冷却液将热量带到第一散热器10中。当然，装置的尺寸要合适，这样，即使当电子耗散元件8中流过最大可能电流的时候，在冷却回路1中的冷却液的加热保持与燃料电池3的正确机能相匹配。

耗散元件8所产生的热量的排放效率，使得与被空气冷却的耗散元件相比，可以使用更紧凑的元件8。此外，车辆的空气中的渗透系数也不会减小。这是因为当由于燃料电池的功中断，使燃料电池停止工作，而使得没有使用散热器10的时候，散热器10的容量被用来排放热量。这样，就可以安排冷却回路，将其能力发挥到最大限度，并且得益于燃料电池在其最大充电量时的机能和耗散元件8在其最大负荷的使用的相互排斥特性。

虽然本发明是通过一种燃料电池介绍的，但是其也可以用于串联式混合动力车辆或并联式混合动力车辆上。

Claims (10)

1.一种用于车辆的电传动系，上述传动系包括：

电线(61)；

与电线(61)连接、为车辆产生电能的装置，

连接在电线上的电能管理部件(6)；

通过使用第一热传递液体来向装置施加冷却的第一冷却回路(1)，第一冷却回路(1)包括用来向周围大气耗散热量的第一散热器(10)；并且第一冷却回路通过电能管理部件(6)而连接到电线；

至少一个电机(4)，其连接到至少一个驱动轮(40)上；

用于冷却所述电机(4)的第二冷却回路(2)，第二冷却回路(2)包括用来向周围大气耗散热量的第二散热器(20)，第二冷却回路(2)使用与第一冷却回路中所使用的第一热传递液体无关的第二热传递液体，第二冷却回路与第一冷却回路(1)热分离；

电子耗散元件(8)，能够在电能管理部件(6)的控制下电连接到上述电线上或者与上述电线断开，电子耗散元件(8)浸入在第一冷却回路(1)的第一热传递液体中，以及

开关(81)，受控于电能管理部件(6)以连接和断开电线(61)以及电子耗散元件(8)，其中，当电能管理部件检测到电线不能承载由电机产生的过量电能时，电能管理部件使得开关将电子耗散元件连接到电线，从而电子耗散元件吸收至少一些过量电能，并且通过第一冷却回路的第一热传递液体来耗散所吸收的过量电能。

2.如权利要求1所述的传动系，其中装置包括燃料电池(3)，该燃料电池被提供纯氧。

3.如权利要求1所述的传动系，其中装置包括燃料电池，通过压缩周围空气给该燃料电池提供氧气。

4.如权利要求2所述的传动系，其中燃料电池选自聚合膜电池和碱电池所构成的组。

5.如权利要求1所述的传动系，其中用于电机的电子控制模块是反相器(5)。

6.如权利要求1所述的传动系，包括多种电子管理模块，其中第二冷却回路(2)在多个电子管理模块中建立冷却液的循环。

7.如权利要求6所述的传动系，其中所有被冷却液冷却的电子管理模块都连接在第二冷却回路(2)上。

8.如权利要求1所述的传动系，其中一个电能储存装置通过电能管理部件(6)连接在电线(61)上。

9.如权利要求3所述的传动系，其中染料电池选自聚合膜电池和碱电池所构成的组。

10.如权利要求1所述的传动系，其中第一冷却回路的工作温度在70℃至80℃的范围内，第二冷却回路的工作温度小于或等于50℃。

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