專利名稱：用于電力電子設(shè)備的相變冷卻的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電力電子設(shè)備的相變冷卻的裝置及其方法。更具 體地，本發(fā)明涉及用于冷卻包括逆變器電路的電力電子設(shè)備的裝置和 方法，其中逆變器電路將電流提供給牽引電機(jī)，該牽引電機(jī)用于驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)車輛，諸如但不局限于電池驅(qū)動(dòng)的車輛、油-電混合動(dòng)力車輛和 燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛。
背景技術(shù)：
使用牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛車輪的車輛，無論電機(jī)是在油-電混合動(dòng)力車輛中還是在燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛中，都典型地使用與逆變器電路聯(lián)接的三相交流電機(jī)，該逆變器電路將來自電源的直流轉(zhuǎn)換為交流。目前，逆變器電路通常包括安裝在具有集成母線的DBC (直接敷銅板，direct bonded copper)基板上的功率晶體管。當(dāng)汽車起步、改變巡航速度、加速和制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)車輛的牽引電 機(jī)的功率需求在很寬的范圍上波動(dòng)。功率需求的波動(dòng)導(dǎo)致連接到牽引電機(jī)的電力電子設(shè)備中的溫度變化。電力電子設(shè)備包括由具有不同的 膨脹系數(shù)的不同材料組成的逆變器電路。因此，由于當(dāng)逆變器電路的 集成的部件以不同的速率膨脹時(shí)，所述部件在響應(yīng)于溫度變化時(shí)傾向 于相對(duì)于彼此輕微地移動(dòng)，所以熱波動(dòng)會(huì)惡化逆變器電路。必須控制 溫度以將部件的膨脹和收縮保持在可接受的水平內(nèi)。目前，這通過使 流體穿過與DBC相聯(lián)的散熱器循環(huán)或通過使空氣流過其上方以吸收并 帶走熱量而實(shí)現(xiàn)。雖然這些方法目前顯得令人滿意，但仍需要在使用牽引電機(jī)的車輛的壽命期間較精確地控制逆變器電路的溫度，以維持 可靠性并控制電力消耗。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述考慮，提供一種冷卻裝置，用于冷卻電力電子設(shè)備的部 件，該電力電子設(shè)備連接到牽引電機(jī)以為其提供電流，該牽引電機(jī)用 于驅(qū)動(dòng)汽車的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。該裝置包括具有艙室的外殼，該艙室 具有容納所述部件的空間。該艙室具有用于與所述空間連通的冷卻流 體的入口和出口。該冷卻流體是非腐蝕性電介質(zhì)冷卻流體，該電介質(zhì) 冷卻流體通過泵在液相下分配到所述空間中和逆變器電路的部件上， 該泵用于從儲(chǔ)蓄器再循環(huán)電介質(zhì)冷卻劑，該儲(chǔ)蓄器從部件收集電介質(zhì) 冷卻劑。電介質(zhì)冷卻劑具有相變點(diǎn)，該相變點(diǎn)被選擇成在冷卻劑汽化 之前在冷卻劑的沸騰溫度下吸收大量的熱量。將再循環(huán)流體在液相下 再應(yīng)用到電力電子部件上之前，儲(chǔ)蓄器使用在液體-流體熱交換器中 的第二冷卻劑冷凝再循環(huán)流體。在冷卻裝置的其它方面中，電介質(zhì)冷卻劑具有在90"C到1201C的范圍內(nèi)的沸點(diǎn)。在冷卻裝置的其它方面中，電介質(zhì)冷卻劑具有低于ioox:的沸點(diǎn)。 在冷卻裝置的其它方面中，電介質(zhì)冷卻劑具有大約98X:的沸點(diǎn)。 在冷卻裝置的其它方面中，電介質(zhì)冷卻劑流體是丙二醇甲基醚和六曱基二硅氧烷的混合物。在其它方面中，提供一種冷卻電力電子設(shè)備的方法，其中通過再循環(huán)冷卻劑流體從用于驅(qū)動(dòng)車輪的電力電子設(shè)備吸熱，該冷卻劑流體當(dāng)從電力電子設(shè)備吸熱時(shí)發(fā)生相變，然后被冷凝并作為液體再被噴射 到電力電子設(shè)備上。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，由于本發(fā)明將被更好理解，本發(fā)明的各種其 它特征和附帶的優(yōu)點(diǎn)將變得更容易被完全理解，在所有若干附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同或相似的部件，并且其中圖l是具有油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的汽車的示意圖；圖2是使用燃料電池電力驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)的汽車的示意圖；圖3是與圖1和圖2的車輛一起使用的用于冷卻并冷凝電力電子設(shè)備冷卻劑流體的熱交換器回路的示意圖；圖4是根據(jù)圖3所示的本發(fā)明的第二實(shí)施例構(gòu)造的噴霧冷卻的逆變器電路的前視圖；圖5是用于冷卻并冷凝汽化的冷卻劑的熱交換器回路的另一個(gè)實(shí) 施例的示意圖，所述冷卻劑用于冷卻在圖1和圖2的車輛中使用的電 力電子設(shè)備。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出用于驅(qū)動(dòng)車輛12的油-電驅(qū)動(dòng)裝置10的示例， 該車輛使用內(nèi)燃機(jī)14和三相牽引電機(jī)16通過變速器17驅(qū)動(dòng)車輛的 車輪18。動(dòng)力分配器22確定是內(nèi)燃機(jī)14或電機(jī)16驅(qū)動(dòng)變速器17， 還是變速器或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)24。在替代實(shí)施例(未示出)中，發(fā) 電機(jī)24安裝成與牽引電機(jī)16相鄰，并且用與牽引電機(jī)相同的裝置冷 卻。發(fā)電機(jī)24給蓄電池26充電并/或?qū)⒅绷麟娏魈峁┙o逆變器電路 28,該逆變器電路為牽引電機(jī)16提供交流電流。由于逆變器電路28 產(chǎn)生熱量，所以逆變器電路需要冷卻裝置32。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 冷卻裝置32連接到與冷卻內(nèi)燃機(jī)14的散熱器34熱聯(lián)接的密封冷卻 回路33。冷卻裝置32具有與逆變器電路28形成一體以形成模塊35 的至少一部分。現(xiàn)在參照?qǐng)D2，燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IO，使用燃料電池40給通過變 速器17，驅(qū)動(dòng)車輪18的三相牽引電機(jī)16供給電力。燃料電池40或者 直接或者通過蓄電池組26，連接以將直流電流供給到逆變器電路28，， 該逆變器電路將直流電流轉(zhuǎn)換成用于三相電機(jī)16的交流電流。如圖1 的油-電混合動(dòng)力一樣，逆變器電路28，具有通過冷卻回路33，熱聯(lián)接 到用于冷卻燃料電池40的散熱器34，的冷卻裝置32，。如圖1的第一實(shí)施例一樣，在圖2的第二實(shí)施例中，冷卻裝置32，至少部分地與逆 變器電路28，形成一體?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，分別在圖1和圖2中所示的逆變器冷卻裝置32或 32，可用于油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置10或燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置10，。 油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置IO和燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置IO，僅是這種驅(qū)動(dòng)裝置的 各種構(gòu)造的示例。例如，油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置10可被構(gòu)造成并聯(lián) 布置、串聯(lián)布置或其它有效的布置，燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置IO，也可一樣。 油-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置10可使用汽油機(jī)、柴油機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或任 何其它發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造。通過使用冷卻劑分配器60，液體冷卻劑64直接應(yīng)用到電力電子 設(shè)備中的熱源，即將直流轉(zhuǎn)換成交流的功率晶體管52。冷卻使得逆變 器電路28的功率密度(每單位體積的功率)可增大。為了被液體冷 卻劑64冷卻，由功率晶體管52產(chǎn)生的熱量不需要穿過多層材料，所 述材料中的一些具有低導(dǎo)熱率。相反，由噴霧冷卻提供的直接熱路徑 降低功率晶體管52的溫度。在功率晶體管52具有較低溫度的情況下， 可得到通過逆變器電路28到三相牽引電機(jī)16的增大的功率?；蛘?， 通過改善的冷卻，可使用較小的逆變器電路28產(chǎn)生到牽引電機(jī)16的 基本相同的可用功率，同時(shí)占用較小的空間。由噴嘴62提供的噴霧冷卻也可用在與逆變器電路28相聯(lián)的其它 部件上，諸如電容器、變壓器和對(duì)溫度敏感的集成電路。而且，噴霧 冷卻提供對(duì)逆變器電路28的元件之間的引線接合的冷卻，并且避免 引線接合過熱，因而使故障最少。因此，與獲得的部件溫度的降低一 起提供了改善的可靠性。由于噴霧冷卻提供了增大的冷卻能力，因此噴霧冷卻提高了逆變 器電路28對(duì)瞬態(tài)功率波動(dòng)的抵抗性。瞬態(tài)功率波動(dòng)由于車輛12 (圖 1和2)要求的功率在短時(shí)間中突然增大而存在于到逆變器電路28的 輸入中。該波動(dòng)可由對(duì)電機(jī)16輸出的增大的阻抗引起，該增大的阻 抗繼而引起功率晶體管52中的溫度升高。通過使冷卻介質(zhì)64直接應(yīng)用到功率晶體管52，減小了在持續(xù)時(shí)間和溫度升高上的溫度變化。為了使冷卻劑64不與逆變器電路28的部件電地相互作用或惡化 逆變器電路28的部件，冷卻劑是電介質(zhì)冷卻劑，優(yōu)選地具有在約90 *C到120 "C的范圍內(nèi)的沸點(diǎn)。推薦的冷卻劑是甲基硅氧烷 (methylsiloxane )和諸如聚丙二醇甲基醚(polypropylene glycol methyl ether)的有機(jī)化合物的混合物，其中冷卻劑具有最小的不穩(wěn) 定性和反應(yīng)性。這種液體的一個(gè)示例是可從Dow Corning />司買到的 OS-120,它是六甲基二硅氧烷(hexmethyldisiloxane)和丙二醇曱基 醚(propylene glycol methyl ether)的混合物，六甲基二珪氧烷具 有高于60%的重量百分比，并且丙二醇甲基醚具有在10%到30%的 范圍內(nèi)的重量百分比。OS-120具有約98X:的沸點(diǎn)，并且是當(dāng)用于冷 卻相互連接的電部件時(shí)不降解的電介質(zhì)材料。電介質(zhì)液體冷卻劑64 在大約981C下繼續(xù)吸熱而不相變成其蒸汽形式64，，直到冷卻劑的熱 容量達(dá)到其沸點(diǎn)，此時(shí)液體冷卻劑汽化以帶走由功率晶體管52產(chǎn)生 的和從電力電子組件的其他部件散發(fā)出的熱量。作為OS-120的替代 物，可使用具有最小不穩(wěn)定性和與逆變器的電部件的最小反應(yīng)性的其 它電介質(zhì)冷卻劑。仍主要參照?qǐng)D3，冷卻劑64被作為液體噴射，并被收集在艙室50 的集液部分70中，并通過噴射返回通道72返回到儲(chǔ)蓄器74,該儲(chǔ)蓄 器通過過濾器75連接到泵76。泵76通過管線76a連接到液體分配器 60,該液體分配器將循環(huán)液體冷卻劑64供給到用于逆變器電路28的 持續(xù)冷卻的噴霧噴嘴62。當(dāng)液體冷卻劑64通過儲(chǔ)蓄器74循環(huán)時(shí)，液 體冷卻劑通過具有第二液體冷卻劑77的逆變器冷卻回路33或33，(也 見圖l和圖2)冷卻。第二液體冷卻劑77的示例是乙二醇水溶液。第 二冷卻劑77流過儲(chǔ)蓄器74中的管道78，并且由冷卻圖1的內(nèi)燃機(jī)14 的散熱器34供給，或者由冷卻圖2的燃料電池組40的散熱器34，供 給。圖3的冷卻裝置利用了冷卻劑64的汽化的潛熱。當(dāng)液體冷卻劑64被噴射到在比冷卻劑的汽化(即，沸騰)溫度高的溫度下操作的電力電子部件上時(shí)，冷卻劑從液體冷卻劑64相變?yōu)槠鋮s劑64，。當(dāng)汽 化冷卻劑分散到腔50，中時(shí)，汽化冷卻劑64，從逆變器電路28 (或28，) 帶走廢熱。冷卻劑回路33或33，包括與儲(chǔ)蓄器74，分離的冷凝器200 以及用于將汽化冷卻劑64，從艙室50，輸送到冷卻劑200的單獨(dú)的通道 206。來自車輛散熱器34或34，的第二冷卻劑流77通過冷卻劑管78， 循環(huán)，以將冷卻劑從蒸汽64，相變?yōu)槔鋮s劑液體64。來自冷凝器200 的液體64與儲(chǔ)蓄器74，中的液體混合并且在被泵76通過管線76a泵 回流體分配器60之前通過過濾器75過濾，冷卻劑64在所述流體分 配器處被以液體形式噴射到電力逆變器電路28上。泵76優(yōu)選地是由控制器79控制的可變輸出泵，該控制器通過來 自輸出線路81的線路80上的輸出電流信號(hào)促動(dòng)，該輸出線路81從 功率晶體管52到三相電機(jī)16。當(dāng)功率晶體管52的輸出增大時(shí)，控制 器79增大泵75的泵送速率。通過提供可變噴霧冷卻，實(shí)現(xiàn)了在所有 操作條件下的溫度控制。這種裝置通過使溫度變化最小以便使逆變器 電路28在基本等溫的條件下操作而提高了部件可靠性。通過一致地 控制通過噴霧噴嘴62噴射的電介質(zhì)液體冷卻劑64的量，在最大功率 消耗條件下提供了充足的液體薄霧。液體薄霧64在被噴射到逆變器 電路28上之后呈現(xiàn)轉(zhuǎn)化到蒸汽64，的相變。當(dāng)該相變發(fā)生時(shí)，功率晶 體管52保持在基本恒定的溫度，而與增大的功率輸出和增大的功率 消耗無關(guān)。通過相對(duì)于實(shí)際部件功率消耗改變液體冷卻劑64的流動(dòng)， 利用了包括液體冷卻劑64的流體的相變區(qū)域，以便使冷卻劑適應(yīng)所 有操作條件?；蛘撸捎脽犭娕急O(jiān)測晶體管52的溫度，當(dāng)晶體管的溫度升高 時(shí)增大泵76的速度，以噴射較多液體冷卻劑并由此降低晶體管的溫 度?，F(xiàn)在結(jié)合圖3較特定地參照?qǐng)D4，圖3的噴霧冷卻裝置被構(gòu)造為 示于圖4的模塊35或35，。由泵76的負(fù)壓通過通道206抽吸蒸汽64，并使其進(jìn)入冷凝器200。在圖4的裝置中，冷凝器200布置在儲(chǔ)蓄器 74上方，以便使從冷卻劑蒸汽64，被冷凝的液體冷卻劑64流下并與已 經(jīng)由通道72進(jìn)入儲(chǔ)蓄器的過噴的冷卻劑液體64混合所有被冷卻的 和被冷凝的冷卻劑繼而被抽吸通過過濾器75并且進(jìn)入泵76;通過泵 再循環(huán)，并且繼而通過噴嘴62作為液體薄霧或液滴64被噴射到逆變 器電路28上。液體薄霧或液滴64在逆變器電路28上形成液體層， 并且如上所述，該液體層吸熱并且液體的至少一部分汽化成蒸汽64，。 蒸汽64，繼而被泵76通過通道206抽吸到冷凝器200中，并且在儲(chǔ)蓄 器74中與冷卻的液體冷卻劑64混合以繼續(xù)冷卻循環(huán)。現(xiàn)在參照?qǐng)D5,示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中僅是汽化冷卻劑 64，再循環(huán)，已經(jīng)去除了圖3的管線72。通過該裝置，通過液體冷卻 劑64的汽化熱基本控制了電力電子設(shè)備28的溫度，該溫度在上述os-i20的情況下低于ioox:。從以上說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地確定本發(fā)明的基本特 征，而且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可做出本發(fā)明的各 種修改和變型，以使其適于各種用途和條件。
權(quán)利要求
1. 一種用于冷卻逆變器電路的冷卻裝置，所述逆變器電路給牽引電機(jī)提供電流，所述牽引電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)汽車的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，所述裝置包括具有容納所述逆變器電路的部件的空間的容納艙室；與容納所述逆變器電路的部件的所述空間連通的新鮮冷卻劑流體入口和用過的冷卻劑流體出口；電介質(zhì)液體冷卻劑；冷卻流體分配器，該冷卻流體分配器用于將所述電介質(zhì)液體冷卻劑在液相下噴射到所述空間中和所述逆變器電路的部件上；冷凝器，該冷凝器用于液化當(dāng)從所述逆變器電路的部件吸收了足夠的熱量而發(fā)生相變時(shí)已從液相轉(zhuǎn)化為氣相的電介質(zhì)冷卻劑；以及泵，該泵用于使所述電介質(zhì)冷卻劑主要在液相時(shí)從儲(chǔ)蓄器和所述冷凝器循環(huán)到用于循環(huán)冷卻所述逆變器電路的部件的所述空間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述冷卻裝 置還包括用于監(jiān)測所述部件的冷卻需求的控制器，該控制器連接到所 述泵，以根據(jù)所述部件的冷卻需求給所述泵提供動(dòng)力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述電介質(zhì) 冷卻劑流體是丙二醇甲基醚和六曱基二硅氧烷的混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)蓄器、 冷凝器過濾器和泵相互緊鄰布置以提供一模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻裝置，其特征在于，所述控制器 連接到所述電力電子設(shè)備的電力輸出，并且響應(yīng)于所述電力電子設(shè)備 的增大的電力輸出而增大所述泵的冷卻劑輸出以在較快的速率下分配 并再循環(huán)電介質(zhì)冷卻劑流體，以吸收由額外功率輸出產(chǎn)生的額外熱 量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述冷卻裝 置還包括用于收集在噴射到所述電力電子設(shè)備上之后保持在液相的電 介質(zhì)流體的過噴部分的儲(chǔ)蓄器，該儲(chǔ)蓄器冷卻所述液體用于隨后在所 述電力電子設(shè)備上再循環(huán)。
7. —種冷卻電力電子設(shè)備的方法，所述電力電子設(shè)備給牽引電機(jī)提供電流，所述牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，所述方法包括將電介質(zhì)液體冷卻劑噴射到所述電力電子設(shè)備上，所述電介質(zhì)液 體冷卻劑具有汽化潛熱，該汽化潛熱足以在所述電介質(zhì)液體冷卻劑保蒸汽之前從所述電力電子設(shè)備持續(xù)去除熱量；將所述蒸汽冷凝成液體，并且將所述液體再循環(huán)到所述電力電子 設(shè)備上，用于隨后的汽化，以連續(xù)地冷卻所述電力電子設(shè)備并保持所 述電力電子設(shè)備的溫度低于選定的水平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 監(jiān)測所述電力電子設(shè)備的功率輸出，以及當(dāng)該功率輸出增大時(shí)增大冷 卻劑液體的再循環(huán)的速率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)冷卻劑是丙二醇甲基醚和六甲基二硅氧烷的混合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述恒定的溫度不高于ioox:。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述恒定的溫度 出現(xiàn)在大約90'C到大約120'C的范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述恒定的溫度不高于ioox:。
全文摘要
通過將電介質(zhì)液體冷卻劑直接噴射到逆變器電路上，在封閉系統(tǒng)中冷卻用于驅(qū)動(dòng)汽車的牽引電機(jī)的電力電子設(shè)備。液體冷卻劑當(dāng)在包括電力電子設(shè)備的逆變器電路中從功率晶體管吸熱時(shí)發(fā)生相變并汽化。產(chǎn)生的蒸汽在熱交換裝置中冷凝回液體，該熱交換裝置具有從散熱器輸送第二冷卻劑的管道，該散熱器用于冷卻汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池堆。保持在液態(tài)的過噴冷卻劑也可通過熱交換裝置冷卻。通過利用電介質(zhì)冷卻劑的汽化潛熱并當(dāng)功率輸出增大時(shí)增大冷卻劑的再循環(huán)速率，控制了電力電子設(shè)備中的溫度升高。
文檔編號(hào)B60K11/02GK101282075SQ20071009214
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月2日
發(fā)明者E·R·奧斯特倫, G·S·史密斯, G·約翰, K·D·康羅伊 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司