СИСТЕМА АКТИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ПРИВОДА
SYSTEM OF ACTIVE COOLING OF ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к системе охлаждения привода автомобиля, например, с гибридным приводом или электроприводом.
Для охлаждения традиционного привода автомобиля, силовым агрегатом которого является двигатель внутреннего сгорания, применяется, как правило, водяное или воздушное охлаждение. Тепло от двигателя через теплообменник выводится наружу и/или используется для отопления салона. На фиг.1 схематично показано, как осуществляется водяное охлаждение приводного узла VA' двигателя внутреннего сгорания (например, двигателя внутреннего сгорания) посредством контура охлаждения 4' с вентилятором 2' и теплообменником 3'. Необходимые для циркуляции охлаждающей жидкости водяные, соответственно, циркуляционные, насосы, простоты ради, здесь и на всех последующих функциональных схемах не представлены. Для оптимального, с точки зрения потребления энергии и износа, функционирования приводного узла VA' двигателя внутреннего сгорания температура охлаждающего вещества обычно лежит в диапазоне между приблизительно 60°C и 120°С. По сравнению с температурой внешней среды температура в контуре охлаждения 4' приводного узла VA' двигателя внутреннего сгорания значительно выше, поэтому, с одной стороны, обеспечивается эффективный отвод тепла при высоких, например тропических, температурах внешней среды, а с другой - возможно эффективное отопление салона, например, зимой.
В соответствии с представленной на фиг.2 функциональной схемой, с так называемыми альтернативными приводами (например, гибридным или электроприводом) с дополнительными приводными узлами, такими как, например, приводной узел EA' электромотора, содержащий, в частности, электродвигатель 5', преобразователь частоты 6' и энергоаккумулятор 7' (например, аккумуляторная батарея, конденсатор сверхбольшой емкости и т.д.), в настоящее время часто применяются простые системы воздушного охлаждения - пассивные (по большей части только ребра охлаждения) или активные с вентилятором 8'. В дополнение к этому в сверхмощном приводе применяется также контур охлаждения FK' с охлаждающими жидкостями для электрических функциональных элементов. В таком контуре охлаждения FK' потерянное тепло выводится наружу посредством вентилятора 8' и теплообменника 9'. Традиционная привязка к контуру охлаждения 4' приводного узла VA' двигателя внутреннего сгорания, как правило, не производится, в частности, поскольку уровень температуры в нем слишком высок, и это могло бы привести к тому, что электрические функциональные элементы имели бы значительно большие размеры.
В то время как приводной узел двигателя внутреннего сгорания (например, двигатель внутреннего сгорания) требует для оптимального функционирования относительно высоких температур охлаждающего вещества, в случае электрических компонентов, которые по большей части сопряжены с узлом электромотора, дело обстоит совсем по-другому. Им необходимы низкие температуры для оптимального функционирования и/или для более компактных размеров.
Так, электродвигатели, например, содержат магниты и медные обмотки, потери в которых увеличиваются с увеличением температуры. Кроме того, максимальная температура четко ограничена требованиями температурной стойкости эмалевой изоляции и устойчивости к размагничиванию при температурных воздействиях. Чем ниже температура поддерживается в обмотке и магнитах, тем ниже мощность потерь и тем меньшего размера, соответственно, более компактным может быть выполнен электродвигатель.
В преобразователе частоты, например, применяются высокомощные полупроводниковые элементы (например, МОП-транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)), которые даже при небольшом перегревании (температура запирающего слоя выше приблизительно 175°C) необратимо разрушаются. Чем ниже температура поддерживается в мощных полупроводниковых элементах, тем ниже потери и тем меньше необходимость в управляющих полупроводниковых элементах. Это влияет не только на размеры преобразователя частоты, но и на издержки.
Энергоаккумуляторы, например, имеют различные характеристики в зависимости от технологии. Однако все они, как правило, имеют одинаковое свойство, заключающееся в том, что низкие температуры являются выгодными в отношении коэффициента полезного действия и срока службы.
Таким образом, требования к температуре охлаждения у традиционных приводов с узлом двигателя внутреннего сгорания отличаются по сравнению с альтернативными приводами с электрическими силовыми компонентами.
В дополнение к этому, в частности, в альтернативных приводах мощности потерь силовых агрегатов не достаточно для удовлетворительного отопления салона автомобиля, в том числе зимой. Поэтому сами по себе относительно маленькие мощности потерь приводного узла электродвигателя были бы полезны для отопления, или поддержания температуры в салоне автомобиля. Объединение обоих условий является затруднительным и дорогостоящим из-за разных температурных требований.
Задачи, следующие из вышесказанного, могут быть решены, в частности, признаками независимого пункта формулы настоящего изобретения. Изобретение, однако, не ограничивается конструктивными решениями, устраняющими все указанные в начале проблемы или недостатки уровня техники. Более того, изобретение претендует на общую защиту описанных ниже примеров осуществления изобретения.
Согласно изобретению предлагается система охлаждения для привода автомобиля, в частности, для гибридного или электропривода и других альтернативных типов привода.
Система охлаждения содержит контур охлаждения, например, предпочтительно для активного охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента автомобиля и по меньшей мере один функциональный контур, например, для охлаждения приводного узла двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Вместо этого или в дополнение к этому система охлаждения содержит функциональный контур, например, для поддержания температуры в салоне, в частности, для отопления салона автомобиля. Вышеназванные функциональные контуры могут, например, являться конструктивно разными контурами или быть выполнены в виде одного функционального контура.
Контур охлаждения и функциональный контур для охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента и/или для поддержания температуры в салоне предпочтительно могут быть энергетически связаны, или соединены, друг с другом, в частности, посредством теплового насоса.
Тепловой насос может функционировать по принципу нагнетателя или по другому принципу, предпочтительно по принципу активного охлаждения, например, как абсорбционный охладитель, охладитель на основе элементов Пельтье и т.д., или на основе других подходящих принципов или других процессов.
Преимущество изобретения состоит в том, что можно отказаться от воздушного охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента, однако это не является обязательным. Воздушное охлаждение является относительно маломощным и, в частности, для высоких температур дорогостоящим и требующим тщательного обслуживания. По меньшей мере один электрический компонент, например один или несколько электродвигателей, может быть выполнен более компактным и с меньшими затратами, благодаря чему оказываются возможными новые схемы построения узлов. Таким же образом по меньшей мере один электрический компонент, например, электронный преобразователь частоты, может быть выполнен более компактным и с меньшим количеством полупроводниковых элементов, а значит и с меньшими затратами. Кроме того, возможно выполнение улучшенной системы отопления салона автомобиля с оптимизированными по коэффициенту полезного действия альтернативными приводами (с малыми тепловыми потерями).
Контур охлаждения предпочтительно может являться низкотемпературным контуром охлаждения, и/или функциональный контур предпочтительно может являться высокотемпературным функциональным контуром. Это означает, что в процессе функционирования температура охлаждающего вещества контура охлаждения ниже, чем температура охлаждающего вещества функционального контура.
В частности, контур охлаждения для охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента является низкотемпературным контуром охлаждения либо содержит таковой.
Кроме того, функциональный контур для охлаждения приводного узла двигателя внутреннего сгорания является высокотемпературным функциональным контуром либо содержит таковой. Кроме того, функциональный контур для поддержания температуры в салоне является нагревательным контуром и/или контуром охлаждения либо содержит таковой. Особенно предпочтительным является выполнение функционального контура для поддержания температуры в салоне в форме нагревательного контура для отопления салона автомобиля.
Основой функционального контура предпочтительно является охлаждающее вещество. Температура охлаждающего вещества функционального контура в процессе работы составляет предпочтительно от 60 до 120°С. Охлаждающим веществом предпочтительно является жидкость.
Основой контура охлаждения предпочтительно является охлаждающее вещество. Температура охлаждающего вещества контура охлаждения в процессе работы предпочтительно на 30-60°С ниже температуры охлаждающего вещества функционального контура. Охлаждающим веществом предпочтительно является жидкость с высокими теплообменными свойствами.
Контур охлаждения и функциональный контур предпочтительно связаны друг с другом таким образом, что тепло из контура охлаждения подводится в функциональный контур и/или тепло потерь по меньшей мере одного электрического компонента подводится в функциональный контур, например, для отопления салона автомобиля.
По меньшей мере один электрический компонент предпочтительно имеет тепловые потери.
По меньшей мере один электрический компонент содержит по меньшей мере один приводной узел электромотора, по меньшей мере один электродвигатель, предпочтительно работающий как генератор и/или мотор, по меньшей мере один электронный преобразователь частоты, по меньшей мере один электрический энергоаккумулятор (например, аккумуляторная батарея, конденсатор сверхбольшой емкости и т.д.), силовые электронные устройства и/или систему управления двигателем, или является по меньшей мере одним из них. По меньшей мере один электрический компонент предпочтительно содержит один или несколько функциональных элементов, сопряженных с узлом электромотора, в частности, электрических или электронных элементов.
Контур охлаждения предпочтительно содержит нагнетатель, дроссель, испаритель, конденсатор и/или компрессор.
Привод нагнетателя может осуществляться посредством электродвигателя, который питается энергией предпочтительно по меньшей мере через один преобразователь частоты от бортовой электрической сети или от электрического энергоаккумулятора. Вместо этого или в дополнение к этому привод нагнетателя может осуществляться посредством приводного узла двигателя внутреннего сгорания.
По меньшей мере один функциональный узел предпочтительно связан с функциональным контуром посредством теплового насоса и/или теплообменного устройства таким образом, что тепло (жар или холод), выработанное или аккумулированное в функциональном узле, и/или тепло потерь функционального узла подводится в функциональный контур, в частности для отопления салона автомобиля.
По меньшей мере один функциональный узел может содержать дополнительный отопитель и/или тепловой аккумулятор или является таковым.
По меньшей мере два из нижеследующих устройств могут быть интегрированы в единый узел и/или коробку: дополнительный отопитель, тепловой аккумулятор, теплообменное устройство и/или тепловой насос.
Тепловой насос предпочтительно сконфигурирован таким образом, чтобы забирать тепло (жар или холод) от окружающего воздуха, соответственно, внешней среды, в частности для поддержания температуры в салоне, предпочтительно для отопления салона. При этом речь может идти о тепловом насосе между контуром охлаждения и функциональным контуром. Для этой цели может быть также предусмотрен дополнительный тепловой насос, например тепловой насос между функциональным контуром и функциональным элементом.
Изобретение касается также привода автомобиля, в частности гибридного или электропривода и других альтернативных типов привода с описанной выше системой охлаждения. Кроме того, изобретение касается автомобиля, в частности гибридного автомобиля или электромобиля и других альтернативных типов автомобилей с такого рода приводами, соответственно, с описанной выше системой охлаждения. Привод автомобиля предпочтительно содержит приводной узел двигателя внутреннего сгорания и/или приводной узел электромотора. Приводной узел электромотора предпочтительно содержит по меньшей мере один электродвигатель, работающий как генератор и/или мотор.
В рамках изобретения по меньшей мере один электрический компонент содержит, в частности, электронные и/или электрические компоненты.
Вышеописанные признаки и примеры предпочтительного осуществления изобретения могут произвольным образом сочетаться друг с другом. Другие предпочтительные усовершенствования изобретения представлены в зависимых пунктах формулы или следуют из дальнейшего описания примеров осуществления изобретения и приложенных чертежей. На них представлено:
фиг.1 - функциональная схема системы охлаждения и приводного узла двигателя внутреннего сгорания согласно уровню техники;
фиг.2 - функциональная схема системы охлаждения приводного узла двигателя внутреннего сгорания и отдельной системы охлаждения приводного узла электромотора согласно уровню техники;
фиг.3 - функциональная схема системы охлаждения приводного узла двигателя внутреннего сгорания и приводного узла электромотора согласно одной из форм осуществления изобретения;
фиг.4 - функциональная схема системы охлаждения и приводного узла электромотора согласно другой форме осуществления изобретения.
На фиг.3 изображен пример системы охлаждения согласно изобретению для гибридного привода автомобиля. Гибридный привод автомобиля содержит приводной узел VA двигателя внутреннего сгорания и приводной узел EA электромотора. Система охлаждения содержит контур охлаждения NTK для охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента, сопряженного с узлом EA электромотора, или в целом для охлаждения приводного узла EA электромотора. По меньшей мере один электрический компонент содержит по меньшей мере один электродвигатель 5 и по меньшей мере один электронный преобразователь частоты 6, но может также содержать и по меньшей мере один электрический энергоаккумулятор (например, аккумуляторную батарею), силовые электронные устройства и/или систему управления двигателем (ECU - Engine Control Unit) и другие электронные/электрические функциональные элементы. Контур охлаждения NTK выполнен в виде низкотемпературного контура охлаждения. Ссылочной позицией 2 обозначен вентилятор, в то время как ссылочной позицией 3 обозначен теплообменник, расположенный в салоне автомобиля.
Кроме того, система охлаждения содержит функциональный контур HTK, выполненный, в частности, в виде высокотемпературного контура охлаждения для охлаждения приводного узла VA двигателя внутреннего сгорания и для поддержания температуры в салоне/отопления салона автомобиля.
Контур охлаждения NTK и функциональный контур HTK энергетически связаны друг с другом посредством теплового насоса W, который используется для подвода тепла в функциональный контур HTK из контура охлаждения NTK, в частности для подвода тепла потерь электрических компонентов 5, 6 в функциональный контур HTK, и, например, для отопления салона автомобиля.
Кроме того, контур охлаждения NTK содержит нагнетатель 10, дроссель 11, испаритель 12 и конденсатор 13. Привод нагнетателя 10 осуществляется посредством электродвигателя 16, который питается энергией по меньшей мере через один преобразователь частоты от бортовой электрической сети или от электрического энергоаккумулятора автомобиля. Вместо этого или в дополнение к этому привод нагнетателя 10 может осуществляться посредством приводного узла VA двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.4 изображен пример системы охлаждения согласно изобретению для чистого электропривода автомобиля. Конструктивная форма, согласно фиг.4, частично совпадает с описанной выше конструктивной формой, причем подобные или одинаковые детали, или компоненты, обозначены одними и теми же номерами ссылочных позиций, и во избежание повторения, ее описание приводится со ссылкой на описанную выше конструктивную форму.
В частности, в чистом электромобиле для отопления салона автомобиля как можно больше потерь мощности, предпочтительно все потери мощности, или тепловые потери, хотя и очень небольшие, должны быть сведены вместе и использованы для поддержания необходимого уровня температуры, благодаря чему обеспечивается эффективное отопление салона.
Показанная на фиг.4 система охлаждения содержит контур охлаждения NTK для охлаждения по меньшей мере одного электрического компонента 5, 6. Контур охлаждения NTK выполнен в виде низкотемпературного контура охлаждения. По меньшей мере один электрический компонент 5, 6 может, в свою очередь, содержать электродвигатель 5, по меньшей мере один электронный преобразователь частоты 6, по меньшей мере один электрический энергоаккумулятор, силовые электронные устройства и/или систему управления двигателем (ECU - Engine Control Unit) и другие электронные/электрические функциональные элементы. Кроме того, контур охлаждения NTK содержит испаритель 12 и компрессор 21 (мощностью менее примерно 2 кВт).
Кроме того, показанная на фиг.4 система охлаждения содержит функциональный контур для поддержания температуры в салоне автомобиля, выполненный в виде нагревательного контура/контура охлаждения HK. Функциональный контур HK предпочтительно является нагревательным контуром для отопления салона автомобиля. Контур охлаждения NTK является низкотемпературным контуром охлаждения, в то время как функциональный контур HK является высокотемпературным функциональным контуром. Поэтому в процессе работы температура охлаждающего вещества функционального контура HK выше, чем температура охлаждающего вещества контура охлаждения NTK.
Контур охлаждения NTK и функциональный контур HK связаны друг с другом посредством теплового насоса W, который используется для подвода тепла в функциональный контур HK из контура охлаждения NTK, в частности, для подвода тепла потерь электрокомпонент 5, 6 в функциональный контур HK.
Как показано на фиг.4, функциональный узел FE связан с функциональным контуром HK посредством теплообменного устройства 19 или, при необходимости, посредством теплового насоса для подвода в функциональный контур HK тепла, активно выработанного или аккумулированного в функциональном узле FE, и/или для подвода в функциональный контур HK тепла потерь от функционального узла FE и для использования этого тепла для отопления салона автомобиля.
Функциональный узел FE содержит, например, дополнительный отопитель 17 и тепловой аккумулятор 18. Дополнительный отопитель 17, тепловой аккумулятор 18 и теплообменник, или тепловой насос 19, интегрированы в одном кожухе 20.
Показанный на фиг.3 и 4 тепловой насос W и показанное на фиг.4 устройство, при необходимости выполненное в форме теплового насоса 19, могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы забирать тепло от окружающего воздуха, в частности для отопления салона автомобиля.
Изобретение не ограничивается описанными выше примерами его осуществления. Напротив, возможно большое число вариантов и модификаций, применение которых также вытекает из изобретения и на которые, потому, также распространяется защита. Кроме того, изобретение претендует также на защиту предмета и признаков зависимых пунктов формулы, вне зависимости от пунктов формулы, на которые они ссылаются.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
VA' - приводной узел двигателя внутреннего сгорания
EA' - приводной узел электромотора
FK' - контур охлаждения
2' - вентилятор
3' - теплообменник
4' - контур охлаждения
5' - электродвигатель
6' - преобразователь частоты
7' - энергоаккумулятор
8' - вентилятор
9' - теплообменник
VA - приводной узел двигателя внутреннего сгорания
EA - приводной узел электромотора
NTK - контур охлаждения
HTK - функциональный контур
HK - функциональный контур (нагревательный контур/контур охлаждения)
W - тепловой насос
FE - функциональный узел
2 - вентилятор
3 - теплообменник
5 - электродвигатель
6 - преобразователь частоты
10 - нагнетатель
11 - дроссель
12 - испаритель
13 - конденсатор
17 - дополнительный отопитель
18 - тепловой аккумулятор
19 - теплообменное устройство
20 - кожух
21 - компрессор