CN109362232A - 一种用于车辆中的电动力单元的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆(1)中的电动力单元的冷却系统。该冷却系统包括：高温冷却回路(6)，其具有冷却电力电子器件(5)的循环的冷却剂；第一散热器(8)，其布置在高温冷却回路(6)中；低温冷却回路(15)，其具有冷却电能存储件(4)的循环的冷却剂；和第二散热器(17)，其布置在低温冷却回路(15)中。冷却系统包括：第一流动装置(18、19)，其能够引导低温冷却回路(15)中的冷却剂绕过第二散热器(17)；和第二流动装置(36‑39)，其能够将高温冷却回路中的冷却剂引导到第一个散热器(8)，在其中它在第一步骤中冷却，然后引导到第二散热器(17)，在其中它在第二步骤中冷却，然后用于冷却电力电子器件(5)。

Description

一种用于车辆中的电动力单元的冷却系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于车辆中的电动力单元的冷却系统。
背景技术
混合动力车辆可以由电动力单元与一些其他形式的动力单元(诸如内燃机)组合提供动力。电动力单元可包括交替地用作马达(motor)和发电机(generator)的电机、用于存储电能的电能存储件、和用于控制电能存储件和电机之间电能的流动的电力电子器件。所述电力电子器件可以包括DC转换器和逆变器，用于在电能存储件和电机之间传导电能。在操作期间，电能存储件和电力电子器件被加热。所述电能存储件和所述电力电子器件设计为在特定温度范围内操作。电能存储件可具有在20-25℃的温度范围内的最佳有效操作温度。电力电子器件经常可承受高达约60-70℃的温度。因此，适合用不同温度的冷却剂冷却电能存储件和电力电子器件。此外，电能存储件温度太低则其效率降低。因此，当其温度太低时，在操作条件期间加热电能存储件也是适合的。
DE102014115377A1示出了一种用于机动车辆的冷却系统，其包括安装在机动车辆的前部区域中的至少第一散热器和第二散热器。冷却系统包括冷却电池的第一回路和冷却电力电子部件的第二回路。冷却系统包括能够选择性地将第一回路连接到第一散热器以及将第二回路连接到第二散热器的阀。此外，所述阀能够将第一回路与第一散热器分开并将第二回路连接到第一散热器和第二散热器，所述各散热器并联布置。或者，所述阀能够将第二回路从第二散热器分开，并将第一回路连接到并联布置的所述各散热器。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冷却电能存储件和电力电子器件的冷却系统，其能够在周围空气温度和冷却需求很高的操作条件期间防止电力电子器件被加热到太高的温度。
上述目的是通过根据权利要求1的特征部分的冷却系统实现的。电力电子器件由在高温冷却回路中的冷却剂冷却，并且电能存储件由在低温冷却回路中的冷却剂冷却。使用具有不同冷却剂温度的两个冷却回路使得提供电能存储件和电力电子器件的独立冷却是可能的。在当周围空气温度比电能存储件的最佳有效操作温度更高或接近电能存储件的最佳有效操作温度的情况下，不可能利用周围空气在第二散热器中将冷却剂冷却到足以冷却电能存储件的低温度。在这种情况下，将由制冷系统冷却电能存储件。在这样的操作条件期间，第一流动装置引导低温冷却回路中的冷却剂经由旁通管线绕过第二散热器。由于低温冷却回路不使用第二散热器，因此它可以由高温冷却回路使用。因此，第二流动装置将已经在第一散热器中的第一步骤中冷却的冷却剂从高温冷却回路引导到第二散热器。当冷却剂已经在第二步骤中在第二散热器中冷却时，所述冷却剂被引导回高温冷却回路。由于冷却剂被引导串联通过第一散热器和第二散热器，因此可以将冷却剂冷却到低温。基本上总是可以在第二步骤中在第二散热器中将冷却剂冷却到足够低的温度，以将电力电子器件冷却到有效的操作温度。因此，在周围空气温度和冷却需求非常高的操作条件期间，不必使用额外的散热器来冷却高温冷却回路中的冷却剂。
根据本发明的实施方式，第二流动装置包括：第一连接管线，该第一连接管线具有在第一端和第二端之间的延伸部，所述第一端在第一散热器下游的位置中连接到高温冷却回路，所述第二端在第二散热器上游的位置中连接到低温冷却回路；第一阀装置，其配置成控制冷却剂流动通过第一连接管线；第二连接管线，其具有在第一端和第二端之间的延伸部，所述第一端在第二散热器下游的位置中连接到低温冷却回路，所述第二端在第一连接管线的第一端的下游的位置中连接到高温冷却回路；以及第二阀装置，其配置成控制冷却剂流动通过第二连接管线。第一连接管线和第一阀装置使得易于将已经在第一步骤中在第一散热器中冷却的冷却剂引导至低温冷却回路中的第二散热器。第二连接管线和第二阀装置使得易于一旦冷却剂已经在第二散热器中冷却就将冷却剂引导回高温冷却回路。
根据本发明的实施方式，第一阀装置是布置在第一连接管线的第一端或第二端中的第一三通阀。因此，第一三通阀可以布置在第一连接管线和高温冷却回路之间的连接点中，或者布置在第一连接管线和低温冷却回路之间的连接点中。或者，第一阀装置可包括：二通阀，其布置在第一连接管线中的其各端部之间的位置中；以及补充的二通阀，其布置在高温冷却回路或低温冷却回路的合适位置中。
根据本发明的实施方式，第二阀装置是布置在第二连接管线的第一端或第二端中的第二三通阀。因此，第二三通阀可以布置在第二连接管线和高温冷却回路之间的连接点中，或者布置在第二连接管线和低温冷却回路之间的连接点中。或者，第二阀装置包括：二通阀，布置在第二连接管线中的其各端部之间的位置中；以及补充的二通阀，布置在高温冷却回路或低温冷却回路的合适位置中。
根据本发明的实施方式，第一流动装置包括：旁通管线，其具有在第一端和第二端之间的延伸部，所述第一端在第二散热器上游的位置中连接到低温冷却回路，所述第二端在第二散热器下游的位置中连接到低温冷却回路；以及旁通阀装置，其配置成控制冷却剂流动通过旁通管线。旁通管线和旁通阀装置使得容易地可替代地将低温冷却回路中的冷却剂引导到第二散热器或绕过第二散热器。旁通阀装置可以是布置在旁通管线的第一端或第二端中的三通阀。或者，旁通阀装置包括：二通阀，其布置在旁通管线中的所述各端部之间的位置中；以及二通阀，其布置在低温冷却回路中的合适位置中。
根据本发明的实施方式，旁通管线的第一端在低温冷却回路中布置在第一连接管线的第二端上游的位置中。这种设计是必要的，以避免低温冷却回路中的冷却剂与高温冷却回路中的冷却剂混合。旁通管线的第二端在低温冷却回路中布置在第二连接管线的第一端下游的位置中。这种设计也是必要的，以避免在各个冷却回路中混合冷却剂。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括控制单元，该控制单元被配置为接收关于电能存储件的温度和电力电子器件的温度的信息，并且借助于这些信息来控制冷却系统。在这种情况下，控制单元可以接收关于在低温冷却回路中当冷却剂已经冷却电能存储件时冷却剂的温度和在高温冷却回路中当冷却剂已经电力电子器件时冷却剂的温度的信息。如果电能存储件和/或电力电子器件的温度不在有效的操作温度范围内，则控制单元提供调节高温冷却回路和/或低温冷却回路中的冷却功率的措施。
根据本发明的实施方式，冷却系统被配置为接收关于周围空气温度的信息并控制阀装置，使得当周围空气温度超过预定温度时，来自高温冷却回路的冷却剂在第一散热器中的第一步骤中冷却，以及在第二步骤中在第二散热器中冷却。在周围空气温度高于或接近电能存储件的有效操作温度的情况下，不可能使用第二散热器将低温冷却回路中的冷却剂冷却到足够低的温度以冷却电能存储件。在这种情况下，控制单元借助于旁通阀将低温冷却回路中的冷却剂引导至旁通管线。如果同时电力电子器件的温度高，则控制单元控制阀装置，使得高温冷却回路中的冷却剂在第一步骤中在第一散热器中冷却，在第二步骤中在第二散热器中冷却，然后引导冷却剂到电力电子设备。该措施导致将冷却剂冷却到足够低的温度以将电力电子器件冷却到有效的操作温度。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括：第一散热器风扇，配置为提供通过第一散热器的第一部分和第二散热器的第一空气流；以及第二散热器风扇，配置为提供通过第一散热器的第二部分和制冷系统中的冷凝器的第二空气流。在某些情况下，有利的是提供通过各散热器的不同大小的空气流。第一散热器的所述第一部分相对于第一空气流的预期流动方向布置在第二散热器下游的位置中。在这种情况下，低温冷却回路中的冷却剂被冷却到比高温冷却回路中的冷却剂更低的温度。相应的冷却回路中的冷却剂之间的这种温度差是必要的，以便将电能存储件冷却到比电力电子器件更低的温度。
根据本发明的实施方式，第一散热器的所述第二部分相对于第二空气流的方向布置在制冷系统中的冷凝器的下游的位置中。冷凝器和第一散热器的这种布置是有利的，因为制冷剂经常需要被冷却到比高温冷却回路中的冷却剂更低的温度。
根据本发明的实施方式，每个散热器风扇可以由电马达驱动。电马达的速度很容易调节，也因此散热器风扇的速度和通过散热器和冷凝器的冷却空气流的速度也容易调节。散热器风扇的速度可以由控制单元控制。控制单元可以接收关于电能存储件和电力电子器件的温度的信息，以及控制散热器风扇，以便连续地维持电能存储件和电力电子器件的有效操作温度。
附图说明
在下文中，作为示例，并且参考附图描述了本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的实施方式的冷却系统。
具体实施方式
图1示出了用于示意性示出的混合动力车辆1的冷却系统。混合动力车辆1由电机2和内燃机3提供动力。电机交替地作为马达和发电机工作。混合动力车辆1包括用于存储电能的电能存储件4和用于控制电能存储件4和电机2之间的电能的流动的电力电子器件5。电能存储件4和电力电子器件5在操作期间被加热。因此，在操作期间需要冷却电能存储件4和电力电子器件5。电能存储件4和电力电子器件5设计成在相应的特定温度范围内工作。电能存储件4设计成具有比电力电子器件5更低的温度。电能存储件4可以具有在20-25℃的温度范围内的最佳效率温度。电力电子器件5可经常承受高达约60-70℃的温度。在诸如冷启动之后的某些操作条件期间，电能存储件4的温度可能太低。在这种情况下，适合使用冷却系统来加热电能存储件4。
冷却系统包括具有循环冷却剂的高温冷却回路6。高温冷却回路6在图1中用双线表示。高温冷却回路6包括膨胀箱7。高温冷却回路还包括第一散热器8，冷却剂在其中冷却。冷却剂经由第一散热器入口管线8a进入第一散热器8，并经由第一散热器出口管线8b离开第一散热器。第一散热器出口管线8b将冷却剂引导至泵9，所述泵使冷却剂在高温冷却回路6中循环。泵9将冷却剂引导至第一热交换器10。冷却剂冷却第一热交换器10中的油，所述油在回路11中循环用于冷却电机2。离开第一热交换器10的冷却剂进入电力电子器件5。温度传感器14测量离开电力电子器件5的冷却剂的温度。最后，在高温冷却回路6中的冷却剂返回到第一散热器8。因此，高温冷却回路中的冷却剂用于冷却电力电子器件5。
冷却系统包括具有循环冷却剂的低温冷却回路15。低温冷却回路15包括膨胀箱16。低温冷却回路15还包括第二散热器17，低温冷却回路15中的冷却剂在其中被冷却。冷却剂经由第二散热器入口管线17a进入第二散热器17，并经由第二散热器出口管线17b离开第二散热器17。第二散热器入口管线17a包括旁通阀装置19。所述旁通阀装置19可引导冷却剂至第二散热器17或引导冷却剂绕过第二散热器17并到第二散热器出口管线17b。第二散热器出口管线17b将冷却剂引导至泵20，所述泵使冷却剂在低温冷却回路15中循环。泵20将冷却剂引导至制冷器21，在其中低温冷却回路15中的冷却剂被冷却。此后，冷却剂进入第二热交换器22，在其中冷却剂可以由来自冷却内燃机3的冷却系统的冷却剂加热。在这种情况下，使用具有冷却剂的第二加热回路23来加热低温冷却回路中的冷却剂。控制单元12借助于阀24调节通向第二热交换器22的冷却剂流。或者，可以使用电加热器来加热低温冷却回路中的冷却剂。离开第二热交换器22的冷却剂进入电能存储件4。温度传感器25测量当冷却剂离开电能存储件4时的冷却剂的温度。在冷却剂进入电能存储件4之前测量冷却剂的温度也是可能的。最后，低温冷却回路15中的冷却剂返回到第二散热器17。因此，低温冷却回路中的冷却剂用于冷却电能存储件4，但它也可用于加热电能存储件4。
冷却系统包括第一连接管线38，所述第一连接管线具有在第一端381和第二端382之间的延伸部，所述第一端在第一散热器8下游的位置中连接到高温冷却回路6，所述第二端在第二散热器17上游的位置中连接到低温冷却回路15。以第一三通阀36形式的第一阀装置配置成控制冷却剂流动通过第一连接管线38。冷却系统还包括第二连接管线39，所述第二连接管线具有在第一端391和第二端392之间的延伸部，所述第一端在第二散热器17下游的位置中连接到低温冷却回路6，所述第二端在第一连接管线38的第一端381下游的位置中连接到高温冷却回路6。以第二三通阀37形式的第二阀装置配置成控制冷却剂流动通过第二连接管线39。旁通管线18的第一端181布置在第二散热器17和第一连接管线38的第二端382的上游的位置中。旁通管线18的第二端182布置在第二散热器17和第二连接管线39的第一端391下游的位置中。旁通阀装置18和三通阀36、37由控制单元12控制。
混合动力车辆1包括具有循环制冷剂的制冷系统26。所述制冷系统26包括冷凝器27，制冷剂在其中冷凝。液化的制冷剂被引导至膨胀阀28，在其中它经历压降和显着更低的温度。此后，制冷剂在低温冷却回路中进入以制冷器21形式的蒸发器。制冷剂被制冷器21中的冷却剂加热，使得它蒸发。蒸发的制冷剂被引导到压缩机29。所述压缩机29提供制冷剂的压缩，使得当其离开压缩机29并进入冷凝器27时，制冷剂具有增加的压力和升高的温度。
冷却系统包括由第一电马达31驱动的第一散热器风扇30。控制单元12控制第一电马达31和第一散热器风扇30的速度。散热器风扇30提供通过高温冷却回路中的第一散热器8的一半和低温冷却回路中的第二散热器17的第一空气流32。第二散热器17相对于第一空气流32的流动方向布置在第一散热器8上游的位置中。因此，第二散热器17中的冷却剂被冷却到比第一散热器8中的冷却剂更低的温度。冷却系统包括由第二电马达34驱动的第二散热器风扇33。控制单元12控制第二电马达34和第二散热器风扇33的速度。第二散热器风扇33提供通过第一散热器8的剩余一半和制冷系统的冷凝器27的第二空气流35。制冷剂系统26的冷凝器27相对于第二空气流35的流动方向布置在第一散热器8上游的位置中。经常，制冷剂在冷凝器27中被冷却到比第一散热器8中的冷却剂更低的温度，但这取决于冷凝器负载、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接收关于来自第一温度传感器14的冷却剂的温度的信息和关于来自第二温度传感器25的冷却剂的温度的信息。冷却剂的温度与电能存储件4和电力电子器件5的温度有关。可选地，可以使用直接测量电能存储件4和电力电子器件5的温度的温度传感器。控制单元12控制第一散热器风扇30和第二散热器风扇33的速度，以及因此第一散热器8中的冷却剂的冷却。冷却剂在第一散热器8中被冷却到其提供电力电子器件5的合适冷却的温度。控制单元12控制第二散热器风扇34的速度和第二散热器17中冷却剂的冷却。在冷却剂冷却电能存储件4之前，低温冷却回路15中的冷却剂在第二散热器17和/或制冷器21中冷却。
在电能存储件4的温度太低的情况下，控制单元12可以降低第一散热器风扇30的实际速度和第二散热器17中冷却剂的冷却。或者，控制单元12可以降低第二散热器风扇33的实际速度和降低冷凝器27中制冷剂的冷却。此外，控制单元12可以将旁通阀装置19设定在旁通位置中，在其中所述旁通阀装置引导冷却剂流经由旁通管线18绕过第二散热器17。控制单元12还可以关闭压缩机制冷系统26的压缩机29。结果，冷却剂不接收制冷器21中的冷却。最后，控制单元12可以打开阀24，使得在第二热交换器22中冷却内燃机3的冷却剂加热的冷却剂，然后冷却剂进入电能存储件4。
在电能存储件4的温度太高的情况下，控制单元12可以增加第一风扇30的速度，使得冷却剂在第二散热器17中冷却到更低温度。可替代地或组合地，控制单元12可以启动压缩机29并在第二步骤中提供冷却剂在制冷器21中的冷却，然后冷却剂进入电能存储件4。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33的实际速度，使得制冷剂在冷凝器27中接收更低的冷凝温度，导致在制冷器21中冷却剂的冷却增加。
在电力电子器件5的温度太低的情况下，控制单元12可以降低散热器风扇30的实际速度和/或第二风扇33的实际速度，使得离开第一散热器8的冷却剂接收多少更高的温度。
在电力电子器件5的温度太高的情况下，控制单元12可以增加第一风扇30的速度和/或第二风扇33的速度，使得第一冷却剂在散热器8中被冷却到更低温。然而，在周围空气的温度为20℃或更高的情况下，不可能使用第二散热器17将低温冷却回路15中的冷却剂冷却到足够低的温度以冷却电能存储件4到有效的操作温度。在这种情况下，制冷系统26必须供应电能存储件4的全部冷却电力。控制单元12控制旁通阀装置19，使得其引导低温冷却回路中的冷却剂经由旁通管线18绕过第二散热器17。此外，控制单元12控制第一三通阀36，使得其引导离开第一散热器8的冷却剂经由第一连接管线38到在旁通阀装置19下游的位置中的第二散热器入口管线17a。此外，控制单元12控制第二三通阀37，使得其引导离开第二散热器17的冷却剂经由第二连接管线39回到在高温冷却回路6中的第一三通阀36下游的位置中的第一散热器出口管线17a。在这种情况下，高温冷却回路中的冷却剂在第一步骤中在第一散热器8中冷却，并且在第二步骤中在第二散热器17中冷却。该措施导致引导向电力电子器件5的冷却剂的温度更低。
因此，控制单元12具有许多选择，以在冷却剂冷却电能存储件4之前调节低温冷却回路15中冷却剂的温度，以及在冷却剂冷却电力电子器件5之前调节高温冷却回路6中冷却剂的温度。控制单元12可以获取关于将电能存储件4和电力电子器件5冷却到效率操作温度范围内的温度的最节能的选择的信息。最节能的选择可以定义为向散热器风扇30、31和向制冷系统26的压缩机29的最小电能供应。
本发明不以任何方式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变化。

Claims (15)

1.一种用于车辆(1)中的电动力单元的冷却系统，其中，所述电动力单元包括：电机(2)、用于存储电能的电能存储件(4)和用于控制电能存储件(4)和电机(2)之间的电能的流动的电力电子器件(5)，并且其中，冷却系统包括：具有冷却电力电子器件(5)的循环的冷却剂的高温冷却回路(6)、布置在高温冷却回路(6)中的第一散热器(8)、具有冷却电能存储件(4)的循环的冷却剂的低温冷却回路(15)、布置在低温冷却回路(15)中的第二散热器(17)、和配置成在制冷器(21)中冷却低温冷却回路(15)中的冷却剂的制冷系统(26)，其特征在于，在当不可能利用周围空气在第二散热器(17)中将冷却剂冷却到足以冷却电能存储件(4)的低温度的操作条件期间，冷却系统包括：引导低温冷却回路(15)中的冷却剂绕过第二散热器(17)的第一流动装置(18、19)，和第二流动装置(36-39)，其将高温冷却回路中的冷却剂引导到第一散热器(8)，在其中冷却剂在第一步骤中冷却，以及然后引导到第二散热器(17)，在其中冷却剂在第二步骤中冷却，然后用于冷却电力电子器件(5)。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述第二流动装置包括：第一连接管线(38)，其具有在第一端(381)和第二端(382)之间的延伸部，所述第一端在第一散热器(8)下游的位置中连接到所述高温冷却回路(15)，所述第二端在第二散热器(17)上游的位置中连接到低温冷却回路(15)；第一阀装置(36)，其配置成控制冷却剂流动通过第一连接管线(38)；第二连接管线(39)，其具有在第一端(391)和第二端(392)之间的延伸部，所述第一端在第二散热器(17)下游的位置中连接到低温冷却回路(6)，所述第二端在第一连接管线(38)的第一端(381)下游的位置中连接到高温冷却回路(6)；和第二阀装置(37)，配置成控制冷却剂流动通过第二连接管线(39)。
3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述第一阀装置是布置在所述第一连接管线(38)的第一端(381)或第二端(382)处的三通阀(36)。
4.根据权利要求2或3所述的冷却系统，其特征在于，所述第二阀装置是布置在所述第二连接管线(39)的第一端(391)或第二端(392)处的三通阀(37)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述第一流动装置包括：旁通管线(18)，所述旁通管线具有在第一端(181)和第二端(182)之间的延伸部，所述第一端在第二散热器(17)上游的位置中连接到所述低温冷却回路(15)，所述第二端在第二散热器(17)下游的位置中连接到低温冷却回路(15)；和旁通阀装置(19)，其配置成控制冷却剂流动通过旁通管线(18)。
6.根据权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述旁通阀装置是布置在所述旁通管线(18)的第一端(181)或第二端(182)处的三通阀(19)。
7.根据权利要求2和5所述的冷却系统，其特征在于，旁通管线(18)的第一端(181)在低温冷却回路(15)中布置在第一连接管线(38)的第二端(382)上游的位置中。
8.根据权利要求2和5中任一项所述的冷却系统，其特征在于，旁通管线(18)的第二端(182)在低温冷却回路(15)中布置在第二连接管线(39)的第一端(391)下游的位置中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括控制单元(12)，其被配置为接收关于所述电能存储件(4)的温度和所述电力电子器件(5)的温度的信息，并借助于该信息控制冷却系统。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统被配置为：接收关于周围空气温度(40)的信息，并且控制所述阀装置(36、37)，使得当周围空气温度(40)超过预定温度时，所述高温冷却回路中的冷却剂在第一步骤中在第一散热器(8)中冷却，以及在第二步骤中在第二散热器(17)中冷却。
11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括：第一散热器风扇(30)，其配置成提供第一空气流(32)通过所述第一散热器(8)的第一部分和所述第二散热器(17)；和第二散热器风扇(33)，其配置成提供第二空气流(35)通过第一散热器(8)的第二部分和制冷系统(26)的冷凝器(27)。
12.根据权利要求11所述的冷却系统，其特征在于，第一散热器(8)的所述第一部分相对于所述第一空气流(32)的预期流动方向布置在所述第二散热器(17)下游的位置中。
13.根据权利要求11所述的冷却系统，其特征在于，第一散热器(8)的所述第二部分相对于所述第二空气流(35)的流动方向布置在所述制冷系统的冷凝器(27)下游的位置中。
14.根据权利要求11所述的冷却系统，其特征在于，每个散热器风扇(30、33)由电马达(31、34)驱动。
15.根据权利要求14所述的冷却系统，其特征在于，散热器风扇(30、33)的速度由控制单元(12)控制。
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