CN109642487A - 用于车辆中电力单元的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆(1)中的电力单元的冷却系统。冷却系统包括电机(2)、电能存储件(4)和电力电子器件(5)。冷却系统包括：高温回路(6)，其具有在车辆(1)操作期间冷却电力电子器件(5)的循环冷却剂，高温散热器(8)，低温回路(15)，具有配置成在车辆(1)操作期间冷却电能存储件(4)的循环冷却剂，和低温散热器(17)。冷却系统配置成当电能存储件(4)由外部电源(43)充电时设定在充电模式中，并且冷却系统包括部件(20、38、40、41)，其配置成在充电模式中为冷却剂产生更改的流动回路，其中，冷却剂在低温散热器(17)中和高温散热器(8)中被冷却，然后冷却剂被引导到电能存储件(4)。

Description

用于车辆中电力单元的冷却系统
技术领域和背景技术
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于车辆中电力单元的冷却系统。
插电式混合动力电动车辆可以由电力单元与诸如内燃机的一些其他形式的动力单元组合提供动力。电力单元可包括交替地用作马达和发电机的电机、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的电能流动的电力电子器件。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。电能存储件和电力电子器件在操作期间被加热。电能存储件和电力电子器件设计为在特定温度范围内操作。电能存储件可以在20-25℃的温度范围内具有最佳效率。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。
插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车可以在充电站快速充电。在这种情况下，在很短的时间内将大量电能供应到电能存储件。结果，电能存储件将被加热。为了避免在充电过程中损坏电能存储件，必须将其冷却。此外，将电能存储件冷却到其效率工作温度范围内的温度有利于充电过程。
DE 10 2014 115 377 A1示出了一种冷却系统，其包括至少一个高温散热器和安装在机动车辆前部区域中的低温散热器。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高温散热器并且将第二回路连接到低温散热器的阀。此外，所述阀能够将第一回路与高温散热器分开，并将第二回路连接到高温散热器和低温散热器，所述各散热器并联布置。或者，所述阀能够将第二回路与低温散热器分开，并将第一回路连接到并联布置的散热器。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却系统，用于在车辆操作期间冷却车辆中的电能存储件和电力电子器件，该冷却系统还能够在电能存储件由外部电源充电时对其进行充分冷却。
通过根据权利要求1的冷却系统实现上述目的。冷却系统包括在车辆操作期间用于冷却电能存储件的低温回路和用于冷却电力电子器件的高温回路。在快速充电过程期间，在电能存储件中产生的热能比在车辆操作期间产生的热能多。因此，低温回路经常不能在快速充电过程期间对电能存储件进行充分冷却。然而，在充电过程期间不需要冷却电力电子器件。鉴于这一事实，在充电过程期间，除了低温回路中的散热器之外，还可以使用高温回路中的散热器，以便将冷却剂冷却到必要的低温，然后冷却剂冷却电能存储件。根据本发明，冷却系统包括配置成在充电模式中为冷却剂产生更改的流动回路的部件，其中，冷却剂在低温散热器中和高温散热器中被冷却，然后被引导到电能存储件。在这种情况下，冷却剂在两个散热器中串联冷却。高温散热器中冷却剂的额外冷却显着增加了冷却系统的冷却能力。在充电模式中冷却系统的增加的冷却能力使得当电能存储件由外部电源快速充电时可以提供电能存储件的充分冷却。在这种情况下，可以防止电能存储件加热到过高的温度，这会缩短电能存储件的寿命。
根据本发明的实施方式，所述部件包括：第一阀构件，其配置成在充电模式中，在高温散热器的上游位置中引导冷却剂从低温回路经由第一连接管线到高温回路，以及第二阀构件，其配置成在充电模式中，当冷却剂已经在高温散热器中冷却后，引导冷却剂经由第二连接管线返回到低温回路。这种部件在充电模式中以简单的方式产生更改的流动回路。
根据本发明的实施方式，连接管线在低温散热器下游的位置中连接到低温回路。在这种情况下，在第一步骤中冷却剂在低温散热器中被冷却，然后被引导到高温回路，在其中在第二步骤中冷却剂在高温散热器中被冷却。或者，连接管线在低温散热器上游位置中连接到低温回路。在这种情况下，将冷却剂从低温回路引导到高温回路中的高温散热器，然后冷却剂到达低温散热器。当冷却剂在高温散热器中已经被冷却后，它被引导回到低温回路，在其中在第二步骤中冷却剂在低温散热器中被冷却。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括单向阀，该单向阀布置在高温回路中，位于第一连接管线的连接点的上游位置中。单向阀的存在确保来自低温回路的整个冷却剂流被引导到高温回路中的高温散热器而不是在相反的方向中。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括制冷系统，该制冷系统配置成在冷却器中冷却低温回路中的冷却剂，并且在充电模式中，在第三步骤中将冷却剂在冷却器中冷却，然后冷却电能存储件。当环境温度高时，在低温散热器和高温散热器中经常不足以冷却冷却剂以维持电能存储件的充分温度。冷却器的存在使得在第三步骤中可以将冷却剂冷却到比环境温度更低的温度，然后冷却剂冷却电能存储件。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括充电单元，该充电单元配置成在电能存储件充电期间，从外部电源接收电能并将其传递到电能存储件，并且更改的回路中的循环冷却剂也用于冷却充电单元。经常，插电式混合动力电动车辆包括用于对电能存储件充电的某种充电单元。充电单元包括在充电过程中被加热并需要冷却的电部件。
根据本发明的实施方式，冷却系统包括控制单元，该控制单元配置成接收指示何时电能从外部电源传递到电能存储件的信息并且当在这种情况中将冷却系统设定在充电模式中。可替代地，当控制单元接收到指示外部电能源已经连接到电能存储件的信息后，控制单元可将冷却系统设定在充电模式中。在这些情况下，冷却系统由控制单元自动设定在充电模式中。根据另一替代实施方式，可以由人借助于车辆中的按钮等手动设定冷却系统在充电模式中。
根据本发明的实施方式，控制单元配置成接收关于与电能存储件的温度相关的温度的信息，并且在充电模式中借助于该信息控制冷却系统。控制单元可以从布置在电能存储件中的温度传感器或从感测离开电能存储件的冷却剂的温度的温度传感器接收信息。在快速充电过程期间，在充电时间的主要部分期间可能需要冷却系统的最大冷却能力，以便提供电能存储件的充分冷却。然而，冷却系统的最大冷却效果需要高能耗以用于散热器风扇和制冷剂回路的操作。因此，当冷却系统的所需冷却效果较低时，为了节省能量，在充电时间的部分期间调节冷却系统的冷却效果是合适的。
根据本发明的实施方式，控制单元配置成在充电模式中将电能存储件的温度维持在预定温度范围内。电能存储件经常在特定温度范围内具有最佳效率。为了减少充电时间并提供电能存储的有效充电，在充电过程期间将电能存储件的温度保持在该最佳效率温度范围内是合适的。
根据本发明的实施方式，控制单元配置成控制至少一个散热器风扇的速度，以便提供高温散热器中的冷却剂的可调节冷却。控制单元可以在车辆操作期间和电能存储件的充电期间控制散热器风扇的速度和高温散热器中的冷却剂的冷却。以相应的方式，控制单元可以控制至少一个散热器风扇的速度，以便提供低温散热器中的冷却剂的可调节冷却。控制单元可以在车辆操作期间和电能存储件的充电期间控制散热器风扇的速度和低温散热器中的冷却剂的冷却。
根据本发明的实施方式，控制单元配置成控制制冷剂回路中的压缩机的操作，以便提供冷却器中的冷却剂的可调节冷却。在这种情况下，可以调节冷却器中冷却剂的冷却，目的是将电能存储件的温度保持在所述特定温度范围内。此外，控制单元可以配置成控制冷却剂泵的速度，以便为电能存储件提供可调节的冷却剂流率。冷却剂泵可以是电动冷却剂泵。可以以简单的方式调节这种冷却剂泵的速度，以便调节电能存储件的冷却。
根据本发明的实施方式，高温散热器相对于通过散热器的冷却空空气流的方向布置在低温散热器的下游位置中。在这种情况下，低温回路中的冷却剂被冷却到比高温回路中的冷却剂更低的温度。在相应冷却回路中的冷却剂之间的这种温度差是必要的，以便在车辆操作期间将电能存储件冷却到比电力电子器件更低的温度。
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。
本发明的优选实施方式
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。电机交替地作为电马达和发电机工作。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经常可以承受高达约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回路6。高温回路6在图1中用双线表示。高温回路6包括膨胀罐7。高温回路6还包括高温散热器8，在其中冷却剂被冷却。第一冷却剂泵9使冷却剂在高温回路6中循环。第一冷却剂泵9可以是电动泵。泵9引导冷却剂经由高温散热器入口管线8a到高温散热器8。离开高温散热器8的冷却剂经由高温散热器出口管线8b被引导到电力电子器件5。冷却剂从电力电子器件5被引导到热交换器10。冷却剂在热交换器10中冷却油，该油在回路11中循环以冷却电机2。离开热交换器10的冷却剂返回到第一冷却泵9。控制单元12控制第一冷却剂泵9以及因此高温回路6中的冷却剂流率。高温回路6中的冷却剂用于在操作期间冷却电力电子器件5和电机2。
冷却系统包括具有循环冷却剂的低温回路15。低温回路15包括膨胀罐16。低温回路15还包括低温散热器17，在其中低温回路15中的冷却剂被冷却。冷却剂经由低温散热器入口管线17a进入低温散热器17，并经由低温散热器出口管线17b离开低温散热器17。低温回路15包括旁通管线18，所述旁通管线具有在低温散热器入口管线17a中的入口和在低温散热器出口管线17b中的出口。因此，旁通管线18可以引导冷却剂绕过低温散热器17。旁通管线18包括加热装置19，通过所述加热装置可以加热旁通管线18中的冷却剂。低温散热器出口管线17b包括以四通阀20形式的阀装置，例如，通过该装置，可以在车辆1的操作期间引导冷却剂流动通过低温散热器17或旁通管线18。四通阀20由控制单元12控制。在车辆1的操作期间，四通阀20将出口冷却剂流引导到冷却剂管线21和冷却器22，在其中低温回路15中的冷却剂可被制冷剂回路26中循环的制冷剂冷却。此后，冷却剂进入电能存储件4。温度传感器23感测冷却剂离开电能存储件4时的冷却剂的温度。冷却剂离开电能存储件4的冷却剂进入第二冷却剂泵24，所述泵使冷却剂在低温回路中循环。第二冷却剂泵24是由控制单元12控制的电动泵。第二冷却剂泵24将冷却剂引导向低温散热器17。低温回路中的冷却剂用于冷却电能存储件4但它可以也可用于加热电能存储件4。
制冷回路26包括冷凝器27，制冷剂在冷凝器27中冷凝。液化的制冷剂被引导到膨胀阀28，在其中它经历压降和显着更低的温度。此后，制冷剂进入蒸发器，其形式为低温回路15中的冷却器22。制冷剂被冷却器22中的冷却剂加热，使得其蒸发。蒸发的制冷剂被引导到压缩机29。压缩机29提供制冷剂的压缩，使得当它在冷凝器27时它获得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提供第一空气流32，其通过高温回路中的高温散热器8的一半和低温回路15中的低温散热器17。低温散热器17相对于第一空气流32的流动方向布置在高温散热器8的上游位置中。因此，低温散热器17中的冷却剂被冷却到比高温散热器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提供第二空气流35，其通过高温散热器8的剩余一半和制冷系统的冷凝器27。制冷剂系统26的冷凝器27相对于第二空气流35的流动方向布置在高温散热器8的上游位置中。经常，在冷凝器27中的制冷剂冷却到比高温散热器8中的冷却剂低的温度，但它取决于冷凝器负载、冷凝器性能和散热器性能。
冷却系统包括第一连接管线38，通过该第一连接管线可以将冷却剂从低温回路15引导到高温回路6。第一连接管线38具有连接到四通阀20出口的第一端38a和连接到高温散热器入口管线8a的第二端38b之间的延伸部。第二端38b布置在单向阀39的下游和高温回路6中的高温散热器8的上游。由四通阀20控制通过第一连接管线38的冷却剂流。冷却系统包括第二连接管线40，通过该第二连接管线可以将冷却剂从高温回路15引导回到低温回路6。由三通阀41控制通过第二连接管线40的冷却剂流。第二连接管线40具有连接到三通阀41的出口的第一端40a和连接到低温回路中的冷却剂管线21的第二端40b之间的延伸部。
车辆1包括充电单元42，使得可以在电能存储件4具有低电荷时对其进行再充电。充电单元42经由电缆42a等电连接到电能存储件4。电能存储件4可以在充电站中充电。在这种情况下，电能存储件4经由充电单元42从示意性指示的电源43接收电能。在这种情况下，充电单元42包括插座42a，并且充电站的插头43a将被连接到插座42a。电缆43b布置在插头43和电源43之间。在充电过程期间，电能从电源43经由电缆43、充电单元42和电缆42a传递到电能存储件4。然而，可以以其他方式将电能从电源43传递到电能存储件4。例如，电能可以在感应充电站中无线传输。
在混合动力车辆1的操作期间，控制单元12将冷却系统设定在操作模式中。在操作模式中，控制单元12基本上连续地从第一温度传感器14接收关于高温回路6中的冷却剂的温度的信息，以及从第二温度传感器23接收关于低温回路15中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。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，也因此控制高温散热器8中的冷却剂的冷却、低温散热器17中的冷却剂的冷却和冷凝器27中的制冷剂的冷却。
在电能存储件4的温度太低的情况下，控制单元12可以减小第一散热器风扇30的实际速度和低温散热器17中的冷却剂的冷却。或者，控制单元12可以减小第二散热器风扇33的实际速度并减小冷凝器27中制冷剂的冷却。控制单元12还可以关闭制冷系统26中的压缩机29并消除冷却器22中冷却剂的冷却。此外，控制单元12可以将四通阀20设定在旁通位置中，在该旁通位置中，该四通阀引导冷却剂流经由旁通管线18绕过低温散热器17。在这种情况下，控制单元12可以启动加热装置19，使得在冷却剂进入电能存储件4之前加热冷却剂。另一方面，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，使得冷却剂在低温散热器17中冷却到更低温度。或者或组合地，控制单元12可以启动压缩机29并在冷却剂进入电能储存器4之前在第二步骤中提供冷却器22中的增加的冷却剂冷却。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，这也导致增加的冷却器22中的冷却剂冷却。
在电力电子器件5的温度太低的情况下，控制单元12可以减小散热器风扇30的实际速度和/或第二风扇33的实际速度，使得离开高温散热器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中被冷却到较低温度。因此，控制单元12具有许多选项以在冷却剂冷却电能存储件4之前调节低温回路15中的冷却剂的温度以及在冷却剂冷却电力电子器件5之前调节高温回路6中的冷却剂的温度。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选项的信息。最节能的选项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。
在电能存储件4在充电站中的充电过程期间，冷却系统被设定在充电模式中。当冷却系统接收到指示电能被或将要被传送到充电单元42和电能存储件4的信息时，控制单元12可以自动地将冷却系统设定在充电模式中。或者，当要对电能存储件4充电时，可以通过按钮等手动设定冷却系统在充电模式中。在充电模式中，控制单元12启动第二冷却剂泵24。控制单元12将四通阀20设定在一位置中，在所述位置中该四通阀将离开低温散热器17的冷却剂引导到第一连接管线38以及高温回路6。三通阀41定位成使得当冷却剂已经流经高温散热器8后，该三通阀将冷却剂引导回到低温回路8b。在充电模式中，冷却剂在第一步骤中在低温散热器17中冷却，在第二步骤中在高温散热器8中冷却，在第三步骤中在冷却器22中冷却，然后进入电能存储件4。在这种情况下，可以使用低温回路中的低温散热器17和冷却器22以及高温回路中的高温散热器8来冷却冷却电能储存器4的冷却剂。由于在充电过程中车辆1不操作，电力电子器件5和电机2没有冷却需求，并且关闭第一冷却剂泵9。
在充电过程期间，控制单元12基本上连续地从温度传感器23接收关于离开电能存储件4的冷却剂温度的信息。在快速充电过程中，在电能存储件4中以及在充电单元24中产生大量热能。重要的是，冷却电能存储件4，使得其不会接收太高的温度。在这种情况下，可以减少电能存储件4的寿命。此外，在充电过程期间将电能存储件4的温度保持在其最佳效率温度范围内是有利的。最佳效率温度范围可以是约20-25℃。在冷却剂的温度指示电能存储件4的温度相对于所述温度范围太高或太低的情况下，则可以借助于散热器风扇30、33调节散热器8、17中的冷却剂的冷却效果，和通过制冷回路调节冷却器22中的冷却效果。由于冷却电能存储件4的冷却剂在高温散热器8中提供额外的冷却，因此冷却系统在充电模式中比在操作模式中获得用于冷却电能存储件4的增加的冷却能力。因此，基本上总是可以保持电能存储件4的合适温度，即使在电能存储件4的快速充电过程期间。
本发明绝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变化。四通阀20例如用于控制通过旁通管线18的冷却剂流和到第一连接管线38的冷却剂流。当然可以使用一个阀构件控制通过旁通管线18的冷却剂流，以及一个阀构件控制流过第一连接管线38的冷却剂流。

Claims (14)

1.一种用于车辆(1)中的电力单元的冷却系统，其中，所述电力单元包括电机(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)之间电能流动的电力电子器件(5)，并且其中，冷却系统包括：高温回路(6)，其具有在车辆(1)的操作期间冷却电力电子器件(5)的循环冷却剂，高温散热器(8)，其布置在高温回路(6)中，低温回路(15)，其具有配置成在车辆(1)的操作期间冷却电能存储件(4)的循环冷却剂，以及低温散热器(17)，其布置在低温回路(15)中，其特征在于，冷却系统配置成当由外部电源(43)对电能存储件(4)充电时，设定在充电模式中，并且冷却系统包括部件(20、38、40、41)，其配置成在充电模式中为冷却剂产生更改的流动回路，其中，冷却剂在低温散热器(17)中和高温散热器(8)中被冷却，然后冷却剂被引导到电能存储件(4)，并且所述部件包括：第一阀构件(20)，其配置成在充电模式中，在高温散热器(8)上游位置中引导冷却剂从低温回路(15)经由第一连接管线(38)到高温回路，以及第二阀构件(41)，其配置成在充电模式中，当冷却剂在高温散热器(8)中已经被冷却后，引导冷却剂经由第二连接管线(40)回到低温回路。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，连接管线(38、40)在低温散热器(17)下游位置中连接到低温回路(15)。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，连接管线(38、40)在低温散热器(17)的上游位置中连接到低温回路(15)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括单向阀(39)，所述单向阀布置在所述高温回路(6)中，位于第一连接管线(38)的连接点(38a)的上游位置中。
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，冷却系统包括制冷系统(26)，所述制冷系统配置成在冷却器(22)中冷却低温回路(15)中的冷却剂，并且在充电模式中，在第三步骤中冷却剂在冷却器(22)中被冷却，然后冷却剂冷却电能存储件(4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括充电单元(42)，所述充电单元配置成从外部电源(43)接收电能并将其传递到电能存储件(4)，并且在充电模式中，冷却系统还冷却充电单元(42)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，冷却系统包括控制单元(12)，所述控制单元配置成当电能从外部电源(43)被传递或将被传递到电能存储件(4)时接收信息，并且在这种情况下将冷却系统设定在充电模式中。
8.根据权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，控制单元(12)配置成接收关于与电能存储件(4)的温度相关的温度的信息，并且借助于该信息控制所述冷却系统的冷却。
9.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，控制单元(12)配置成控制所述冷却系统，使得在充电模式中，所述电能存储件(4)的温度保持在预定温度范围内。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的冷却系统，其特征在于，控制单元(12)配置成控制至少一个散热器风扇(30、33)的速度，以便提供高温散热器(8)中的冷却剂所需的冷却。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的冷却系统，其特征在于，控制单元(12)配置成控制至少一个散热器风扇(30)的速度，以便提供低温散热器(17)中的冷却剂所需的冷却。
12.根据权利要求5和7所述的冷却系统，其特征在于，控制单元(12)配置成控制制冷剂回路中的压缩机(29)，以便提供冷却器(22)中的冷却剂的合适冷却。
13.根据权利要求7-12中任一项所述的冷却系统，其特征在于，控制单元(12)配置成控制冷却剂泵(24)的速度，以便向电能存储件(4)提供所需的冷却剂流率。
14.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其特征在于，高温散热器(8)相对于通过散热器(8、17)的冷却空气流的方向布置在低温散热器(17)的下游位置中。
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