CN110891397B - 变流器的水冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热管理技术领域，具体公开了一种用于变流器的水冷系统及其控制方法。其中，水冷系统包括：膨胀箱、泵、热交换器和散热器以构成冷却回路；以及控制器，耦接至泵和热交换器，控制器配置为：确定功率器件的实时热损耗功率，基于实时热损耗功率确定散热器热阻和热交换器热阻，基于散热器热阻确定冷却液流量，基于热交换器热阻和冷却液流量确定散热器的风机的空气流量，基于冷却液流量确定泵的工作频率，基于空气流量确定风机的工作频率，以及控制泵和风机分别以所确定的工作频率运行。本发明可以使变流器的功率器件稳定地保持在所希望的目标温度，从而提高牵引变流器特别是电力电子器件的可靠性和寿命，并降低水冷系统能耗。

Description

变流器的水冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，尤其涉及用于变流器的水冷系统及其控制方法。

背景技术

牵引变流器是大功率交流传动机车电气系统的重要组成部分。牵引变流器的电功率变换均采用电力电子器件进行。随着机车牵引变流器向小型化和轻量化发展，整个装置的功率损耗也急剧增大，所引起的散热问题日益突出。应用于机车牵引变流器的冷却技术主要有：空气冷却技术、油冷却技术、热管冷却技术、水冷却技术。由于水的热容量数千倍于空气，所以水冷却技术被认为是比空气冷却更有效的冷却方式。

图1示出了一种常规的水冷系统示意图。如图所示，泵体将膨胀箱内的冷却介质送入变流器柜体外的热交换器中，冷却介质经过热交换器的冷却后通至液冷装置中将主变流器的功率器件，诸如脉冲整流单元、逆变单元工作时产生的热量带走以达到冷却的目的，之后再回流至膨胀箱内，如此循环流动。

一般地，泵和风机都是定频的，泵和风机一直都工作在额定状态下，因此风机产生的冷却风量一直是固定的，水冷循环内的流量也是固定不变的。但是牵引变流器的外界工况一直在剧烈变化，相应的运行功率是不停在变化的，产生的热损耗功率也时刻发生着变化。

在此方式下，一方面，随着环境温度和牵引变流器功率的剧烈变化，水冷循环系统中液温和散热器表面的温度也在剧烈变化，降低了牵引变流器特别是电力电子器件的可靠性和寿命。另一方面，为了使牵引变流器尽可能工作在安全的温度，往往会以较大的频率运行泵和风机，能耗很大。

因此，本领域需要一种改善的水冷系统及其控制方法，以使变流器的功率器件稳定地保持在所希望的目标温度。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了使变流器的功率器件稳定地保持在所希望的目标温度，本发明提供了一种用于变流器的水冷系统，用于冷却变流器中执行电功率变换的功率器件，该水冷系统可以包括：

膨胀箱、泵、热交换器和散热器以构成冷却回路；以及

控制器，耦接至泵和热交换器，控制器配置为：

确定功率器件的实时热损耗功率Q，

基于实时热损耗功率Q确定散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a，

基于散热器热阻R_s-w确定冷却液流量V_w，

基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器的风机的空气流量V_a，

基于冷却液流量V_w确定泵的工作频率f_w，

基于空气流量V_a确定风机的工作频率f_a，以及

控制泵和风机分别以所确定的工作频率运行。

优选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，控制器还可以进一步配置为基于变流器的实时运行工况确定实时热损耗功率Q。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，冷却回路中也可以设有温度传感器以用于采集水温T_w，热交换器设有温度传感器以用于采集风机进风口的实时空气温度T_a，

控制器进一步耦接至各温度传感器，控制器也可以进一步配置为：

基于实时热损耗功率Q、水温T_w和散热器台面温度T_s计算散热器热阻R_s-w，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

基于实时热损耗功率Q、水温T_w和实时空气温度T_a计算热交换器热阻R_w-a，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q，

基于散热器热阻R_s-w计算冷却液流量V_w，其中R_s-w＝a·V_w ^b，a、b为经验常数，以及

基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器的风机的空气流量V_a，其中R_w-a＝k·V_w ^x·V_a ^y，k、x、y为经验常数。

优选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，控制器还可以进一步配置为：

基于功率器件的目标温度T_j和实时热损耗功率Q计算散热器台面温度T_s，其中T_s＝T_j–Q·(R_j-c+R_TLM)，R_j-c为器件结壳热阻，R_TIM为界面热阻。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，控制器也可以进一步配置成基于冷却液流量V_w查找水泵工作频率-流量对应表以确定工作频率f_w。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，控制器也可以进一步配置成基于空气流量V_a查找风机工作频率-流量对应表以确定工作频率f_a。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，泵可以包括无级变频调速水泵，风机可以为无级变频调速风机。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于变流器的水冷系统的控制方法，用于冷却变流器中执行电功率变换的功率器件，其中，水冷系统可以包括膨胀箱、泵、热交换器和散热器以构成冷却回路；控制方法可以包括：

确定功率器件的实时热损耗功率Q；

基于实时热损耗功率Q确定散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a；

基于散热器热阻R_s-w确定冷却液流量V_w；

基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器的风机的空气流量V_a；

基于冷却液流量V_w确定泵的工作频率f_w；

基于空气流量V_a确定风机的工作频率f_a；以及

控制泵和风机分别以所确定的工作频率运行。

优选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，确定实时热损耗功率Q还可以包括：

基于变流器的实时运行工况确定实时热损耗功率Q。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，也可以包括：

确定散热器热阻R_s-w可以包括：基于实时热损耗功率Q、水温T_w和散热器台面温度T_s计算散热器热阻R_s-w，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

确定热交换器热阻R_w-a可以包括：基于实时热损耗功率Q、水温T_w和实时空气温度T_a计算热交换器热阻R_w-a，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q，

确定冷却液流量V_w可以包括：基于散热器热阻R_s-w计算冷却液流量V_w，其中R_s-w＝a·V_w ^b，a、b为经验常数，以及

确定空气流量V_a可以包括：基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器的风机的空气流量V_a，其中R_w-a＝k·V_w ^x·V_a ^y，k、x、y为经验常数。

优选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，还可以包括：

基于功率器件的目标温度T_j和实时热损耗功率Q计算散热器台面温度T_s，其中T_s＝T_j–Q·(R_j-c+R_TLM)，R_j-c为器件结壳热阻，R_TIM为界面热阻。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，确定工作频率f_w也可以包括基于冷却液流量V_w查找水泵工作频率-流量对应表以确定工作频率f_w。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，确定工作频率f_a也可以包括基于空气流量V_a查找风机工作频率-流量对应表以确定工作频率f_a。

根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机设备，可以包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时，可以实现上述任意一种用于变流器的水冷系统的控制方法的步骤。

根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，计算机程序被处理器执行时，可以实现上述任意一种用于变流器的水冷系统的控制方法的步骤。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为一种常规的水冷系统的示意图；

图2为本发明一实施例公开的一种用于变流器的水冷系统的示意图；

图3为本发明一实施例公开的一种用于变流器的水冷系统的控制方法的流程图；

图4为本发明另一实施例公开的一种用于变流器的水冷系统的控制方法的流程图。

图中标识：

11为膨胀箱；12为泵；13为去离子装置；14为热交换器；15为风机；16为液冷装置；17为电子器件；

21为膨胀箱；22为泵；23为阀门；24为热交换器；25为风机；26为散热器；27为功率电子器件；28为冷却回路；29为控制器；210为水温传感器；211为气温传感器；

S301-S307为水冷系统的控制方法的步骤；

S3011为确定功率器件的实时热损耗功率Q的步骤；

S3021为确定散热器热阻R_s-w的步骤；

S3022为确定热交换器热阻R_w-a的步骤；

S3031为确定冷却液流量V_w的步骤；

S3041为确定热交换器的风机的空气流量V_a的步骤。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

如图2所示，为了使变流器的功率器件稳定地保持在所希望的目标温度，并降低水冷系统的能耗，本发明提供了一种用于变流器的水冷系统的实施例，用于冷却变流器中执行电功率变换的功率器件，该水冷系统可以包括：

膨胀箱21、泵22、热交换器24和散热器26以构成冷却回路28；以及

耦接至泵22和热交换器24的控制器29。

在本实施例提供的用于变流器的水冷系统中，膨胀箱21、泵22、热交换器24和散热器26通过冷却液导管相连，共同构成冷却回路28。

膨胀箱21用于储存冷却液，并具有补偿因冷却液温度上升而产生的流体热膨胀，去除冷却液中混入的空气，以及减少水冷系统中的压力冲击的作用。

泵22的工作频率f_w可变，用于驱动冷却液在冷却液导管中流动，使冷却液分别流经膨胀箱21、泵22、热交换器24和散热器26。响应于泵22的不同工作频率，冷却液以不同的流量V_w在冷却液导管中流动。

热交换器24中设有风机25，风机25的工作频率f_a可变，用于鼓入冷却空气，将流经热交换器24的冷却液中的热量导出水冷系统。响应于风机25的不同工作频率，风机25产生的冷却空气的流量V_a不同。

散热器26上可以设置用于安置待冷却的功率电子器件27的散热器台面，用于将功率电子器件27上的热量导出到流经散热器26的冷却液中。

功率电子器件27可以包括IGBT等任意功率器件，用于在牵引变流器中执行电功率的变换功能。

控制器29分别耦接至泵22和热交换器24，可以包括信号传输模块、I/O模块、驱动装置和PLC。信号传输模块用于实现水冷系统与外界通信，驱动装置用于驱动泵22和热交换器24中的风机25，PLC用于计算并控制泵22的工作频率f_w和风机25的工作频率f_a，使变流器的功率电子器件27稳定地保持在所希望的目标温度T_j。

在本实施例提供的一种用于变流器的水冷系统中，控制器29可以配置为：

根据控制器29在牵引变流器的工作过程中获取到的实时数据，确定功率电子器件27的实时热损耗功率Q，

基于实时热损耗功率Q、水温T_w和散热器台面温度T_s确定散热器热阻R_s-w，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

基于实时热损耗功率Q、水温T_w和实时空气温度T_a确定热交换器热阻R_w-a，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q，

基于散热器热阻R_s-w，根据实验获得的对应关系确定冷却液流量V_w，

基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w，根据实验获得的对应关系确定热交换器24的风机25的空气流量V_a，

基于冷却液流量V_w，根据实验获得的对应关系确定泵22的工作频率f_w，

基于空气流量V_a，根据实验获得的对应关系确定风机25的工作频率f_a，

控制泵22和风机25分别以所确定的工作频率运行。

可以理解的是，为了使变流器的功率电子器件27稳定地保持在所希望的目标温度T_j，散热器台面温度T_s应当保持不变。为了便于控制器29进行定量的计算和控制，在水冷系统的实际工作过程中，水温T_w和冷却空气温度T_a也不会发生明显改变。因此，水冷系统中涉及的散热器台面温度T_s、水温T_w和冷却空气温度T_a并不一定需要采用温度传感器进行采集，也可以通过预设、预先测量等方式来获取。

基于本实施例提供的用于变流器的水冷系统，在其冷却回路28中，功率电子器件27可以设置在散热器26的散热器台面上，其实时温度为T_j，并以实时热损耗功率Q产生热量。由于散热器26本身存在散热器热阻R_s-w，流经散热器26的冷却液在充分吸收功率电子器件27散发的热量后，冷却液的温度T_w仍会略小于功率电子器件27的温度T_j，存在一定温度差T_j＝T_w+ΔT_j-w；同理，在热交换器24端，冷却液的温度T_w和冷却空气的温度T_a之间也会因热交换器热阻R_w-a的存在而产生一定温度差ΔT_w-a。

为了使变流器的功率电子器件27稳定地保持在所希望的目标温度T_j，即满足T_j＝T_a+ΔT_j-w+ΔT_w-a＝T_a+Q·(R_s-w+R_w-a)，控制器29需要定量地控制泵22的工作频率f_w和/或风机25的工作频率f_a，以控制冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，从而起到控制散热器热阻R_s-w和/或热交换器热阻R_w-a以调节水冷系统内各部件温差的技术效果。例如：若实时热损耗功率Q增大，则需要相应地提升泵22的工作频率f_w和/或风机25的工作频率f_a，以加大冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，从而减小散热器热阻R_s-w和/或热交换器热阻R_w-a，以起到保持功率电子器件27的目标温度T_j不变的技术效果；同理，若冷却空气的温度T_a上升，则ΔT_j-w+ΔT_w-a应当相应地减小，控制器29应当相应地提升泵22的工作频率f_w和/或风机25的工作频率f_a，加大冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，从而减小散热器热阻R_s-w和/或热交换器热阻R_w-a，以起到保持功率电子器件27的目标温度T_j不变的技术效果。

可以理解的是，在本实施例提供的用于变流器的水冷系统中，冷却液主要用于吸收和传递热量，因此可以采用水、油、乙醇等任何具有吸热和传热能力的流体介质作为冷却液；与之对应的，膨胀水箱21、泵22、热交换器24和散热器26的过水端，以及冷却液导管都应当采用足以承载冷却液而不易被其腐蚀的材质。

在本实施例提供的水冷系统中，牵引变流器的实时热损耗功率Q可以是控制器29在牵引变流器的工作过程中实时获取的，也可以是根据其日常工作情况总结出的平均数。

由于在大多数情况下，牵引变流器的外界工况是一直处于剧烈变化中的，其所产生的实时热损耗功率Q也时刻发生着变化，而实时热损耗功率Q的变化则会导致功率电子器件温度的大范围起伏，影响其可靠性和寿命。因此，为了进一步提高牵引变流器中功率电子器件的可靠性和寿命，并降低水冷系统的能耗，在本实施例的一个优选方案中，也可以实时获取热损耗功率Q，并根据获取到的实时热损耗功率Q，实时调节泵的工作频率f_w和/或风机的工作频率f_a，改变冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，以最小的能耗，将牵引变流器中功率电子器件的温度更稳定地保持在所希望的目标温度。

根据不同的实际使用情况，在本实施例中，水冷系统可以被安置在一个封闭的变流器柜体内，膨胀水箱21、泵22、热交换器24、散热器26，以及冷却液导管都应当具有一定的隔热能力，保证水冷系统内的热量仅通过热交换器24排出变流器柜体。而在其他实施例中，若水冷系统也可以被安置在开放的环境中，膨胀水箱21、泵22、热交换器24、散热器26，以及冷却液导管也可以采用导热的材质，增大其散热面积，提高散热能力。

可选的，如图2所示，在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的冷却回路28中也可以设有温度传感器210以用于采集冷却液温度T_w，热交换器24也可以设有温度传感器211以用于采集风机25进风口的实时冷却空气温度T_a，

控制器29可以进一步耦接至温度传感器210和温度传感器211，控制器29也可以进一步配置为：

基于散热器热阻R_s-w计算冷却液流量V_w，其中R_s-w＝a·V_w ^b，a、b为经验常数，以及

基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器24的风机25的空气流量V_a，其中R_w-a＝k·V_w ^x·V_a ^y，k、x、y为经验常数。

在本实施例中，采用了温度传感器210和温度传感器211来分别获取冷却液的实时温度T_w和热交换器24的风机25进风口的冷却空气的实时温度T_a，并以此计算散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a。而在其他实施例中，也可以先通过风机向热交换器鼓入特定温度的冷却空气，再确定一个大于冷却空气温度且小于功率电子器件目标温度的冷却液温度，并基于上述确定的冷却空气温度和冷却液温度，计算出所需的散热器和热交换器的热阻值。

在本实施例中，基于散热器热阻R_s-w计算冷却液流量V_w的公式R_s-w＝a·V_w ^b中的经验常数a和b，是将多次实验统计后获得的散热器热阻R_s-w和冷却液流量V_w之间的数值关系带入幂函数公式后，拟合获得的比例常数a和指数常数b。同理，经验常数k、x和y是将多次实验统计后获得的热交换器热阻R_w-a、冷却液流量V_w和冷却空气流量V_a之间的数值关系带入幂函数公式后，拟合获得的比例常数k、冷却液流量V_w的指数常数x和冷却空气流量V_a的指数常数y。而在其他实施例中，基于相同的构思，也可以采用其他的函数公式，对散热器热阻R_s-w、冷却液流量V_w、热交换器热阻R_w-a和冷却空气流量V_a之间的数值关系进行曲线拟合；或建立相互关系的统计表，采用对照统计表插值的方式，根据确定的散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a估算出所需的冷却液流量V_w和冷却空气流量V_a。

优选的，在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的控制器还可以进一步配置为：

基于功率器件的目标温度T_j和实时热损耗功率Q计算散热器台面温度T_s，其中T_s＝T_j–Q·(R_j-c+R_TLM)，R_j-c为器件结壳热阻，R_TIM为界面热阻。

由于在变流器的实际工作情况下，功率器件的PN结与外壳之间往往会存在器件结壳热阻R_j-c，功率电子器件与散热器台面之间也会存在界面热阻R_TIM，而功率器件的说明书上所标注的工作温度通常是指功率器件的结温T_j，与散热器台面温度T_s之间存在一定温差。在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的控制器还可以进一步将散热器台面温度T_s与功率器件PN结的目标温度T_j之间的温度差ΔT_j-s＝Q·(R_j-c+R_TLM)也纳入计算范围内，从而进一步提升电力电子器件的可靠性和寿命。

由于在稳态条件下有T_j＝T_a+Q·(R_j-c+R_TLM+R_s-w+R_w-a)，而在变流器的实际工作过程中，功率器件的器件结壳热阻R_j-c和界面热阻R_TIM通常不会发生明显改变，所以为了节省计算量，控制器可以不必考虑器件结壳热阻R_j-c和界面热阻R_TIM的具体变化情况。在本实施例中，当功率器件的实时热损耗功率由Q变为Q+ΔQ时，可以仅通过调节R_s-w值和R_w-a值，令(R’_s-w+R’_w-a)＝(T_j-T_a)/(Q+ΔQ)–(R_j-c+R_TLM)，以使得功率器件的结温保持不变；基于同一构思，当空气温度由T_a变为T_a’时，也可以仅通过调节R_s-w值和R_w-a值，使(R’_s-w+R’_w-a)＝(T_j-T’_a)/Q–(R_j-c+R_TLM)，以使得功率器件的结温仍保持不变。而在其他实施例中，为了提高其控制精度，控制器也可以基于同一构思，将器件结壳热阻R_j-c和界面热阻R_TIM的具体变化情况，也纳入散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a的计算范围中。

可选的，在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的控制器也可以进一步配置成基于冷却液流量V_w查找水泵的工作频率-流量对应表的方式，以确定水泵的工作频率f_w。

如表1所示，在本实施例中，首先可以根据实验数据或泵的参数说明书，统计出水泵工作频率-流量对应表。其中，水泵的工作频率越高，冷却液的流量就越大。

表1水泵工作频率-流量对应表

5Hz

10Hz

15Hz

20Hz

25Hz

30Hz

35Hz

40Hz

45Hz

50Hz

V<sub>w1</sub>

V<sub>w2</sub>

V<sub>w3</sub>

V<sub>w4</sub>

V<sub>w5</sub>

V<sub>w6</sub>

V<sub>w7</sub>

V<sub>w8</sub>

V<sub>w9</sub>

V<sub>w10</sub>

控制器将确定的冷却液流量V_w与“水泵工作频率-流量对应表”进行对比，采用插值的方式得到所需的水泵工作频率。例如，当

V_w5<V_w<V_w6

则确定此时所需的水泵工作频率f_w为

f_w＝25Hz·(V_w6-V_w)/(V_w6-V_w5)+30Hz·(V_w-V_w5)/(V_w6-V_w5)。

可以理解的是，基于冷却液流量V_w查找水泵的工作频率-流量对应表的方式并不是确定水泵工作频率f_w的唯一方式。在其他实施例中，也可以通过统计实验数据的方式，对水泵工作频率-流量的数值关系进行曲线拟合，从而根据确定的冷却液流量V_w来确定所需的水泵工作频率f_w。

可选的，在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的控制器也可以进一步配置成基于空气流量V_a查找风机工作频率-流量对应表的方式，以确定风机的工作频率f_a。

基于和水泵工作频率-流量对应表相同的构思，在本实施例中，也可以先根据实验数据或风机的参数说明书，统计出风机工作频率-流量对应表。其中，风机的工作频率越高，冷却空气的流量就越大。控制器也可以将确定的冷却空气的流量V_a与“风机工作频率-流量对应表”进行对比，采用插值的方式得到所需的水泵工作频率。

同理，基于冷却空气的流量V_a查找风机的工作频率-流量对应表的方式也不是确定风机工作频率f_a的唯一方式。在其他实施例中，也可以通过统计实验数据的方式，对风机工作频率-流量的数值关系进行曲线拟合，从而根据确定的冷却空气的流量V_a来确定所需的风机工作频率f_a。

可选的，在本发明提供的用于变流器的水冷系统中，泵可以包括无级变频调速水泵，风机可以为无级变频调速风机。

可以理解的是，在本实施例提供的用于变流器的水冷系统中，只要是能够通过改变其工作频率来改变冷却液流量V_w和冷却空气流量V_a的水泵和风机，就能够满足本发明的需求。而在本优选方案中，采用了无级变频调速水泵和无级变频调速风机，从而使泵和风机的流量调节更为平顺，更有利于控制器对功率器件温度的精确控制。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于变流器的水冷系统的控制方法的实施例，用于冷却变流器中执行电功率变换的功率器件。

如图2和图3所示，水冷系统可以包括膨胀箱21、泵22、热交换器24和散热器26以构成冷却回路28。控制方法可以包括：

S301：确定功率器件27的实时热损耗功率Q；

S302：基于实时热损耗功率Q确定散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a；

S303：基于散热器热阻R_s-w确定冷却液流量V_w；

S304：基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器24的风机25的空气流量V_a；

S305：基于冷却液流量V_w确定泵22的工作频率f_w；

S306：基于空气流量V_a确定风机25的工作频率f_a；以及

S307：控制泵22和风机25分别以所确定的工作频率运行。

在本实施例提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，牵引变流器的实时热损耗功率Q可以是在牵引变流器的工作过程中实时获取的，也可以是根据其日常工作情况总结出的平均数。也就是说，在本实施例的优选方案中，既可以采用步骤S301，也可以采用步骤S3011：基于变流器的实时运行工况确定实时热损耗功率Q。

由于在大多数情况下，牵引变流器的外界工况是一直处于剧烈变化中的，其所产生的实时热损耗功率Q也时刻发生着变化，而实时热损耗功率Q的变化则会导致功率电子器件温度的大范围起伏，影响其可靠性和寿命。因此，为了进一步提高牵引变流器中功率电子器件的可靠性和寿命，并降低水冷系统的能耗，在本实施例的一个优选方案中，也可以实时获取热损耗功率Q，并根据获取到的实时热损耗功率Q，实时调节泵的工作频率f_w和/或风机的工作频率f_a，改变冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，以最小的能耗，将牵引变流器中功率电子器件的温度更稳定地保持在所希望的目标温度。

在本实施例提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，散热器热阻R_s-w可以是基于实时热损耗功率Q、水温T_w和散热器台面温度T_s确定的，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

热交换器热阻R_w-a可以是基于实时热损耗功率Q、水温T_w和实时空气温度T_a确定的，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q，

冷却液流量V_w可以是根据实验获得的冷却液流量V_w与散热器热阻R_s-w的对应关系确定的，

热交换器24的风机25的空气流量V_a可以是根据实验获得的热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w的对应关系确定的，

泵22的工作频率f_w可以是基于冷却液流量V_w，根据实验获得的对应关系确定的，

风机25的工作频率f_a可以是基于空气流量V_a，根据实验获得的对应关系确定的。

可以理解的是，为了使变流器的功率电子器件27稳定地保持在所希望的目标温度T_j，散热器台面温度T_s应当保持不变。为了便于控制器29进行定量的计算和控制，在水冷系统的实际工作过程中，水温T_w和冷却空气温度T_a也不会发生明显改变。因此，水冷系统中涉及的散热器台面温度T_s、水温T_w和冷却空气温度T_a并不一定需要采用温度传感器进行采集，也可以通过预设、预先测量等方式来获取。

在本实施例提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，冷却回路28中的功率电子器件27可以设置在散热器26的散热器台面上，其实时温度为T_j，并以实时热损耗功率Q产生热量。由于散热器26本身存在散热器热阻R_s-w，流经散热器26的冷却液在充分吸收功率电子器件27散发的热量后，冷却液的温度T_w仍会略小于功率电子器件27的温度T_j，存在一定温度差T_j＝T_w+ΔT_j-w；同理，在热交换器24端，冷却液的温度T_w和冷却空气的温度T_a之间也会因热交换器热阻R_w-a的存在而产生一定温度差ΔT_w-a。

为了使变流器的功率电子器件27稳定地保持在所希望的目标温度T_j，即满足T_j＝T_a+ΔT_j-w+ΔT_w-a＝T_a+Q·(R_s-w+R_w-a)，需要定量地控制泵22的工作频率f_w和/或风机25的工作频率f_a，以控制冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，从而起到控制散热器热阻R_s-w和/或热交换器热阻R_w-a，以调节水冷系统内各部件温差的技术效果。若实时热损耗功率Q增大，则需要相应地提升泵22的工作频率f_w和/或风机25的工作频率f_a，加大冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，从而减小散热器热阻R_s-w和/或热交换器热阻R_w-a，以起到保持功率电子器件27的目标温度T_j不变的技术效果；同理，若冷却空气的温度T_a上升，则ΔT_j-w+ΔT_w-a应当相应地减小，控制器29应当相应地提升泵22的工作频率f_w和/或风机25的工作频率f_a，加大冷却液流量V_w和/或冷却空气流量V_a，从而减小散热器热阻R_s-w和/或热交换器热阻R_w-a，以起到保持功率电子器件27的目标温度T_j不变的技术效果

可以理解的是，在本实施例提供的水冷系统的控制方法中，冷却液主要用于吸收和传递热量，因此可以采用水、油、乙醇等任何具有吸热和传热能力的流体介质作为冷却液；与之对应的，膨胀水箱21、泵22、热交换器24和散热器26的过水端，以及冷却液导管都应当采用足以承载冷却液而不易被其腐蚀的材质。

根据不同的实际使用情况，在本实施例中，水冷系统可以被安置在一个封闭的变流器柜体内，因此，膨胀水箱21、泵22、热交换器24、散热器26，以及冷却液导管都应当具有一定的隔热能力，保证水冷系统内的热量仅通过热交换器24排出变流器柜体；而在其他实施例中，若水冷系统也可以被安置在开放的环境中，膨胀水箱21、泵22、热交换器24、散热器26，以及冷却液导管也可以采用导热的材质，增大其散热面积，提高散热能力。

可选的，如图2和图4所示，在本发明提供的用于变流器的水冷系统的控制方法中，也可以包括：

S3011：基于变流器的实时运行工况确定实时热损耗功率Q；

S3021：基于实时热损耗功率Q、水温T_w和散热器台面温度T_s计算散热器热阻R_s-w，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

S3022：基于实时热损耗功率Q、水温T_w和实时空气温度T_a计算热交换器热阻R_w-a，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q；

S3031：基于散热器热阻R_s-w计算冷却液流量V_w，其中R_s-w＝a·V_w ^b，a、b为经验常数，以及

S3041：基于热交换器热阻R_w-a和冷却液流量V_w确定热交换器24的风机25的空气流量V_a，其中R_w-a＝k·V_w ^x·V_a ^y，k、x、y为经验常数；

S305：基于冷却液流量V_w确定泵的工作频率f_w；

S306：基于空气流量V_a确定风机的工作频率f_a；

S307：控制泵和风机分别以所确定的工作频率运行。

在本实施例中，采用了温度传感器210和温度传感器211来分别获取冷却液的实时温度T_w和热交换器24的风机25进风口的冷却空气的实时温度T_a，并以此计算散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a。而在其他实施例中，也可以先通过风机向热交换器鼓入特定温度的冷却空气，再确定一个大于冷却空气温度且小于功率电子器件目标温度的冷却液温度，并基于上述确定的冷却空气温度和冷却液温度，计算出所需的散热器和热交换器的热阻值。

在本实施例中，基于散热器热阻R_s-w计算冷却液流量V_w的公式R_s-w＝a·V_w ^b中的经验常数a和b，是将多次实验统计后获得的散热器热阻R_s-w和冷却液流量V_w之间的数值关系带入幂函数公式后，拟合获得的比例常数a和指数常数b。同理，经验常数k、x和y是将多次实验统计后获得的热交换器热阻R_w-a、冷却液流量V_w和冷却空气流量V_a之间的数值关系带入幂函数公式后，拟合获得的比例常数k、冷却液流量V_w的指数常数x和冷却空气流量V_a的指数常数y。而在其他实施例中，基于相同的构思，也可以采用其他的函数公式，对散热器热阻R_s-w、冷却液流量V_w、热交换器热阻R_w-a和冷却空气流量V_a之间的数值关系进行曲线拟合；或建立相互关系的统计表，采用对照统计表插值的方式，根据确定的散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a估算出所需的冷却液流量V_w和冷却空气流量V_a。

优选的，在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的控制方法还可以包括：

S308：基于功率器件的目标温度T_j和实时热损耗功率Q计算散热器台面温度T_s，其中T_s＝T_j–Q·(R_j-c+R_TLM)，R_j-c为器件结壳热阻，R_TIM为界面热阻。

由于在变流器的实际工作情况下，功率器件的PN结与外壳之间往往会存在器件结壳热阻R_j-c，功率电子器件与散热器台面之间也会存在界面热阻R_TIM，而功率器件的说明书上所标注的工作温度通常是指功率器件的结温T_j，与散热器台面温度T_s之间存在一定温差。在本实施例的一个优选方案中，水冷系统的控制器还可以进一步将散热器台面温度T_s与功率器件PN结的目标温度T_j之间的温度差ΔT_j-s＝Q·(R_j-c+R_TLM)也纳入计算范围内，从而进一步提升电力电子器件的可靠性和寿命。

由于在稳态条件下有T_j＝T_a+Q·(R_j-c+R_TLM+R_s-w+R_w-a)，而在变流器的实际工作过程中，功率器件的器件结壳热阻R_j-c和界面热阻R_TIM通常不会发生明显改变，所以控制器可以为了节省计算量，而不必考虑器件结壳热阻R_j-c和界面热阻R_TIM的具体变化情况。在本实施例中，当功率器件的实时热损耗功率由Q变为Q+ΔQ时，可以仅通过调节R_s-w值和R_w-a值，令(R’_s-w+R’_w-a)＝(T_j-T_a)/(Q+ΔQ)–(R_j-c+R_TLM)，以使得功率器件的结温保持不变；基于同一构思，当空气温度由T_a变为T_a’时，也可以仅通过调节R_s-w值和R_w-a值，使(R’_s-w+R’_w-a)＝(T_j-T’_a)/Q–(R_j-c+R_TLM)，以使得功率器件的结温仍保持不变。而在其他实施例中，也可以为了提高对水冷系统的控制精度，基于同一构思地将器件结壳热阻R_j-c和界面热阻R_TIM的具体变化情况，也纳入散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a的计算范围中。

可选的，在本实施例的一个优选方案提供的水冷系统的控制方法中，确定水泵的工作频率f_w也可以包括S3051：基于冷却液流量V_w查找水泵工作频率-流量对应表以确定水泵的工作频率f_w。

如表1所示，在本实施例中，首先可以根据实验数据或泵的参数说明书，统计出水泵工作频率-流量对应表。其中，水泵的工作频率越高，冷却液的流量就越大。

表1水泵工作频率-流量对应表

5Hz

10Hz

15Hz

20Hz

25Hz

30Hz

35Hz

40Hz

45Hz

50Hz

V<sub>w1</sub>

V<sub>w2</sub>

V<sub>w3</sub>

V<sub>w4</sub>

V<sub>w5</sub>

V<sub>w6</sub>

V<sub>w7</sub>

V<sub>w8</sub>

V<sub>w9</sub>

V<sub>w10</sub>

将确定的冷却液流量V_w与“水泵工作频率-流量对应表”进行对比，采用插值的方式得到所需的水泵工作频率。例如，当

V_w5<V_w<V_w6

则确定此时所需的水泵工作频率f_w为

f_w＝25Hz·(V_w6-V_w)/(V_w6-V_w5)+30Hz·(V_w-V_w5)/(V_w6-V_w5)。

可以理解的是，基于冷却液流量V_w查找水泵的工作频率-流量对应表的方式并不是确定水泵工作频率f_w的唯一方式。在其他实施例中，也可以通过统计实验数据的方式，对水泵工作频率-流量的数值关系进行曲线拟合，从而根据确定的冷却液流量V_w来确定所需的水泵工作频率f_w。

可选的，在本实施例的一个优选方案提供的水冷系统的控制方法中，确定风机的工作频率f_a也可以包括S3061：基于空气流量V_a查找风机工作频率-流量对应表以确定工作频率f_a。

基于和水泵工作频率-流量对应表相同的构思，在本实施例中，也可以先根据实验数据或风机的参数说明书，统计出风机工作频率-流量对应表。其中，风机的工作频率越高，冷却空气的流量就越大。可以通过将确定的冷却空气的流量V_a与“风机工作频率-流量对应表”进行对比，采用插值的方式得到所需的水泵工作频率。

同理，基于冷却空气的流量V_a查找风机的工作频率-流量对应表的方式也不是确定风机工作频率f_a的唯一方式。在其他实施例中，也可以通过统计实验数据的方式，对风机工作频率-流量的数值关系进行曲线拟合，从而根据确定的冷却空气的流量V_a来确定所需的风机工作频率f_a。

根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机设备的实施例，计算机设备可以包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。其中，处理器执行计算机程序时，可以实现上述任意一种用于变流器的水冷系统的控制方法的步骤，用于使变流器的功率器件稳定地保持在所希望的目标温度，并降低水冷系统的能耗。

根据本发明的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序。其中，计算机程序被处理器执行时，可以实现上述任意一种用于变流器的水冷系统的控制方法的步骤，用于使变流器的功率器件稳定地保持在所希望的目标温度，并降低水冷系统的能耗。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (15)

1.一种用于变流器的水冷系统，用于冷却变流器中执行电功率变换的功率器件，所述水冷系统包括：

膨胀箱、泵、热交换器和散热器以构成冷却回路；以及

控制器，耦接至所述泵和所述热交换器，所述控制器配置为：

确定所述功率器件的实时热损耗功率Q、水温T_w、散热器台面温度T_s、和实时空气温度T_a，

基于所述实时热损耗功率Q、所述水温T_w、所述散热器台面温度T_s、和所述实时空气温度T_a确定散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a，

基于所述散热器热阻R_s-w确定冷却液流量V_w，

基于所述热交换器热阻R_w-a和所述冷却液流量V_w确定所述热交换器的风机的空气流量V_a，

基于所述冷却液流量V_w确定所述泵的工作频率f_w，

基于所述空气流量V_a确定所述风机的工作频率f_a，以及

控制所述泵和所述风机分别以所确定的工作频率运行。

2.如权利要求1所述的水冷系统，其特征在于，所述控制器进一步配置为基于所述变流器的实时运行工况确定所述实时热损耗功率Q。

3.如权利要求1所述的水冷系统，其特征在于，所述冷却回路中设有温度传感器以用于采集所述水温T_w，所述热交换器设有温度传感器以用于采集风机进风口的所述实时空气温度T_a，

所述控制器进一步耦接至各温度传感器，所述控制器进一步配置为：

基于所述实时热损耗功率Q、所述水温T_w和散热器台面温度T_s计算所述散热器热阻R_s-w，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

基于所述实时热损耗功率Q、所述水温T_w和所述实时空气温度T_a计算所述热交换器热阻R_w-a，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q，

基于所述散热器热阻R_s-w计算所述冷却液流量V_w，其中R_s-w＝a·V_w ^b，a、b为经验常数，以及

基于所述热交换器热阻R_w-a和所述冷却液流量V_w确定所述热交换器的风机的空气流量V_a，其中R_w-a＝k·V_w ^x·V_a ^y，k、x、y为经验常数。

4.如权利要求3所述的水冷系统，其特征在于，所述控制器进一步配置为：

基于所述功率器件的目标温度T_j和所述实时热损耗功率Q计算所述散热器台面温度T_s，其中T_s＝T_j–Q·(R_j-c+R_TLM)，R_j-c为器件结壳热阻，R_TIM为界面热阻。

5.如权利要求1所述的水冷系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于所述冷却液流量V_w查找泵的工作频率-流量对应表以确定所述工作频率f_w。

6.如权利要求1所述的水冷系统，其特征在于，所述控制器进一步配置成基于所述空气流量V_a查找风机工作频率-流量对应表以确定所述工作频率f_a。

7.如权利要求1所述的水冷系统，其特征在于，所述泵包括无级变频调速水泵，所述风机为无级变频调速风机。

8.一种用于变流器的水冷系统的控制方法，用于冷却变流器中执行电功率变换的功率器件，所述水冷系统包括膨胀箱、泵、热交换器和散热器以构成冷却回路；所述控制方法包括：

确定所述功率器件的实时热损耗功率Q、水温T_w、散热器台面温度T_s、和实时空气温度T_a；

基于所述实时热损耗功率Q、所述水温T_w、所述散热器台面温度T_s、和所述实时空气温度T_a确定散热器热阻R_s-w和热交换器热阻R_w-a；

基于所述散热器热阻R_s-w确定冷却液流量V_w；

基于所述热交换器热阻R_w-a和所述冷却液流量V_w确定所述热交换器的风机的空气流量V_a；

基于所述冷却液流量V_w确定所述泵的工作频率f_w；

基于所述空气流量V_a确定所述风机的工作频率f_a；以及

控制所述泵和所述风机分别以所确定的工作频率运行。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述确定实时热损耗功率Q包括：

基于所述变流器的实时运行工况确定所述实时热损耗功率Q。

10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，

所述确定散热器热阻R_s-w包括基于所述实时热损耗功率Q、所述水温T_w和所述散热器台面温度T_s计算所述散热器热阻R_s-w，其中R_s-w＝(T_s-T_w)/Q，

所述确定热交换器热阻R_w-a包括基于所述实时热损耗功率Q、所述水温T_w和所述实时空气温度T_a计算所述热交换器热阻R_w-a，其中R_w-a＝(T_w-T_a)/Q，

所述确定冷却液流量V_w包括基于所述散热器热阻R_s-w计算所述冷却液流量V_w，其中R_s-w＝a·V_w ^b，a、b为经验常数，以及

所述确定空气流量V_a包括基于所述热交换器热阻R_w-a和所述冷却液流量V_w确定所述热交换器的风机的空气流量V_a，其中R_w-a＝k·V_w ^x·V_a ^y，k、x、y为经验常数。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，还包括：

基于所述功率器件的目标温度T_j和所述实时热损耗功率Q计算所述散热器台面温度T_s，其中T_s＝T_j–Q·(R_j-c+R_TLM)，R_j-c为器件结壳热阻，R_TIM为界面热阻。

12.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述确定工作频率f_w包括基于所述冷却液流量V_w查找泵的工作频率-流量对应表以确定所述工作频率f_w。

13.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述确定工作频率f_a包括基于所述空气流量V_a查找风机工作频率-流量对应表以确定所述工作频率f_a。

14.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求8-13中任一项所述方法的步骤。

15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8-13中任一项所述方法的步骤。

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