CN101971330A - 冷却装置及具有该冷却装置的电动车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却装置及具有该冷却装置的电动车辆，冷却装置(10)是用于冷却包括作为发热体的开关元件的开关组件(98)的装置。该冷却装置(10)具有设有多个散热片(120)并使冷却液流通的冷却液流路(102)，在所述冷却液的流通方向上，所述散热片(120)在与构成开关组件(98)的芯片(91、92)的至少中央部对应的位置上形成有切口部(118)，通过该切口部(118)而在冷却液流路(102)中形成腔室(122)。

Description

冷却装置及具有该冷却装置的电动车辆
技术领域
本发明涉及一种用于冷却开关元件等发热体的冷却装置及具有该冷却装置的电动车辆。
背景技术
以往，广泛利用作为使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅极型功率管)等开关元件的开关电源的DC/DC转换装置。
例如，作为行驶驱动源使用电动机的车辆(电动车辆)的一方式提出有在蓄电装置与倒相驱动电动机之间安装将直流电压升压降压的DC/DC转换装置的车辆(在此、称作电动机动车)。该电动机动车中，在电动机的驱动时，通过DC/DC转换装置将蓄电装置的电压升压并施加给逆变器，在电动机的再生时，将逆变器所产生的再生电压由DC/DC转换装置降压，施加给蓄电装置侧而进行充电等。
另外，作为电动车辆的其他方式提出有将燃料电池与倒相驱动电动机直接连接，在其连接点与蓄电装置之间安装将直流电压升压降压的DC/DC转换装置，以燃料电池作为主电源装置，以蓄电装置作为辅助所述主电源装置的从电源装置的车辆(在此、称作燃料电池车辆)。
在该燃料电池车辆中，在电动机的驱动时，将燃料电池的电压与由DC/DC转换装置升压的蓄电装置的电压合并而施加给逆变器，在电动机的再生时，将逆变器所产生的再生电压由DC/DC转换装置降压，施加给蓄电装置侧而充电等。另外，燃料电池的产生电力有余量量时，进行降压，施加给蓄电装置侧而充电等。
其中，构成这样的DC/DC转换装置的半导体模块(开关组件)、即所述开关元件、二极管，特别是开关元件由于其驱动时伴随相当大的发热，所以需要充分的冷却。因此，一般使用具有通过水冷形成的冷却液流路的冷却装置，但是该冷却装置考虑到车载能力等，同时满足充分的冷却能力和小型化是重要的。
例如，日本专利特开2004-349324号公报中提出有在形成有散热片的平板基座上直接配置IGBT模块的冷却装置。在该冷却装置中，在与作为发热体的芯片的配置对应的位置上形成散热片，并在冷却液的流通方向上位于发热体的正前方的散热片上形成切口，在形成该切口的叶片入口的边缘部分产生冷却液的紊流，由此，能够使冷却效果提高。
但是，上述特开2004-349324号公报所记载的装置中，与散热片对应配置芯片，在冷却液向该散热片流入的入口设置边缘部分，构成使该冷却液的流动紊乱的结构。因此，在所述边缘部分，冷却液的压力损失增大，引起冷却液的循环泵的大型化等，其结果是，导致冷却装置大型化的问题出现。
另外，由于在散热片的入口发生紊流，所以在芯片的中央部的正下方附近该冷却液被整流，冷却能力降低，所以需要将所述边缘部分与多个芯片对应设置，因此，冷却液流路的压力损失进一步增大。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种能够实现装置的小型化和冷却性能的提高的冷却装置及具有该冷却装置的电动车辆。
本发明提供一种冷却装置，其用于冷却发热体，其特征在于：包括设有多个散热片并使冷却液流通的冷却液流路，在所述冷却液的流通方向上，所述散热片在与所述发热体的至少中央部对应的位置上形成有切口部，通过该切口部而在所述冷却液流路中形成有腔室。
根据这样的结构，所流通的冷却液从各散热片间的狭窄流路流入作为宽阔的空间的腔室内，从而在发热体的正下方、即腔室内紊乱冷却液的流动，而能够产生紊流。即、与发热体的中央部对应设置腔室，从而能够极高效率地冷却发热体，因此能够提高冷却装置的冷却性能。
在这种情况下，若所述腔室的高度比所述散热片的高度高，则能够使腔室内的容积比散热片部分进一步增大，因此能够进一步提高冷却性能。
另外，所述散热片至少在所述冷却液的流通方向上的端部上形成有圆弧部时，能够有效地降低在散热片的端部产生的冷却液的压力损失。因此，能够实现冷却液的顺畅流通和由此带来的冷却性能的提高，能够使循环泵小型化，其结果是，能够实现冷却装置和搭载其的车辆的小型轻量化。
另外，在所述发热体与所述散热片之间配置有散热器(heat spreader)，若多个所述发热体配置在共用的散热器上，则能够使来自各发热体的热量在更宽阔的面积内进一步有效率地散热。
本发明提供一种电动车辆，其特征在于：具有：上述的冷却装置；使车轮旋转的电动机；对所述电动机并行供给电力的发电装置及蓄电装置；DC/DC转换器，其连接在所述蓄电装置与所述发电装置之间，转换由所述蓄电装置产生的电压并施加给所述电动机侧，并且转换由所述电动机的再生动作的再生电压或所述发电装置的发电电压并施加给所述蓄电装置侧，其中，所述发热体包括设于所述DC/DC转换器的开关元件。另外，所述发电装置可以是燃料电池。
根据这样的结构，能够高效率地进行DC/DC转换器的冷却，能够实现冷却装置的小型化，所以能够实现该电动车辆的小型轻量化和关于冷却装置的车载的设置自由度的提高。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的燃料电池车辆的电路图。
图2A是构成DC/DC转换器的开关组件的概略分解立体图，图2B是示意表示图2A所示的开关组件的概略立体图。
图3是表示本发明的一实施方式的冷却装置的结构的概略立体图。
图4是沿着冷却液的流通方向切断构成冷却装置的冷却液流路的概略剖面立体图。
图5是沿着冷却液的流通方向切断构成冷却装置的冷却液流路的概略剖面平面图。
图6是冷却装置的概略平面图。
图7是沿图6中的VII-VII线的概略剖面图。
图8是示意表示冷却液流路中腔室附近的冷却液的流动的说明图。
图9是变形例的电动车辆的电路图。
图10是另一变形例的电动车辆的电路图。
具体实施方式
以下，关于本发明的冷却装置，以在与搭载该冷却装置的电动车辆的关系上合适的实施方式为例，参照添加的附图进行说明。
首先，关于本实施方式的作为搭载冷却装置10的电动车辆的燃料电池车辆20的基本结构进行说明。
如图1所示，燃料电池车辆20基本上通过由燃料电池22和作为蓄能器的蓄电装置(称作蓄电池)24构成的混合型电源装置、电流(电力)从该混合型的电源装置经由逆变器34供给的行驶用的电动机(motor)26、DC/DC转换装置23构成。DC/DC转换装置23在连接有蓄电池24的初级侧1S和连接有燃料电池22以及电动机26(逆变器34)的次级侧2S之间进行电压转换。蓄电池24经由电力线18连接在DC/DC转换装置23的初级侧1S上。
电动机26的旋转通过减速器12、轴14传递给车轮16，而使车轮16旋转。
DC/DC转换装置23由DC/DC转换器(车辆用DC/DC转换器)36和对其进行驱动控制的转换器控制部54构成。
燃料电池22形成为层叠例如将固态高分子电解质膜由阳电极和阴电极从两侧夹住形成的电池单元而成的堆栈结构。在燃料电池22上通过配管连接有氢罐28和压缩机30。在燃料电池22内作为反应气体的氢(燃料气体)和空气(氧化剂气体)的电化学反应生成的发电电流If经由电流传感器32以及二极管(也称作断开二极管)33供给逆变器34以及(或者)DC/DC转换器36。
逆变器34进行直流/交流转换，将电动机电流Im供给电动机26，另一方面将伴随再生动作的交流/直流转换后的电动机电流Im从次级侧2S通过DC/DC转换器36供给初级侧1S。
这种情况下，作为再生电压或发电电压Vf的次级电压V2由DC/DC转换器36转换为低电压的初级电压V1。
连接在初级侧1S的蓄电池24例如能够利用锂离子次级电池或电容器。在该实施方式中利用锂离子次级电池。
蓄电池24通过DC/DC转换器36对逆变器34供给电动机电流Im。
在初级侧1S以及次级侧2S分别设有平滑用的电容器38、39。在次级侧2S的电容器39上并列、即相对于燃料电池22也并列连接有电阻器40。
包含燃料电池22的系统由FC控制部50控制，包含逆变器34和电动机26的系统由包含逆变器驱动部的电动机控制部52控制，包含DC/DC转换器36的系统基本上分别由包含逆变器驱动部的转换器控制部54控制。
并且，这些FC控制部50、电动机控制部52以及转换器控制部54通过作为上位的控制部的决定燃料电池22的总负载量Lt等的集中控制部56控制。这些集中控制部56、FC控制部50、电动机控制部52以及转换器控制部54通过车内LAN的CAN(Controller Area Network：控制器局域网)等通信线70相互连接，共用来自各种开关以及各种传感器的输入输出信息，以来自这些各种开关以及各种传感器的输入输出信息作为输入，各CPU执行存储在各ROM中的程序，从而实现各种功能。
DC/DC转换器36构成在第一电力装置(蓄电池24)和第二电力装置{燃料电池22或再生电源(逆变器34和电动机26)}之间并列连接通过分别由IGBT等开关元件构成的上支路元件81{81u、81v、81w(81u～81w)}和下支路元件82{82u、82v、82w(82u～82w)}构成的3相支路{U相支路UA(81u、82u)、V相支路VA(81v、82v)、W相支路WA(81w、82w)}而成的三相支路结构。
在各支路元件81u、81v、81w、82u、82v、82w上分别反向并列连接二极管83u、83v、83w、84u、84v、84w(反并联二极管)。
通过DC/DC转换器36在初级电压V1和次级电压V2之间转换电压时，释放及蓄积能量的一个反应器90插入3相支路的各相的支路(U相支路UA、V相支路VA、W相支路WA)的中点的共用连接点与蓄电池24之间。
上支路元件81(81u～81w)由从转换器控制部54输出的栅极的驱动信号(驱动电压)UH、VH、WH(的高级别)分别接通，下支路元件82(82u～82w)由栅极的驱动信号(驱动电压)UL、VL、WL(的高级别)分别接通。
在此，关于由转换器控制部54驱动控制的DC/DC转换器36的基本动作进行说明。
首先，在升压动作中，转换器控制部54接通下支路元件82u，对反应器90由蓄电池电流Ibat(初级电流I1)蓄积能量，并同时从电容器39将次级电流I2供给逆变器34。接着，将下支路元件82u断开时，二极管83u～83w导通，从反应器90放出能量，在电容器39中蓄积能量，并且次级电流I2向逆变器34供给。以下同样地、接着，将下支路元件82v接通，接着将下支路元件82v断开，使二极管83u～83w导通。接着，将下支路元件82w接通，接着将下支路元件82w断开，使二极管83u～83w导通。接着，将下支路元件82u接通，按照上述顺序将DC/DC转换器36进行旋转开关。
另外，上支路元件81u～81w以及下支路元件82u～82w的接通能率以输出电压V2保持在来自集中控制部56的指令电压的方式被决定。
另一方面，在从DC/DC转换器36的次级侧2S对初级侧1S的蓄电池24供给次级电流I2的降压动作中，接通上支路元件81u，由从电容器39输出的次级电流I2对反应器90蓄积能量，并从电容器38对蓄电池24供给初级电流I1。接着，将上支路元件81u断开时，二极管84u～84w作为惯性二极管导通，从反应器90释放能量，对电容器38蓄积能量，并对蓄电池24供给初级电流I1。以下同样地、按照上支路元件81v接通→上支路元件81v断开→二极管84u～84w导通→上支路元件81w接通→上支路元件81w断开→二极管84u～84w导通→上支路元件81u接通……的顺序将DC/DC转换器36进行旋转开关。
以上是对由转换器控制部54驱动控制的DC/DC转换器36的基本动作的说明。
如图1、图2A以及图2B所示，在这样的DC/DC转换器36中，各支路元件81u～81w、82u～82w和与其对应的各二极管83u～83w、84u～84w作为对各组(例如上支路元件81u与二极管83u为一组)每一组集成的上芯片91{91u、91v、91w(91u～91w)}以及下芯片92{92u、92v、92w(92u～92w)}构成。
各上芯片91u～91w以及各下芯片92u～92w例如在由金属制(铜或铝等)构成的一张(共用)的散热板(散热器)94上分别隔着绝缘基板96{96u、96v、96w(96u～96w)}以及绝缘基板97{97u、97v、97w(97u～97w)}排列固定，形成其一体模制而成的开关组件98(参照图2B以及图7)。
即、开关组件98作为所谓的6in1模块构成，各支路元件81u～81w、82u～82w的栅极端子连接在转换器控制部54上。
接着，关于冷却这样的DC/DC转换器36的冷却装置10进行说明。
如图3所示，冷却装置10具有扁平箱状的外壳100和收容在该外壳100内、流通未图示的冷却液(例如水、冷却剂)的冷却液流路102，在外壳100表面与冷却液流路102(冷却液)之间具有高导热性。冷却液流路102在途中具有U字形的折回部104，通过经由并设在外壳100的一侧面的入口孔106以及出口孔108直列循环冷却液，从而能够冷却隔着散热板94密接配置在外壳100上的开关组件98。
如图1所示，在冷却液流路102上经由入口孔106以及出口孔108连接有循环泵110以及散热器112。因此，在循环泵110的驱动作用下，冷却液在冷却液流路102内循环，并且从出口孔108流出的冷却液由散热器112散热冷却后，再次从入口孔106向冷却液流路102循环，提供给开关组件98的冷却用。
如图4以及图5所示，冷却液流路102具有由散热器112冷却后直接从入口孔106流入的冷却液最初流通的第一直线部(上直线部)114、使在第一直线部114中通过的冷却液的流通方向反转的折回部104、与第一直线部114并设且在折回部104中通过的冷却液流通的第二直线部(下直线部)116。在第二直线部116中通过的冷却液经由出口孔108再次送向散热器112。这样、在冷却液流路102中，隔着折回部104并列第一直线部114以及第二直线部116，从而能够使整体结构大幅度小型化，并能够使入口孔106以及出口孔108并列，所以能够使向燃料电池车辆20的设置自由度提高。
在各直线部114、116上设置有在冷却液的流通方向上延伸的多张(本实施方式的情况下、为6张)散热片(cooling fin)120，各散热片120由三个切口部(间隙部)118在所述流通方向(长度方向)上被分割为四个。散热片120通过由铜或铝等形成的薄板构成，能够高效率地将来自开关组件98的热量传递给冷却液。另外，在各冷却液120的所述流通方向端部上形成有弯曲的圆弧部(R形状)121。
切口部118将散热片120在其长度方向的规定位置上分割，在直线部114、116的途中形成未配置散热片120的空间、即腔室122。该切口部118与设于开关组件98上的各芯片91u～91w、92u～92w的配置间隔对应设置(参照图6)。即、在各直线部114、116上，与各芯片91u～91w、92u～92w对应的位置上分别设有三个腔室122。
根据图6以及图7可知，各腔室122分别设置在冷却液的流通方向上与通过作为发热体的芯片91u～91w、92u～92w的中心部的中心线CL对应的位置上。另外，腔室122的高度Hc比散热片120的高度Hf设定得大(Hc＞Hf)，由此，能够尽量增大腔室122的容积。为了扩大腔室122的容积，也能够扩大该腔室122部分的宽度方向(与冷却液的流通方向正交的方向)的尺寸。
图5中由虚线包围的参考附图标记124是铸造该冷却液流路102时的出砂孔，若该出砂孔124位于与腔室122对应的位置，能够进一步增大腔室122的容积。
另外，在冷却装置10中，在折回部104的上游侧的第一直线部114侧配置开关组件98中的再生侧的上芯片91u～91w，在折回部104的下游侧的第二直线部116侧配置驱动侧的下芯片92u～92w，但是还能够在折回部104上配置反应器90。这样，为了冷却该反应器90，不必另外配置冷却装置等，即、也能够同时进行反应器90的冷却(参照图3以及图6)，能够进一步有效地活用折回部104的空间。
接着，关于基本上如以上构成的本实施方式的冷却装置10以及搭载该冷却装置10的燃料电池车辆20的作用效果进行说明。
如上所述，在冷却装置10中，在与构成开关组件98的各芯片91u～91w、92u～92w分别对应的各直线部114、116设置散热片120，并在该散热片120上设置切口部118，形成腔室122。因此，使流通的冷却液从各散热片120间的狭窄流路流入作为宽阔空间的腔室122内，能够在该腔室122内使冷却液的流动紊乱(参照图8)。换言之，在直线部114、116中流动的冷却液在各散热片120之间为被整流为层流或接近层流的状态，在腔室122内形成紊流。由此，在腔室122内，能够大幅度提高冷却液和开关组件98之间的导热率，能够使冷却装置10的冷却性能提高，即，针对所希望的冷却性能，能够使冷却装置10进一步小型化。
另外，通过使腔室122的高度Hc设定为比散热片120的高度Hf大，从而与散热片120部分相比，能够尽量增大该腔室122的容积。由此，能够进一步增高冷却性能，而且能够将冷却液流路102的大型化抑制在最小限度。
如图6以及图7所示，通过将作为发热体的芯体91u～91w、92u～92w的至少冷却液的流通方向上的中心部与腔室122对应设定，从而能够使紊流发生位置的腔室122位于发热体的正下方。因此，能够使在各芯片91u～91w、92u～92w中产生的热量进一步有效率地散热，能够进一步使该冷却装置10的冷却性能提高。这种情况下，冷却液的流通方向上的各腔室122的配置间隔如图6等所示没必要是等间隔，也能够与作为发热体1的芯片91u～91w、92u～92w的配置间隔对应地适当变更。
另外，所谓将前述的发热体的至少冷却液的流通方向上的中心部与腔室122对应设定意味，只要通过作为发热体的芯片91u～91w、92u～92w的中心部的中心线CL位于腔室122内即可，当然，中心线CL的位置可以是图7中的中心线CL1或CL2等位置。另外，将前述的发热体的至少冷却液的流通方向上的中心部与腔室122对应设定也能够意味，在作为发热体的芯片91u～91w、92u～92w中发热最多的元件的中心部，例如作为开关元件的支路元件81u～81w、82u～82w或二极管83u～83w、84u～84w中发热最多或需要冷却的中心部可以位于与腔室122对应的位置。
另外，在冷却装置10中，在与各切口部118对应的各散热片120的端部上形成有圆弧部121。因此，能够使冷却液顺滑地从腔室122内向散热片120间流入，不会像以往形成边缘形状的结构那样产生较大的压力损失。因此，能够实现冷却液流路102中的冷却液的顺畅流通和由此带来的冷却性能的提高。另外，由于能够降低循环泵110的负载，所以能够使该循环泵110小型化，能够实现冷却装置10的小型轻量化和车轮的设置自由的提高。
另外，如图6所示，在开关组件98的向外壳100的抵接侧面上配置作为散热器的散热板94，作为发热体的芯片91u～91w、92u～92w配置在在共用的散热板94上。由此，在发热量最高的芯片91u～91w、92u～92w的正下方设定腔室122，并使来自扩散到散热板94上的芯片91u～91w、92u～92w的热量经由该散热板94向散热片120侧有效率地散热。即、能够使来自各芯片91u～91w、92u～92w的热量以更宽阔的面积与冷却液进行热交换，能够进一步提高冷却装置10的冷却性能。
其中，在由这样的冷却装置10冷却的DC/DC转换器36中，在构成开关组件98的上芯片91u～91w和下芯片92u～92w之间，其发热量存在差异，通常构成再生侧的上芯片91u～91w的发热量比构成驱动侧的下芯片92u～92w大。
在燃料电池车辆20中，由于例如燃料电池22有在高输出时端子间电压下降的特性，所以即使车辆在再生和驱动时进行相同的输出，对于作为开关元件的支路元件81u～81w、82u～82w的初级侧1S和次级侧2S的电压差，与驱动时相比，受到电动机反电动势电压影响的再生时较大，因此其开关损失较大。因此，例如再生侧(上芯片91u～91w)和驱动侧(下芯片92u～92w)为相同冷却设计的情况下，再生侧的热性质严格，不能使再生量与驱动侧等量得到。
因此，在本实施方式的冷却装置10中，在折回部104的上游侧的第一直线部114侧配置上芯片91u～91w，在折回部104的下游侧的第二直线部116侧配置下芯片92u～92w。即、在冷却液流路102中，将冷却液流入作为发热量(热负载)较大的再生侧的上支路元件81u～81w侧后，经由折回部104向作为驱动侧的下支路元件82u～82w侧直列流入，从而先冷却发热量较大的再生侧，防止上支路元件81u～81w过热，能够最大限度利用最大输出以及能够预先产生该最大输出的时间。
因此，能够有效地提高再生时的DC/DC转换器36的冷却性能，能够使燃料电池车辆20的可再生电力量增加。
另外，在冷却液流路102中，由于形成从第一直线部114经由折回部104向第二直线部116连续的掉头(U-turn)结构，所以能够使入口孔106以及出口孔108集合在该冷却装置10的一侧面侧。因此，能够实现冷却装置10的进一步小型化，并能够使向循环泵110和散热器112的配管进一步容易且简易。在冷却液流路102中，除了这样的折回部104的掉头结构外，考虑到车载时的设置空间等，也能够形成适当地由直线状或曲线状等构成的流路结构。
另外，如图9所示，本实施方式的电动车辆的燃料电池车辆20也能够省略燃料电池22及其相关部件，并设置发动机(内燃机)30，形成该发动机130的输出轴连结在电动机26以及减速器12上的电动车辆20a的结构。即，电动车辆20a作为所谓的并联方式的混合车辆构成。
另外，如图10所示，也能够从燃料电池车辆20省略燃料电池22及其相关部件，并设置发动机130以及发电机132，形成将发动机130的输出轴连结在发电机132以及减速器12上并电连接发电机132和电动机26的电动车辆20b。即，电动车辆20b构成所谓的串并联方式的混合车辆。另外，在该电动车辆20b中，将发动机130的输出轴仅连结在发电机132上，省略向减速器12的连结或省略减速器12本身的情况下，能够构成所谓的串联方式的混合车辆。
另外，当然也可以从本实施方式的作为电动车辆的燃料电池车辆20省略燃料电池22及其相关部件，形成不添加发动机130等的电动车辆。
本发明不限于上述实施方式，不言而喻，可以在不脱离本发明的构思的范围内，采取各种结构。

Claims (6)

1.一种冷却装置，其用于冷却发热体(91、92)，其特征在于，
包括设有多个散热片(120)并使冷却液流通的冷却液流路(102)，
在所述冷却液的流通方向上，所述散热片(120)在与所述发热体(91、92)的至少中央部对应的位置上形成有切口部(118)，通过该切口部(118)而在所述冷却液流路(102)中形成有腔室(122)。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，
所述腔室(122)的高度比所述散热片(120)的高度高。
3.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，
所述散热片(120)至少在所述冷却液的流通方向上的端部形成有圆弧部(121)。
4.如权利要求1～3中任一项所述的冷却装置，其特征在于，
在所述发热体(91、92)与所述散热片(120)之间配置有散热器(94)，多个所述发热体(91、92)配置在共用的散热器(94)上。
5.一种电动车辆，其特征在于，具有：
权利要求1～3中任一项所述的冷却装置(10)；
使车轮(16)旋转的电动机(26)；
对所述电动机(26)并行供给电力的发电装置(22)及蓄电装置(24)；
DC/DC转换器(36)，其连接在所述蓄电装置(24)与所述发电装置(22)之间，转换由所述蓄电装置(24)产生的电压并施加给所述电动机(26)侧，并且转换由所述电动机(26)的再生动作产生的再生电压或所述发电装置(22)的发电电压并施加给所述蓄电装置(24)侧，
其中，
所述发热体(91、92)包括设于所述DC/DC转换器(36)的开关元件(81、82)。
6.如权利要求5所述的电动车辆，其特征在于，
所述发电装置(22)是燃料电池。
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