CN108025634A - 用于车辆中的电力单元的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆(1)中的电能存储器(4)和电力电子设备(5)的冷却装置。冷却装置包括第一冷却系统(6)、第二冷却系统(15)和和制冷系统(25)，该第一冷却系统具有冷却电力电子设备(5)的循环第一冷却剂，该第二冷却系统具有冷却电能存储器(4)的循环第二冷却剂，该制冷系统构造成在冷却器(20)中冷却第二冷却系统(15)中的第二冷却剂。此外，冷却装置包括配置成提供第一气流(31)的第一散热器风扇(29)和配置成提供第二气流(34)的第二散热器风扇(32)，该第一气流穿过第一冷却系统(6)的散热器(8i)或散热器(8)的一部分和第二冷却系统(15)的散热器(17)，该第二气流穿过第一冷却系统(6)的散热器(82)或散热器(8)的一部分和制冷系统(25)的冷凝器(26)。

Description

用于车辆中的电力单元的冷却装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于车辆中的电力单元的冷却装置。
背景技术
混合动力车辆可以由电力单元结合一些其他形式的动力单元(诸如内燃机)来供电。电力单元可以包括交替地用作电动机和发电机的电机，用于存储电能的电能存储器和用于控制电能在电能存储器与电机之间的流动的电力电子设备。电力电子设备可以包括用于在电能存储器与电机之间传导电能的直流(DC)转换器和逆变器。电能存储器和电力电子设备设计成在特定温度范围内运行。电能存储器和电力电子设备在操作期间被加热。例如，某种类型的电能存储器不应被加热到高于40℃最高温度的温度。电力电子设备可被加热到稍高的温度。因此，重要的是在操作期间冷却电能存储器和电力电子设备。此外，电能存储器的效率和电力电子设备的效率在它们的温度过低时降低。因此，适当的是当电能存储器和电力电子设备温度过低时加热它们。
DE102012024080A1示出一种由电动机驱动的车辆。低温冷却回路用于冷却向电动机供应电力的电池装置。高温冷却回路冷却控制电动机电源的电力电子设备。低温冷却回路经由热交换器可连接到交流(AC)电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却装置，其提供车辆中的电能存储器和电力电子设备的有效温度控制。另一个目的是提供一种可以以简单方式修改的冷却装置。另一个目的是提供一种以节能方式操作的冷却装置。
上述目的通过根据权利要求1的特征部分的装置来实现。电力电子设备由第一冷却系统冷却，并且电能存储器由第二冷却系统冷却。使用两种不同的冷却系统使得易于为电能存储器和电力电子设备提供单独的冷却。冷却装置包括提供第一冷却气流和第二气流的两个散热器风扇。第一冷却系统和第二冷却系统包括散热器，并且制冷系统包括可以以不同组合布置在所述两个冷却气流中的冷凝器。这种可能性使得可以以简单的方式修改冷却装置并且使其适应于不同类型的车辆以及车辆将被使用的和气候。此外，可以以可变方式将电能存储器的所需冷却分配到第二冷却系统和制冷系统上。第二冷却系统的冷却效果由到散热器风扇的输入能量限定。制冷系统的冷却效果由到制冷系统的压缩机的输入能量限定。该装置使得可以选择在第二冷却系统和制冷系统上的所需冷却效果的适当分布。优选地，选择能量效率最高的分配，在该分配下到第二冷却系统和制冷系统的输入能量的总供应被最小化。
根据本发明的实施方式，第一冷却系统包括单一散热器，该单一散热器具有由第一气流冷却的第一部分和由第二冷却剂气流冷却的第二部分。在这种情况下，散热器的不同部分可以用来自两个散热器风扇的不同气流流量来冷却。替代地，第一冷却系统可以包括由第一气流冷却的第一散热器和由第二气流冷却的第二散热器。在某些情况下，更有利的是在第一冷却系统中使用两个较小的散热器，而不是一个大的散热器。
根据本发明的实施方式，第一冷却系统包括至少一个旁通阀和旁通管线，该至少一个旁通阀和旁通管线允许冷却剂绕过第一冷却系统的至少一个散热器。在这种情况下，第一冷却剂在任何散热器中、在两个散热器之一中或在两个散热器中的两个中不会被冷却。以这种方式，可以改变第一冷却剂的冷却并且提供电力电子设备的受调节的冷却。第二冷却系统还可以包括旁通阀和旁通管线，该旁通阀和旁通管线允许冷却剂绕过第二冷却系统的散热器。例如，当电能存储器的温度过低时，可以将第二冷却剂在第二冷却剂系统中循环而不在散热器中冷却。
根据本发明的实施方式，该装置包括热交换器，该热交换器提供在第一冷却系统中的第一冷却剂与第二冷却系统中的第二冷却剂之间的热传递。在这种情况下，可以在冷却系统的一位置中均衡冷却剂的温度。这种热交换器的存在使得可以通过向冷却系统之一中的冷却剂提供热量或冷量来增加或降低两个系统中的冷却剂的温度。所述热交换器可以被设置为在第一冷却系统的散热器出口管线中的第一冷却剂与第二冷却系统的散热器出口管线中的第二冷却剂之间传递能量。在这个位置中，第一冷却剂可以在第二冷却剂进入电力电子设备之前由第二冷却剂冷却至相对较低的温度。第二冷却剂可以在其进入电能存储器之前由制冷系统冷却至比由制冷系统冷却的第一冷却剂更低的温度。此外，第一冷却系统和第二冷却系统的散热器出口管线通常在这个位置彼此靠近布置，这有利于热交换器的布置。
根据本发明的实施方式，第一冷却系统的散热器或散热器的一部分相对于第一气流的流动方向布置在第二冷却系统的散热器的下游位置中。在这种情况下，第二冷却系统中的第二冷却剂将被冷却至比第一冷却系统中的第一冷却剂更低的温度。第一冷却剂与第二冷却剂之间的这种温度差异是非常有利的，因为第二冷却剂冷却的电能存储器通常需要被冷却至比由第一冷却剂冷却的电力电子设备更低的温度。
根据本发明的替代实施方式，第一冷却系统的散热器或散热器的一部分相对于第一气流的流动方向布置在第二冷却系统的散热器的上游位置中。当环境空气的温度较高时，环境空气的冷却效果较低。在这种情况下，使用第一气流来冷却第一冷却系统中的第一冷却剂以便确保电力电子设备的冷却是非常有利的。在任何情况下，第二冷却剂可以由制冷系统冷却以便在该第二冷却剂进入电能存储器之前允许合适的低温。另一方面，当环境空气的温度较低时，环境空气的冷却效率较高。在这种情况下，通常由第二气流来冷却散热器中的第一冷却剂就足够了。第一气流中的散热器可以被旁通。结果，第二冷却剂通过环境温度的空气在位于下游的散热器中获得冷却。
根据本发明的实施方式，第一冷却系统的散热器或散热器的一部分相对于第一气流的流动方向布置在制冷系统的冷凝器的下游位置中。第一冷却系统的冷凝器和散热器的这种布置是有利的，因为制冷剂通常需要由低于第一冷却系统中的第一冷却剂的温度的空气冷却。
根据本发明的一个实施方式，每个散热器风扇可以由电动机驱动。电动机的速度容易调节，因此散热器风扇的速度和穿过散热器和冷凝器的冷却气流流量都容易调节。散热器风扇的速度可以由控制单元控制。控制单元可以接收与电能存储器和电力电子设备的温度有关的信息并且控制散热器风扇以便持续维持电能存储器和电力电子设备的合适的操作温度。
根据本发明的一个实施方式，第一冷却系统包括热交换器，通过该热交换器可以由外部热源加热第一冷却剂。在某些操作条件下，诸如在寒冷环境中冷启动后，电力电子元件的温度可能过低。在这种情况下，可以将热介质引导至热交换器并且由热源加热第一冷却剂。第一冷却剂则将电力电子设备的温度加热到合适的温度水平。冷却呈电机形式的热源的冷却剂可以用于加热第一冷却剂和电力电子设备。第二冷却系统可以包括热交换器，通过该热交换器可以由热源加热第二冷却剂。因此，在电能存储器的温度低于最低温度的情况下，可以提供该电能存储器的快速加热。冷却呈内燃机形式的热源的冷却剂可以用于将第二冷却剂和电能存储器加热至合适的温度水平。
根据本发明的实施方式，第一散热器风扇和第二散热器风扇定位在车辆中，使得它们提供相邻、平行且在相同方向上的第一气流和第二气流。在这种情况下，散热器风扇在车辆的表面处彼此相对靠近地布置。优选地，散热器风扇布置在车辆的前表面处。在这个位置中，冲击的空气将帮助散热器风扇提供第一气流和第二气流。
附图说明
在下面的本发明的优选实施方式中，作为示例并参照附图进行描述，其中：
图1示出了根据本发明的第一实施方式的冷却装置，
图2示出了根据本发明的第二实施方式的冷却装置，
图3示出了根据本发明的第三实施方式的冷却装置，以及
图4示出了根据本发明的第四实施方式的冷却装置。
具体实施方式
图1示出了用于示意性指示出的混合动力车辆1的冷却装置。混合动力车辆1由电机2和内燃机3提供动力。电机交替地作为电动机和发电机工作。混合动力车辆1包括用于存储电能的电能存储器4和用于控制电能在电能存储器4与电机2之间的流动的电力电子设备5。电能存储器4和电力电子设备5被设计为在相应的特定温度范围内工作。电能存储器4和电力电子设备5在操作期间被加热。因此，电能存储器4和电力电子设备5在操作期间需要被冷却。电力电子设备5被设计成具有比电能存储器4稍高的温度。在某些操作条件下，诸如在冷启动之后，电能存储器4和电力电子设备5的温度可能过低。在这种情况下，适合于加热电能存储器4和电力电子设备5。
混合动力车辆1包括具有第一循环冷却剂的第一冷却系统6。第一冷却系统6包括膨胀箱7。第一冷却剂还包括散热器8，该第一冷却剂在该散热器处被冷却。第一冷却剂经由散热器入口管线8a进入散热器8并且经由散热器出口管线8b离开散热器。散热器出口管线8b将第一冷却剂引导至泵9。泵9使第一冷却剂在第一冷却系统6中循环。泵9将第一冷却剂引导至热交换器10，第一冷却剂在该热交换器处可以被加热。在这种情况下，使用作为冷却电机2的冷却系统冷却的一部分的回路11来加热第一冷却剂。控制单元12借助于控制阀13调整流向热交换器10的介质流量。替代地，电加热器可以用于加热第一冷却剂。离开热交换器10的第一冷却剂进入电力电子设备5。第一冷却剂主要用于冷却电力电子设备5，但其也可以用于加热电力电子设备5。温度传感器14测量离开热交换器10的第一冷却剂的温度。最后，第一冷却剂返回到散热器8。
混合动力车辆1包括具有第二循环冷却剂的第二冷却系统15。第二冷却系统15包括膨胀箱16.第二冷却系统6进一步包括散热器17，在第一步骤中散热器17被冷却。第二冷却剂经由散热器入口管线17a进入散热器17并经由散热器出口管线17b离开散热器17。散热器入口管线17a包括旁通阀18.旁通阀18可以将第二冷却剂引导至散热器17或散热器旁通管线17c，引导第二冷却剂经过散热器17并引导至散热器出口管线17b。散热器出口管线17b将第二冷却剂引导至泵19.泵19使第二冷却剂在第二冷却系统15中循环。泵19将第二冷却剂引导至冷却器20，在第二冷却剂中冷却第二冷却剂。之后，第二冷却剂进入热交换器21，在该热交换器中第二冷却剂可以被加热。在这种情况下，作为冷却内燃机3的冷却系统的一部分的回路22用于加热第二冷却剂。控制单元12通过控制阀23调节流向热交换器21的冷却剂流量。替代地，电加热器可用于加热第二冷却剂。离开热交换器21的第二冷却剂进入电能存储器4.主要地，第二冷却剂用于冷却电能存储器4，但它也可以用于加热电能存储器4.温度传感器24测量温度当第二冷却剂离开电能存储器4时。第二冷却剂最后返回到散热器17。
混合动力车辆1包括具有循环冷却剂的制冷系统25。制冷系统25包括冷凝器26，制冷剂在该冷凝器处冷凝。液化的制冷剂被引导至膨胀阀27，该制冷剂在该膨胀阀处经历压降和显着较低的温度。之后，制冷剂进入呈第二冷却系统的冷却器20形式的蒸发器。制冷剂由冷却器20中的第二冷却剂加热，使得该制冷剂蒸发。蒸发的制冷剂被引导至压缩机28。压缩机28提供制冷剂的压缩。离开压缩机28并且进入冷凝器26的制冷剂具有升高的压力和升高的温度。
混合动力车辆1包括由电动机30驱动的散热器风扇29。控制单元12控制电动机30和散热器风扇29的速度。散热器风扇29提供穿过第一冷却系统的散热器8的一半和第二冷却系统的散热器17的第一气流31。第二冷却系统的散热器17相对于第一气流31的流动方向布置在第一冷却系统6的散热器8的一半的上游位置中。因此，第二冷却剂在散热器17中被冷却至比散热器8中的第一冷却剂更低的温度。混合动力车辆1包括由电动机33驱动的第二散热器风扇32。控制单元12控制电动机33和第二散热器风扇32的速度。第二散热器风扇32提供穿过第一冷却系统的散热器7的剩余一半和制冷系统的冷凝器26的第二气流34。制冷剂系统25的冷凝器26相对于第二气流34的流动方向布置在第一冷却系统6的散热器8的一半的上游位置中。通常，制冷剂在冷凝器26中被冷却至比在散热器8中的第一冷却剂更低的温度，但是它取决于冷凝器负载、冷凝器性能和散热器性能。
在混合动力车辆1的操作期间，控制单元12从第一温度传感器14接收关于第一冷却剂的温度的信息并且从第二温度传感器24接收关于第二冷却剂的温度的信息。冷却剂的温度涉及电能存储器4和电力电子设备5的温度。替代地，可以使用直接测量电能存储器4和电力电子设备5的温度的温度传感器。控制单元12控制第一散热器风扇29和第二散热器风扇32的速度，从而控制散热器8中的第一冷却剂的冷却。第一冷却剂在散热器8中被冷却至一温度，该第一冷却剂在该温度下冷却电力电子设备5。控制单元12控制第二散热器风扇33的速度和离开散热器17的第二冷却剂的温度。第二冷却剂在其冷却电能存储器4之前在第一步骤中在散热器17中被冷却并且在第二步骤中在冷却器20中被冷却。
在电力电子设备5具有过高温度的情况下，控制单元12可以增加第一风扇29的速度和/或第二风扇32的速度，使得第一冷却剂在散热器8中被冷却至较低温度。在电力电子设备5具有过低温度或不必要的低温的情况下，控制单元12可以降低散热器风扇29的实际速度和/或第二风扇32的实际速度，使得离开散热器的第一冷却剂被冷却至稍高的温度。替代地或组合地，控制单元12可以打开阀13，使得冷却电机2的介质在第一冷却剂到达电力电子设备5之前加热该第一冷却剂。
在电能存储器4具有过高温度的情况下，控制单元12可以增加第一风扇29的速度，使得第二冷却剂在散热器17中被冷却至较低温度。替代地或组合地，控制单元12可以在冷却器20中的第二冷却剂进入电能存储器4之前在第二步骤中启动压缩机28并且提供该第二冷却剂的冷却。为了进一步增加第二冷却剂的冷却，控制单元12可以增加散热器风扇32的实际速度，使得制冷剂在冷凝器26中接收较低的冷凝温度，导致冷却器20中的第二冷却剂的冷却增加。在电能存储器4具有过低温度的情况下，控制单元12可以降低第一散热器风扇29的实际速度和散热器17中的第二冷却剂的冷却。替代地，控制单元12可以降低第二散热器风扇32的实际速度并且降低冷凝器26中的制冷剂的冷却。此外，控制单元12可以将旁通阀18设置在旁通位置，在该旁通位置中，该旁通阀将第二冷却剂的流动引导至旁通管路17并且绕过散热器17。控制单元12还可以关闭压缩机制冷系统25的压缩机28。结果，第二冷却剂在冷却器20中不接受冷却。最后，控制单元12可以打开阀23，使得冷却剂内燃机3的冷却剂在第二冷却剂进入电能存储器4之前在热交换器21中加热该第二冷却剂。
因此，控制单元12具有许多选项以在第一冷却剂和第二冷却剂冷却电能存储器4和电力电子设备5之前调节该第一冷却剂和第二冷却剂的温度。控制单元12可以访问关于在电能存储器4和电力电子设备5的不同温度期间的最高能效选项的信息。控制单元12选择最高能效选项来维持或调节电能存储器4和电力电子设备5的实际温度。最高能效可以定义为向散热器风扇29，30和制冷系统25的压缩机28供应最少的电能。
图2示出了冷却装置的替代实施方式。在这种情况下，散热器8被分成两个较小的散热器81，82。与单一较大的散热器8相比，通常更容易找到用于两个较小的散热器81，82的空间。此外，第一冷却系统包括旁通管线35、第一旁通阀36和第二旁通阀37。控制单元12可以将第一旁通阀36设置在非旁通位置或旁通位置，在该非旁通位置中，该第一旁通阀将第一冷却剂流引导至由第二气流34冷却的散热器82或者处于旁通位置，在该旁通位置中，该第一旁通阀引导第一冷却剂流绕过散热器81，82。控制单元12可以将第二旁通阀37设置在非旁通位置或旁通位置，在该非旁通位置中，该第二旁通阀将第一冷却剂流引导至由第一气流31冷却的散热器81，在该旁通位置中，该第二旁通阀引导第一冷却剂流绕过由第一气流31冷却的散热器81。在这种情况下，控制单元12实现调整第一冷却剂的温度和电力电子设备5的冷却/加热的另外选项。
图3示出了冷却装置的另一替代实施方式。在这种情况下，热交换器38用于在散热器出口管线8b中的第一冷却剂与散热器出口管线17b中的第二冷却剂之间传导热能。在这种情况下，第一冷却剂与第二冷却剂之间的温度差异可以基本上消除。在运行条件期间，当电机2加热热交换器10中的第一冷却剂时，可以通过热交换器38中的第一冷却剂和电能存储器4加热第二冷却剂。在运行状态期间，当电机2加热热交换器21中的第二冷却剂时，可以通过热交换器38中的第二冷却剂和电力电子设备5加热第一冷却剂。
图4示出了冷却装置的另一替代实施方式。在这种情况下，第一气流31中的散热器81，17已经改变位置。结果，第二冷却系统15中的散热器17相对于第一气流31的流动方向布置在第一冷却系统6中的散热器81的下游。当环境空气具有高温时，第一气流31提供位于上游的散热器81中的第一冷却剂的有效冷却。然而，在这种情况下，存在第一气流加热位于下游的散热器17中的第二冷却剂的风险。当这种风险存在时，第二冷却剂被引导到旁通管线17c并且绕过散热器17。在这种情况下，第二冷却剂由制冷剂系统在冷却器20中冷却至低温。当环境空气具有低温时，旁通阀36可将第一冷却剂引导至旁通管线35b并且此绕过散热器81。在这种情况下，第一冷却剂通过第二气流34在散热器82中实现必要的冷却。第一气流31在环境空气温度下进入位于下游的散热器17，并且提供在第二冷却系统15中的第二冷却剂的有效冷却。
冷却装置的上述实施方式可以与包括两个独立控制的冷却气流31，34的基础结构相比具有相对较小的变化。因此，相对不复杂的是将冷却系统6，15的散热器8，81，82，17和制冷剂系统的冷凝器26在第一气流31和第二气流34中相对于彼此布置在不同位置。此外，容易的是选择性地将热交换器38布置到散热器出口管线8b，17b，该散热器出口管线在两个冷却系统的冷却剂之间提供热传递。最后，可以将热交换器10，21或其他种类的加热元件布置在加热冷却剂的相应冷却系统中。因此，冷却装置包括可以容易地添加、移除或由其他部件替换的多个部件。
本发明决不局限于附图所涉及的实施方式，而是可以在权利要求的范围内自由地变化。

Claims (15)

1.用于车辆(1)中的电力单元的冷却装置，其中电力单元包括电机(2)、用于存储电能的电能存储器(4)和用于控制电能在电能存储器(4)与电机(2)之间的流动的电力电子设备(5)，并且其中冷却装置包括具有冷却电力电子设备(5)的循环第一冷却剂的第一冷却系统(6)、具有冷却电能存储器(4)的循环第二冷却剂的第二冷却系统(15)和配置成在冷却器(20)中冷却第二冷却系统(15)中的第二冷却剂的制冷系统(25)，其特征在于，冷却装置包括配置成提供第一气流(31)的第一散热器风扇(29)和配置成提供第二气流(34)的第二散热器风扇(32)，所述第一气流穿过第一冷却系统(6)的散热器(8，81)的至少一部分和第二冷却系统(15)的散热器(17)，所述第二气流穿过第一冷却系统(6)的散热器(8，82)的至少一部分和制冷系统(25)的冷凝器(26)。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统(6)包括单一散热器(8)，所述单一散热器具有由第一气流(31)冷却的第一部分和由第二冷却剂气流(34)冷却的第二部分。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统包括由第一气流(31)冷却的第一散热器(81)和由第二气流(34)冷却的第二散热器(82)。
4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统(6)包括至少一个旁通阀(36，37)和旁通管线(35)，所述至少一个旁通阀和旁通管线允许冷却剂流绕过第一冷却系统(6)的至少一个散热器(81，82)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第二冷却系统(15)包括旁通阀(18)和旁通管线(17c)，所述旁通阀和旁通管线允许冷却剂流绕过第二冷却系统(15)的散热器(17)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括热交换器(38)，所述热交换器提供在第一冷却系统(6)中的第一冷却剂与在第二冷却系统(15)中的第二冷却剂之间的热传递。
7.根据权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，所述热交换器(38)提供在第一冷却系统(6)的散热器出口管线(8b)中的第一冷却剂与在第二冷却系统(15)的散热器出口管线(17b)中的第二冷却剂之间的热传递。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统(6)的散热器(81)或散热器(8)的一部分相对于第一气流(31)的流动方向布置在第二冷却系统(15)的散热器(17)的下游位置中。
9.根据前述权利要求1-7中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统(6)的散热器(81)或散热器(8)的一部分相对于第一气流(31)的流动方向布置在第二冷却系统(15)的散热器(17)的上游位置中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统(6)的散热器(82)或散热器(8)的一部分相对于第一气流(31)的流动方向布置在制冷系统的冷凝器(26)的下游位置中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，每个散热器风扇(29，32)由电动机(30，33)驱动。
12.根据权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，散热器风扇(29，32)的速度由控制单元(12)控制。
13.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第一冷却系统(6)包括热交换器(10)，通过所述热交换器能够由外部加热源(2)加热第一冷却剂。
14.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第二冷却系统(15)包括热交换器(21)，通过所述热交换器可以由外部加热源(3)加热第二冷却剂。
15.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其特征在于，第一散热器风扇(29)和第二散热器风扇(32)定位在车辆(1)中，使得它们提供相邻、平行且在相同方向上的第一气流(31)和第二气流(34)。
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