CN113133287B - 一种浸入式水冷功率模块装置、散热控制方法及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浸入式水冷功率模块装置、散热控制方法及设计方法，包括壳体，所述壳体包括底座，以及设置于底座的顶外壳；冷却系统模块，所述冷却系统模块包括设置于壳体的进出水口，以及冷却管道；功率模块，所述功率模块包括设置于底座与顶外壳之间的水冷功率半导体模块，以及设置于水冷功率半导体模块的若干个扰流柱。该散热控制方法为实时获取工作状态下功率模块的工作温度T；将获取的工作温度T与预设温度阈值比较，判断采取不同散热模式。该设计方法是通过设定底部和顶部的冷却管道的尺寸，确定流量一致。本发明通过设定功率模块的散热模式和尺寸，从而在提高功率模块散热效率的同时，达到减小能耗的目的。

Description

一种浸入式水冷功率模块装置、散热控制方法及设计方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，特别涉及一种浸入式水冷功率模块装置、散热控制方法及设计方法。

背景技术

近年来，新能源汽车在飞速发展，与传统燃油车和弱混动力车相比，电动汽车少了发动机和启停系统，但多出了电池、电机、电控核心部件以及车载DCDC、电空调驱动、车载充电器(OBC)等电力电子装置。它们将动力电池所存储的电能转化为驱动电机、车载低压用电设备、空调电机所需的电能。这都离不开能够实现电能转换和控制的功率模块。核心部件中电池和驱动电机代替燃油车的燃油和发动机，为车辆的行驶提供澎湃的动力。此时，电机控制器通过功率模块的转换，将动力电池中的直流电转变为交流电，为驱动电机提供电能。随着新能源汽车不断地发展，芯片也在不断的更新升级，芯片升级进化后，功率模块作用到逆变器中时还需考虑到散热效率。高电压、高电流带来的热积累，可能导致功率器件被击穿或烧毁。提升散热效率，就可以减小功率器件失效的可能性。

现有技术的不足之处在于，目前传统的功率模块散热方式主要有两种：功率模块光面铝板涂敷导热界面材料，紧贴水道上方的水冷板的间接散热方式，中间形成的热阻大，散热效果差；功率模块单面做成扰流柱，扰流柱浸入水道中，单面扰流柱散热效果比间接散热好一些，但在功率模块散热大时也不能达到最优的散热效果。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的不足，以对功率模块的散热效率进行进一步提升。

为实现以上目的，采用一种浸入式水冷功率模块装置、散热控制方法及设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置，包括：

壳体，所述壳体包括底座，以及设置于底座的顶外壳；

冷却系统模块，所述冷却系统模块包括设置于壳体的进出水口，以及冷却管道；

功率模块，所述功率模块包括设置于底座与顶外壳之间的水冷功率半导体模块，以及设置于水冷功率半导体模块两侧面的若干个扰流柱。

作为本发明的进一步的方案：所述进出水口包括设置于底座一侧的进水口，以及设置于底座另一侧的出水口。

作为本发明的进一步的方案：所述冷却管道包括设置于顶外壳与水冷功率半导体模块之间的顶部冷却管道、设置于底座与水冷功率半导体模块之间的底部冷却管道，以及布置于底座的回流冷却管道，所述回流冷却管道两端分别连接于顶部冷却管道和出水口。

作为本发明的进一步的方案：所述出水口处设置有第一阀门，所述顶部冷却管道与底部冷却管道首端连通处设置有第二阀门，所述顶部冷却管道与底部冷却管道尾端连通处设置有第四阀门，所述顶部冷却管道与回流冷却管道连通处设置有第三阀门。

作为本发明的进一步的方案：所述水冷功率半导体模块侧边设置有信号端子和功率端子。

一种包括如上任一项所述的一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的散热控制方法，具体步骤包括：

实时获取工作状态下功率模块的工作温度T；

将获取的工作温度T与预设温度阈值比较，判断采取不同散热模式。

作为本发明的进一步的方案：所述将获取的工作温度T与预设温度阈值比较，判断采取不同散热模式的具体步骤为：

将获取的工作温度T与预设温度阈值比较；

当工作温度T不超过预设温度阈值T1时，采用打开第一阀门、第二阀门、第四阀门，关闭第三阀门，进行扰流散热；

当工作温度T大于预设温度阈值T1且小于预设温度阈值T2时，采用打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门，进行扰流散热；

当工作温度T大于预设温度阈值T2时，采用打开第三阀门，第四阀门，关闭第一阀门、第二阀门，进行扰流散热。

一种包括如上所述的一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的冷却管道设计方法，具体步骤包括：

获取功率模块装置的底部冷却管道的宽度a与高度b₁，以及设定顶部冷却管道的宽度 a与高度b₂，计算底部冷却管道与顶部冷却管道的当量直径d₁与d₂；

根据底部冷却管道与顶部冷却管道的水头损失一致，得到底部冷却管道与顶部冷却管道的水头损失关系；

根据底部冷却管道与顶部冷却管道的流量一致，得到冷却管道的冷却液流速关系；

根据水头损失关系和冷却液流速关系，得到顶部冷却管道的高度。

作为本发明的进一步的方案：所述水头损失关系具体为：

冷却管道的沿程水头损失公式为：

冷却管道的局部水头损失公式为：

底部冷却管道与顶部冷却管道的水头损失关系公式为：

P_f1+P_m1＝P_f2+P_m2；

其中，c为沿程阻力系数，β为局部阻力系数，l_p为管道的长度，ρ为冷却液的密度，v为冷却液的流速，d为冷却管道的当量直径，P_f1、P_m1、P_f2、P_m2分别为底部冷却管道与顶部冷却管道的沿程水头损失和局部水头损失。

作为本发明的进一步的方案：所述根据水头损失关系和冷却液流速关系，得到顶部冷却管道的高度的具体步骤包括：

所述冷却液流速关系公式为：

根据水头损失关系公式，得到底部冷却管道的高度为：

其中，m＝c₁l₁(a+b₁)，n＝4ab₁β+b₁c₂l₂，g＝ac₂l₂。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

通过采用上述的技术方案，该功率模块装置利用设置的壳体，且该壳体内布置水冷功率半导体模块，该功率板设置不同类型的冷却管道，且通过若干个控制阀门进行控制。从而形成不同模式下的持续散热的效果。且通过对内部的冷却管道进行尺寸设计，从而使得整个装置顶部冷却管道和底部冷却管道流量一致，提高功率模块的散热效率。不同类型的冷却管道进行串联或者并联，可以在提高功率模块散热效率的同时，达到减小能耗的目的。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1为本申请公开的一些实施例的浸入式双面水冷功率模块装置的结构示意图；

图2为本申请公开的一些实施例的冷却管道的回流冷却管道的结构示意图；

图3为本申请公开的一些实施例的浸入式双面水冷功率模块装置的阀门控制示意图；

图4为本申请公开的一些实施例的功率模块的单管功率模块示意图；

图5为本申请公开的一些实施例的功率模块的半桥功率模块示意图；

图6为本申请公开的一些实施例的功率模块的双半桥功率模块示意图；

图7为本申请公开的一些实施例的功率模块的全桥功率模块示意图；

图8为本申请公开的一些实施例的功率模块的多桥功率模块示意图；

图9为本申请公开的一些实施例的冷却系统模块的三种工作模式的模式一示意图；

图10为本申请公开的一些实施例的冷却系统模块的三种工作模式的模式二示意图；

图11为本申请公开的一些实施例的冷却系统模块的三种工作模式的模式三示意图。

图中：1、壳体；11、底座；12、顶外壳；2、冷却系统模块；21、进出水口；211、进水口；212、出水口；22、冷却管道；221、顶部冷却管道；222、底部冷却管道；223、回流冷却管道；3、功率模块；31、水冷功率半导体模块；32、扰流柱；33、信号端子； 34、功率端子；4、控制器；41、第一阀门；42、第二阀门；43、第三阀门；44、第四阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1和图2，本发明实施例中，一种浸入式水冷功率模块装置、散热控制方法及设计方法，包括壳体1、冷却系统模块2，以及功率模块3。

壳体1，其包括用于起到支撑作用的底座11，以及设置于底座11上端向下形成密封状态的顶外壳12。

冷却系统模块2，其包括设置于壳体1的进出水口21，所述进出水口21包括设置于底座11一侧用于冷却液体进入的进水口211，以及设置于底座11另一侧用于冷却液体排出的出水口212。以及与壳体1集成形成的冷却管道22，所述冷却管道22包括设置于顶外壳12与水冷功率半导体模块31之间的顶部冷却管道221、设置于底座11与水冷功率半导体模块31之间的底部冷却管道222，以及布置于底座11的回流冷却管道223，所述回流冷却管道223两端分别连接于顶部冷却管道221和出水口212。

功率模块3，其包括设置于底座11与顶外壳12之间的水冷功率半导体模块31，以及垂直设置于水冷功率半导体模块31上下表面的若干个扰流柱32。该功率模块3放置于底座11与顶外壳12之间。扰流柱32分别向上侵入顶部冷却管道221，向下侵入底部冷却管道222。

在一些具体的实施例中，所述出水口212处设置有用于排液控制的第一阀门41，所述顶部冷却管道221与底部冷却管道222首端连通处设置有第二阀门42，所述顶部冷却管道221与底部冷却管道222尾端连通处设置有第四阀门44，所述顶部冷却管道221与回流冷却管道223连通处设置有第三阀门43。

具体的，如图3所示，本发明的浸入式双面水冷功率模块3装置设置有控制器4分别连接于第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43，以及第四阀门44。

如图4、图5、图6、图7和图8所示，图示出浸入式双面水冷功率模块装置的功率模块3的不同结构。具体包括单管功率模块、半桥功率模块、双半桥功率模块、全桥功率模块，以及多桥功率模块，其结构与原理类似。能够实现相同的功能作用。

在一些具体的实施例中，所述水冷功率半导体模块31侧边设置有用于信号传输的信号端子33和功率端子34。

一种包括如上任一项所述的一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的散热控制方法，具体步骤包括：

实时获取工作状态下功率模块3的工作温度T；

将获取的工作温度T与预设温度阈值比较，判断采取不同散热模式的具体步骤为：

将获取的工作温度T与预设温度阈值比较；

具体的，如图9、图10和图11所示，图示为本发明的三种工作模式。

当工作温度T不超过预设温度阈值T1时，采用模式二，打开第一阀门41、第二阀门42、第四阀门44，关闭第三阀门43，此时冷却液自进水口211进入后，一部分通过底部冷却管道222经由第一阀门41流出出水口212，另一部分通过第二阀门42进入顶部冷却管道221，流经功率模块3的顶部的扰流柱32对功率模块3进行散热，然后通过第四阀门 44进入底部冷却管道222，并与底部冷却管道222的冷却液汇流，然后与底部冷却管道222 的冷却液一块通过第一阀门41流出出水口212，进行扰流散热；

当工作温度T大于预设温度阈值T1且小于预设温度阈值T2时，采用模式一，打开第一阀门41，关闭第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44，此时冷却液由进水口211流经功率模块3底部的扰流柱32对功率模块3进行散热，然后经出水口212流出，此模式下冷却液仅流经底部冷却管道222，从而进行扰流散热；

当工作温度T大于预设温度阈值T2时，采用模式三，打开第三阀门43，第四阀门44，关闭第一阀门41、第二阀门42，此时冷却液自进水口211进入后流经底部冷却管道222，然后通过第四阀门44进入顶部冷却管道221，再通过第三阀门43进入回流冷却管道223 回流至底部冷却管道222的出口段，最后通过出水口212流出。

一种包括如上所述的一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的冷却管道设计方法，能够解决由于顶部冷却管道221与底部冷却管道222的压降是一致的，而顶部冷却液流经的路径较长，故通过顶部冷却管道221的冷却液流量小于通过底部冷却管道222的流量，从而导致两个管道存在的流量差异。

具体步骤包括：

根据功率模块3的扰流柱32制作尺寸，从而获取功率模块3装置的底部冷却管道222 的宽度a与高度b₁，以及设定顶部冷却管道221的宽度a与高度b₂，从而分别计算底部冷却管道222与顶部冷却管道221的当量直径d₁与d₂；

根据底部冷却管道222与顶部冷却管道221的水头损失一致，得到底部冷却管道222 与顶部冷却管道221的水头损失关系，具体公式如下：

冷却管道的沿程水头损失公式为：

冷却管道的局部水头损失公式为：

底部冷却管道222与顶部冷却管道221的水头损失关系公式为：

P_f1+P_m1＝P_f2+P_m2；

其中，c为沿程阻力系数，β为局部阻力系数，l_p为管道的长度，ρ为冷却液的密度，v为冷却液的流速，d为冷却管道的当量直径，P_f1、P_m1、P_f2、P_m2分别为底部冷却管道222 与顶部冷却管道221的沿程水头损失和局部水头损失。

根据底部冷却管道222与顶部冷却管道221的流量一致，得到冷却管道的冷却液流速关系；

根据水头损失关系和冷却液流速关系，得到顶部冷却管道221的高度的具体步骤包括：

所述冷却液流速关系公式为：

根据水头损失关系公式，得到底部冷却管道222的高度为：

其中，m＝c₁l₁(a+b₁)，n＝4ab₁β+b₁c₂l₂，g＝ac₂l₂。

从而能够确定顶部冷却管道221和底部冷却管道222的尺寸，从而使得管道流量差异消除，保证更好的散热效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置，其特征在于，包括：

壳体(1)，所述壳体包括底座(11)，以及设置于底座的顶外壳(12)；

冷却系统模块(2)，所述冷却系统模块包括设置于壳体的进出水口(21)，以及冷却管道(22)；

所述进出水口包括设置于底座一侧的进水口(211)，以及设置于底座另一侧的出水口(212)；

所述冷却管道包括设置于顶外壳与水冷功率半导体模块之间的顶部冷却管道(221)、设置于底座与水冷功率半导体模块之间的底部冷却管道(222)，以及布置于底座的回流冷却管道(223)，所述回流冷却管道两端分别连接于顶部冷却管道和出水口；

功率模块(3)，所述功率模块包括设置于底座与顶外壳之间的水冷功率半导体模块(31)，以及设置于水冷功率半导体模块两侧面的若干个扰流柱(32)；

所述出水口处设置有第一阀门(41)，所述顶部冷却管道与底部冷却管道首端连通处设置有第二阀门(42)，所述顶部冷却管道与底部冷却管道尾端连通处设置有第四阀门(44)，所述顶部冷却管道与回流冷却管道连通处设置有第三阀门(43)；

第一阀门、第二阀门、第三阀门，以及第四阀门能够切换不同散热模式，具体步骤为：

实时获取工作状态下功率模块的工作温度T；

将获取的工作温度T与预设温度阈值比较，判断采取不同散热模式；

当工作温度T不超过预设温度阈值T1时，采用打开第一阀门、第二阀门、第四阀门，关闭第三阀门，进行扰流散热；

当工作温度T大于预设温度阈值T1且小于预设温度阈值T2时，采用打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门，进行扰流散热；

当工作温度T大于预设温度阈值T2时，采用打开第三阀门，第四阀门，关闭第一阀门、第二阀门，进行扰流散热。

2.根据权利要求1所述一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置，其特征在于，所述水冷功率半导体模块侧边设置有信号端子(33)和功率端子(34)。

3.一种包括如权利要求1至2任一项所述的一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的散热控制方法，其特征在于，具体步骤包括：

实时获取工作状态下功率模块的工作温度T；

将获取的工作温度T与预设温度阈值比较，判断采取不同散热模式。

4.一种包括如权利要求1至2任一项所述的一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的冷却管道设计方法，其特征在于，具体步骤包括：

获取功率模块装置的底部冷却管道的宽度a与高度b₁，以及设定顶部冷却管道的宽度a与高度b₂，计算底部冷却管道与顶部冷却管道的当量直径d₁与d₂；

根据底部冷却管道与顶部冷却管道的水头损失一致，得到底部冷却管道与顶部冷却管道的水头损失关系；

根据底部冷却管道与顶部冷却管道的流量一致，得到冷却管道的冷却液流速关系；

根据水头损失关系和冷却液流速关系，得到顶部冷却管道的高度。

5.根据权利要求4所述一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的冷却管道设计方法，其特征在于，所述水头损失关系具体为：

冷却管道的沿程水头损失公式为：

冷却管道的局部水头损失公式为：

底部冷却管道与顶部冷却管道的水头损失关系公式为：

P_f1+P_m1＝P_f2+P_m2；

其中，c为沿程阻力系数，β为局部阻力系数，l_p为管道的长度，ρ为冷却液的密度，v为冷却液的流速，d为冷却管道的当量直径，P_f1、P_m1、P_f2、P_m2分别为底部冷却管道与顶部冷却管道的沿程水头损失和局部水头损失。

6.根据权利要求5所述一种高效节能的浸入式双面水冷功率模块装置的冷却管道设计方法，其特征在于，所述根据水头损失关系和冷却液流速关系，得到顶部冷却管道的高度的具体步骤包括：

所述冷却液流速关系公式为：

根据水头损失关系公式，得到底部冷却管道的高度为：

其中，m＝c₁l₁(a+b₁)，n＝4ab₁β+b₁c₂l₂，g＝ac₂l₂。

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