CN101282075B - 用于电力电子设备的相变冷却的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

通过将电介质液体冷却剂直接喷射到逆变器电路上，在封闭系统中冷却用于驱动汽车的牵引电机的电力电子设备。液体冷却剂当在包括电力电子设备的逆变器电路中从功率晶体管吸热时发生相变并汽化。产生的蒸汽在热交换装置中冷凝回液体，该热交换装置具有从散热器输送第二冷却剂的管道，该散热器用于冷却汽车中的发动机或燃料电池堆。保持在液态的过喷冷却剂也可通过热交换装置冷却。通过利用电介质冷却剂的汽化潜热并当功率输出增大时增大冷却剂的再循环速率，控制了电力电子设备中的温度升高。

Description

用于电力电子设备的相变冷却的装置及其方法

相关申请

本申请是提交于2005年2月9日的名为“用于集成的电机逆变器的冷却装置(CoolingArrangementsForIntegratedElectricMotorInverters)”的美国专利申请No.11/054,483的部分接续案。

技术领域

本发明涉及用于电力电子设备的相变冷却的装置及其方法。更具体地，本发明涉及用于冷却包括逆变器电路的电力电子设备的装置和方法，其中逆变器电路将电流提供给牵引电机，该牵引电机用于驱动电动车辆，诸如但不局限于电池驱动的车辆、油-电混合动力车辆和燃料电池驱动的电动车辆。

背景技术

使用牵引电机驱动车辆车轮的车辆，无论电机是在油-电混合动力车辆中还是在燃料电池驱动的车辆中，都典型地使用与逆变器电路联接的三相交流电机，该逆变器电路将来自电源的直流转换为交流。目前，逆变器电路通常包括安装在具有集成母线的DBC(直接敷铜板，directbondedcopper)基板上的功率晶体管。

当汽车起步、改变巡航速度、加速和制动时，驱动车辆的牵引电机的功率需求在很宽的范围上波动。功率需求的波动导致连接到牵引电机的电力电子设备中的温度变化。电力电子设备包括由具有不同的膨胀系数的不同材料组成的逆变器电路。因此，由于当逆变器电路的集成的部件以不同的速率膨胀时，所述部件在响应于温度变化时倾向于相对于彼此轻微地移动，所以热波动会恶化逆变器电路。必须控制温度以将部件的膨胀和收缩保持在可接受的水平内。目前，这通过使流体穿过与DBC相联的散热器循环或通过使空气流过其上方以吸收并带走热量而实现。虽然这些方法目前显得令人满意，但仍需要在使用牵引电机的车辆的寿命期间较精确地控制逆变器电路的温度，以维持可靠性并控制电力消耗。

发明内容

鉴于上述考虑，提供一种冷却装置，用于冷却电力电子设备的部件，该电力电子设备连接到牵引电机以为其提供电流，该牵引电机用于驱动汽车的至少一个驱动轮。该装置包括具有舱室的外壳，该舱室具有容纳所述部件的空间。该舱室具有用于与所述空间连通的冷却流体的入口和出口。该冷却流体是非腐蚀性电介质冷却流体，该电介质冷却流体通过泵在液相下分配到所述空间中和逆变器电路的部件上，该泵用于从储蓄器再循环电介质冷却剂，该储蓄器从部件收集电介质冷却剂。电介质冷却剂具有相变点，该相变点被选择成在冷却剂汽化之前在冷却剂的沸腾温度下吸收大量的热量。将再循环流体在液相下再应用到电力电子部件上之前，储蓄器使用在液体-流体热交换器中的第二冷却剂冷凝再循环流体。

在冷却装置的其它方面中，电介质冷却剂具有在90℃到120℃的范围内的沸点。

在冷却装置的其它方面中，电介质冷却剂具有低于100℃的沸点。

在冷却装置的其它方面中，电介质冷却剂具有大约98℃的沸点。

在冷却装置的其它方面中，电介质冷却剂流体是丙二醇甲基醚和六甲基二硅氧烷的混合物。

在其它方面中，提供一种冷却电力电子设备的方法，其中通过再循环冷却剂流体从用于驱动车轮的电力电子设备吸热，该冷却剂流体当从电力电子设备吸热时发生相变，然后被冷凝并作为液体再被喷射到电力电子设备上。

附图说明

当结合附图考虑时，由于本发明将被更好理解，本发明的各种其它特征和附带的优点将变得更容易被完全理解，在所有若干附图中相同的附图标记指示相同或相似的部件，并且其中：

图1是具有油-电混合动力驱动装置的汽车的示意图；

图2是使用燃料电池电力驱动牵引电机的汽车的示意图；

图3是与图1和图2的车辆一起使用的用于冷却并冷凝电力电子设备冷却剂流体的热交换器回路的示意图；

图4是根据图3所示的本发明的第二实施例构造的喷雾冷却的逆变器电路的前视图；

图5是用于冷却并冷凝汽化的冷却剂的热交换器回路的另一个实施例的示意图，所述冷却剂用于冷却在图1和图2的车辆中使用的电力电子设备。

具体实施方式

现在参照图1，示出用于驱动车辆12的油-电驱动装置10的示例，该车辆使用内燃机14和三相牵引电机16通过变速器17驱动车辆的车轮18。动力分配器22确定是内燃机14或电机16驱动变速器17，还是变速器或内燃机驱动发电机24。在替代实施例(未示出)中，发电机24安装成与牵引电机16相邻，并且用与牵引电机相同的装置冷却。发电机24给蓄电池26充电并/或将直流电流提供给逆变器电路28，该逆变器电路为牵引电机16提供交流电流。由于逆变器电路28产生热量，所以逆变器电路需要冷却装置32。根据本发明的一个方面，冷却装置32连接到与冷却内燃机14的散热器34热联接的密封冷却回路33。冷却装置32具有与逆变器电路28形成一体以形成模块35的至少一部分。

现在参照图2，燃料电池驱动系统10’使用燃料电池40给通过变速器17’驱动车轮18的三相牵引电机16供给电力。燃料电池40或者直接或者通过蓄电池组26’连接以将直流电流供给到逆变器电路28’，该逆变器电路将直流电流转换成用于三相电机16的交流电流。如图1的油-电混合动力一样，逆变器电路28’具有通过冷却回路33’热联接到用于冷却燃料电池40的散热器34’的冷却装置32’。如图1的第一实施例一样，在图2的第二实施例中，冷却装置32’至少部分地与逆变器电路28’形成一体。

现在参照图3，分别在图1和图2中所示的逆变器冷却装置32或32’可用于油-电混合动力驱动装置10或燃料电池驱动装置10’。油-电混合动力驱动装置10和燃料电池驱动装置10’仅是这种驱动装置的各种构造的示例。例如，油-电混合动力驱动装置10可被构造成并联布置、串联布置或其它有效的布置，燃料电池驱动装置10’也可一样。油-电混合动力驱动装置10可使用汽油机、柴油机、涡轮发动机或任何其它发动机构造。

通过使用冷却剂分配器60，液体冷却剂64直接应用到电力电子设备中的热源，即将直流转换成交流的功率晶体管52。冷却使得逆变器电路28的功率密度(每单位体积的功率)可增大。为了被液体冷却剂64冷却，由功率晶体管52产生的热量不需要穿过多层材料，所述材料中的一些具有低导热率。相反，由喷雾冷却提供的直接热路径降低功率晶体管52的温度。在功率晶体管52具有较低温度的情况下，可得到通过逆变器电路28到三相牵引电机16的增大的功率。或者，通过改善的冷却，可使用较小的逆变器电路28产生到牵引电机16的基本相同的可用功率，同时占用较小的空间。

由喷嘴62提供的喷雾冷却也可用在与逆变器电路28相联的其它部件上，诸如电容器、变压器和对温度敏感的集成电路。而且，喷雾冷却提供对逆变器电路28的元件之间的引线接合的冷却，并且避免引线接合过热，因而使故障最少。因此，与获得的部件温度的降低一起提供了改善的可靠性。

由于喷雾冷却提供了增大的冷却能力，因此喷雾冷却提高了逆变器电路28对瞬态功率波动的抵抗性。瞬态功率波动由于车辆12(图1和2)要求的功率在短时间中突然增大而存在于到逆变器电路28的输入中。该波动可由对电机16输出的增大的阻抗引起，该增大的阻抗继而引起功率晶体管52中的温度升高。通过使冷却介质64直接应用到功率晶体管52，减小了在持续时间和温度升高上的温度变化。

为了使冷却剂64不与逆变器电路28的部件电地相互作用或恶化逆变器电路28的部件，冷却剂是电介质冷却剂，优选地具有在约90℃到120℃的范围内的沸点。推荐的冷却剂是甲基硅氧烷(methylsiloxane)和诸如聚丙二醇甲基醚(polypropyleneglycolmethylether)的有机化合物的混合物，其中冷却剂具有最小的不稳定性和反应性。这种液体的一个示例是可从DowCorning公司买到的0S-120，它是六甲基二硅氧烷(hexmethyldisiloxane)和丙二醇甲基醚(propyleneglycolmethylether)的混合物，六甲基二硅氧烷具有高于60％的重量百分比，并且丙二醇甲基醚具有在10％到30％的范围内的重量百分比。0S-120具有约98℃的沸点，并且是当用于冷却相互连接的电部件时不降解的电介质材料。电介质液体冷却剂64在大约98℃下继续吸热而不相变成其蒸汽形式64’，直到冷却剂的热容量达到其沸点，此时液体冷却剂汽化以带走由功率晶体管52产生的和从电力电子组件的其他部件散发出的热量。作为0S-120的替代物，可使用具有最小不稳定性和与逆变器的电部件的最小反应性的其它电介质冷却剂。

仍主要参照图3，冷却剂64被作为液体喷射，并被收集在舱室50的集液部分70中，并通过喷射返回通道72返回到储蓄器74，该储蓄器通过过滤器75连接到泵76。泵76通过管线76a连接到液体分配器60，该液体分配器将循环液体冷却剂64供给到用于逆变器电路28的持续冷却的喷雾喷嘴62。当液体冷却剂64通过储蓄器74循环时，液体冷却剂通过具有第二液体冷却剂77的逆变器冷却回路33或33’(也见图1和图2)冷却。第二液体冷却剂77的示例是乙二醇水溶液。第二冷却剂77流过储蓄器74中的管道78，并且由冷却图1的内燃机14的散热器34供给，或者由冷却图2的燃料电池组40的散热器34’供给。

图3的冷却装置利用了冷却剂64的汽化的潜热。当液体冷却剂64被喷射到在比冷却剂的汽化(即，沸腾)温度高的温度下操作的电力电子部件上时，冷却剂从液体冷却剂64相变为汽化冷却剂64’。当汽化冷却剂分散到腔50’中时，汽化冷却剂64’从逆变器电路28(或28’)带走废热。冷却剂回路33或33’包括与储蓄器74’分离的冷凝器200以及用于将汽化冷却剂64’从舱室50’输送到冷却剂200的单独的通道206。来自车辆散热器34或34’的第二冷却剂流77通过冷却剂管78’循环，以将冷却剂从蒸汽64’相变为冷却剂液体64。来自冷凝器200的液体64与储蓄器74’中的液体混合并且在被泵76通过管线76a泵回流体分配器60之前通过过滤器75过滤，冷却剂64在所述流体分配器处被以液体形式喷射到电力逆变器电路28上。

泵76优选地是由控制器79控制的可变输出泵，该控制器通过来自输出线路81的线路80上的输出电流信号促动，该输出线路81从功率晶体管52到三相电机16。当功率晶体管52的输出增大时，控制器79增大泵75的泵送速率。通过提供可变喷雾冷却，实现了在所有操作条件下的温度控制。这种装置通过使温度变化最小以便使逆变器电路28在基本等温的条件下操作而提高了部件可靠性。通过一致地控制通过喷雾喷嘴62喷射的电介质液体冷却剂64的量，在最大功率消耗条件下提供了充足的液体薄雾。液体薄雾64在被喷射到逆变器电路28上之后呈现转化到蒸汽64’的相变。当该相变发生时，功率晶体管52保持在基本恒定的温度，而与增大的功率输出和增大的功率消耗无关。通过相对于实际部件功率消耗改变液体冷却剂64的流动，利用了包括液体冷却剂64的流体的相变区域，以便使冷却剂适应所有操作条件。

或者，可用热电偶监测晶体管52的温度，当晶体管的温度升高时增大泵76的速度，以喷射较多液体冷却剂并由此降低晶体管的温度。

现在结合图3较特定地参照图4，图3的喷雾冷却装置被构造为示于图4的模块35或35’。由泵76的负压通过通道206抽吸蒸汽64’并使其进入冷凝器200。在图4的装置中，冷凝器200布置在储蓄器74上方，以便使从冷却剂蒸汽64’被冷凝的液体冷却剂64流下并与已经由通道72进入储蓄器的过喷的冷却剂液体64混合。所有被冷却的和被冷凝的冷却剂继而被抽吸通过过滤器75并且进入泵76；通过泵再循环，并且继而通过喷嘴62作为液体薄雾或液滴64被喷射到逆变器电路28上。液体薄雾或液滴64在逆变器电路28上形成液体层，并且如上所述，该液体层吸热并且液体的至少一部分汽化成蒸汽64’。蒸汽64’继而被泵76通过通道206抽吸到冷凝器200中，并且在储蓄器74中与冷却的液体冷却剂64混合以继续冷却循环。

现在参照图5，示出本发明的第二实施例，其中仅是汽化冷却剂64’再循环，已经去除了图3的管线72。通过该装置，通过液体冷却剂64的汽化热基本控制了电力电子设备28的温度，该温度在上述0S-120的情况下低于100℃。

从以上说明，本领域的技术人员可容易地确定本发明的基本特征，而且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可做出本发明的各种修改和变型，以使其适于各种用途和条件。

Claims (4)

1.一种用于冷却逆变器电路的冷却装置，所述逆变器电路给牵引电机提供电流，所述牵引电机用于驱动汽车的至少一个驱动轮，所述装置包括：

具有容纳所述逆变器电路的部件的空间的容纳舱室；

与容纳所述逆变器电路的部件的所述空间连通的新鲜冷却剂流体入口和用过的冷却剂流体出口；

储蓄器，该储蓄器用于存储电介质液体冷却剂；

冷却流体分配器，该冷却流体分配器用于将所述电介质液体冷却剂在液相下喷射到所述空间中和所述逆变器电路的部件上；

冷凝器，该冷凝器用于液化当从所述逆变器电路的部件吸收了足够的热量而发生相变时已从液相转化为气相的电介质冷却剂；

泵，该泵用于使所述电介质冷却剂在液相时从储蓄器和所述冷凝器循环到用于循环冷却所述逆变器电路的部件的所述空间；以及

过滤器，该过滤器设置在储蓄器与泵之间，用于过滤来自储蓄器的液体冷却剂，

其特征在于，所述冷凝器与储蓄器相互紧邻布置并且所述储蓄器与所述过滤器和泵相互紧邻布置以提供一模块；

其中所述冷却装置还包括用于收集在喷射到电力电子设备上之后保持在液相的电介质流体的过喷部分的储蓄器，该储蓄器冷却所述液体用于随后在所述电力电子设备上再循环。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括用于监测所述部件的冷却需求的控制器，该控制器连接到所述泵，以根据所述部件的冷却需求给所述泵提供动力。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述电介质冷却剂流体是丙二醇甲基醚和六甲基二硅氧烷的混合物。

4.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述控制器连接到电力电子设备的电力输出，并且响应于所述电力电子设备的增大的电力输出而增大所述泵的冷却剂输出以在较快的速率下分配并再循环电介质冷却剂流体，以吸收由额外功率输出产生的额外热量。