CN112954944A - 车载变流器热管理***、方法及车载变流器 - Google Patents
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Abstract
本发明通过提供的一种车载变流器热管理***、方法及车载变流器，控制器通过计算IGBT器件产生的总热量以及冷却液的循环散热量可确定水冷散热器基板降低到适宜工作温度时的所需的散热量，根据所需散热量确定电源控制信号，控制器根据电源控制信号控制变频电源，通过变频电源控制散热风机的转速。通过根据IGBT器件所需散热量控制散热风机的转速，能够更准确有效的控制水冷散热器基板的温度，避免由于过度冷却或者冷却效果差造成的IGBT器件工作温度过低或者过高，保证了IGBT的工作特性以及车载变流器工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及铁路机车和动车组技术领域，尤其涉及一种车载变流器热管理***、方法及车载变流器。
背景技术
车载变流器是铁路机车和动车组的最关键设备之一，是列车牵引运行的动力来源，其可靠性对列车的安全正点运营起到决定性的作用。车载变流器如何能够更好地适应在我国极大的温差范围，其散热***的技术水平起着极为重要的决定性作用。
目前我国的机车和动车组的车载变流器依然采用简单温控的水冷散热***，车载变流器普遍采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为大功率电力电子器件，IGBT在工作时因其功耗会产生大量的热量，使得IGBT内部温度迅速上升，若IGBT内部热量无法及时散发出去，IGBT会持续的升温，会导致IGBT因过热而失效，影响车载变流器工作的可靠性。
现有车载变流器是通过散热风机对变流器内部的冷却水进行降温，其中散热风机一般由固定频率的工频电源供电，散热风机的转速不可调整，只能控制散热风机处于“启动、停止”两种工作状态。变流器工作时散热风机始终处于全速运行状态，当车载变流器内部的散热器温度超过正常范围时，车载变流器发出过热报警，触发过热保护动作，车载变流器立即停止工作。
而现有技术中，通过散热风机处于全速运行工作方式下降低变流器的内部温度，在低温环境中运用会造成变流器的内部温度存在过度冷却的情况，特别是在冬季低温情况下，随着机车和动车组频繁工作在启动、刹车、上坡、下坡等复杂工况，过度的冷却使得IGBT散热器基板温度在很大的温度范围内频繁波动，频繁的宽幅热循环容易导致IGBT失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载变流器热管理***、方法及车载变流器，以解决现有技术中变流器的内部温度存在过度冷却的问题。
第一方面，本发明提供一种车载变流器热管理***，包括：
水箱、用于给变流器的IGBT器件冷却的水冷散热器基板、冷却塔、变频电源、用于给变流器的IGBT器件冷却的散热风机、进水口温度传感器、出水口温度传感器、环境温度传感器和控制器；
所述水箱通过水泵接入所述水冷散热器基板的入水口，所述水冷散热器基板的出水口与所述冷却塔的入水口通过管道连接，所述冷却塔的出水口与所述水箱通过管道连接；所述水箱中存有冷却液，所述冷却液通过所述水泵流入所述水冷散热器基板进行液体冷却，升温后的冷却液流入所述冷却塔进行降温，降温后的冷却液流回所述水箱中；
所述进水口温度传感器和所述出水口温度传感器分别设在所述水冷散热器基板的入水口和出水口；所述环境温度传感器设置在所述水冷散热器基板上，用于测量车载变流器内部环境温度；
所述进水口温度传感器、出水口温度传感器和环境温度传感器均与所述控制器连接，所述控制器还与所述变频电源连接，所述变频电源用于给所述散热风机供电；
所述控制器获取所述IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量；所述控制器根据所述进水口温度传感器、所述出水口温度传感器检测到的所述水冷散热器基板的进水口温度和出水口温度，并计算得到冷却液的循环散热量；
所述控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速。
在一种可能的设计中，所述控制器获取所述IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量，包括：
所述控制器根据所述IGBT器件的工作电流和工作电压确定所述IGBT器件的功耗；
所述控制器根据所述IGBT器件的功耗确定所述IGBT器件产生的总热量。
在一种可能的设计中，所述控制器根据所述IGBT器件的工作电流和工作电压确定所述IGBT器件的功耗，包括：
所述控制器根据所述IGBT器件的工作电流和工作电压通过积分算法确定所述IGBT器件的功耗。
在一种可能的设计中，所述控制器根据所述IGBT器件的功耗确定所述IGBT器件产生的总热量，包括：
所述控制器通过仿真软件建立水冷散热器热阻模型；
所述控制器根据所述IGBT器件的功耗通过所述热阻模型计算所述IGBT器件产生的总热量。
在一种可能的设计中，所述控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号，包括：
所述控制器根据所述IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度确定所述IGBT器件的结温；
所述控制器根据所述IGBT器件的结温确定电源控制信号。
在一种可能的设计中，电源控制信号为电源频率；
所述控制器根据所述IGBT器件的结温确定电源控制信号，包括：
当所述IGBT器件的结温超过IGBT器件适宜温度区间的最大值时，所述控制器控制电源频率增大；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速，包括：
所述电源频率增大时，所述控制器通过变频电源所述控制所述散热风机的转速增大。
在一种可能的设计中，所述控制器根据所述IGBT器件的结温确定电源控制信号，还包括：
当所述IGBT器件的结温低于IGBT器件适宜温度区间的最小值时，所述控制器控制电源频率减小；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速，包括：
所述电源频率减小时，所述控制器通过变频电源所述控制所述散热风机的转速减小。
在一种可能的设计中，所述控制器包括嵌入式***和硬件电路。
第二方面，本发明实施例提供一种车载变流器热管理方法，应用于第一方面任一项所述的车载变流器热管理***，包括：
所述控制器获取所述IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量；所述控制器根据所述进水口温度传感器、所述出水口温度传感器检测到的所述水冷散热器基板的进水口温度和出水口温度，并计算得到冷却液的循环散热量；
所述控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速。
第二方面，本发明实施例提供一种车载变流器，其特征在于，应用于第一方面任一项所述的车载变流器热管理***。
本发明实施例提供的一种车载变流器热管理***、方法及车载变流器，控制器通过计算IGBT器件产生的总热量以及冷却液的循环散热量可确定所需的散热量，根据所需散热量确定电源控制信号，控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速。通过根据IGBT器件所需散热量控制散热风机的转速，能够更准确有效的降低IGBT器件的温度，避免由于过度冷却或者冷却效果差造成的IGBT器件工作温度过低或者过高，保证了IGBT的工作特性以及车载变流器工作的可靠性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例提供的车载变流器热管理***架构示意图；
图2为本发明实施例提供的车载变流器热管理方法流程图一；
图3为本发明实施例提供的车载变流器热管理方法流程图二。
具体实施方式
通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
本发明实施例提供一种车载变流器热管理***，采用主动热管理思想，通过更加合理的水温控制策略和更加精密的温度传感器，为IGBT器件打造更加舒适的工作温度环境，尽可能让IGBT长期工作在散热器基板温度为40℃左右，避免IGBT长期工作在宽幅热循环，从而大幅度提高车载变流器的可靠性，也可以为机车和动车组的健康管理***提供IGBT器件的性能评估、健康状态评估及优化器件寿命等方面的重要评估依据。
图1为本发明实施例提供的车载变流器热管理***架构示意图，如图1所示：本发明实施例中车载变流器热管理***架构包括：水箱101、水冷散热器基板102、冷却塔103、变频电源104、散热风机105、进水口温度传感器106、出水口温度传感器107、环境温度传感器108和控制器109。
水箱101通过水泵接入所述水冷散热器基板102的入水口，所述水冷散热器基板102的出水口与所述冷却塔103的入水口通过管道连接，所述冷却塔103的出水口与所述水箱101通过管道连接；
水箱101中存有冷却液，冷却液通过水泵流入水冷散热器基板102进行液体冷却，升温后的冷却液流入冷却塔103进行降温，降温后的冷却液流回水箱101中。
进水口温度传感器106和出水口温度传感器107分别设在水冷散热器基板102的入水口和出水口；环境温度传感器108设置在水冷散热器基板102上，用于测量车载变流器内部环境温度；进水口温度传感器106、出水口温度传感器107和环境温度传感器1088均与控制器109连接，控制器109还与变频电源104连接，变频电源104用于给散热风机105供电。
水冷散热器基板102通过冷却液循环***和散热风机进行降温。冷却液循环***在车载变流器运行过程中持续的对水冷散热器基板102进行降温，当时如果IGBT器件的工作电流或者工作电压过高使得短时间内IGBT器件产生的热量过大，控制器根据计算出的循环散热量增加幅度，相应增加电源控制信号的频率，控制所述变频电源驱动散热风机增大转速，利用散热风机的直吹冷风快速的降低水冷散热器基板102的温度。
图2为本发明实施例提供的车载变流器热管理方法流程图一。本实施例的方法的执行主体可以为图1中的控制器，如图2所示，车载变流器热管理方法包括以下步骤：
S21：控制器获取IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量。
控制器根据IGBT器件的工作电流和工作电压以及持续时间可获得IGBT器件在这段时间内产生的热量，根据IGBT器件产生的热量可预估当前IGBT器件的工作状态。
S22：控制器根据进水口温度传感器、出水口温度传感器检测到的水冷散热器基板的进水口温度和出水口温度，并计算得到冷却液的循环散热量。
冷却液的循环的过程是由水冷散热器基板的入水口进入，通过冷却液为水冷散热器基板降温，在降温过程中冷却液的温度升高，温度升高后的冷却液从水冷散热器基板的出水口流出。控制器根据进水口温度传感器检测到的冷却液的温度和出水口温度传感器检测到出水口温度可确定在冷却过程中的冷却液的温差，控制器通过冷却液的温差和冷却液的流量可得到冷却液的散热量，即冷却液带走的水冷散热器基板的热量。
S23：控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号。
控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量可确定水冷散热器基板降低到适宜工作温度时的所需的散热量，根据所需的散热量确定电源控制信号的大小。
S24：控制器根据电源控制信号控制变频电源，以通过变频电源控制散热风机的转速。
变频电源根据接收到的电源控制信号控制输出的变频电源的电压大小，散热风机根据接收到的变频电源的电压大小控制转速。
从上述实施例可知，控制器通过计算IGBT器件产生的总热量以及冷却液的循环散热量可确定水冷散热器基板降低到适宜工作温度时的所需的散热量，根据所需散热量确定电源控制信号，控制器根据电源控制信号控制变频电源，通过变频电源控制散热风机的转速。通过根据IGBT器件所需散热量控制散热风机的转速，能够更准确有效的控制水冷散热器基板的温度，避免由于过度冷却或者冷却效果差造成的IGBT器件工作温度过低或者过高，保证了IGBT的工作特性以及车载变流器工作的可靠性。
在本发明的一个实施例中，控制器获取IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量，包括：控制器根据IGBT器件的工作电流和工作电压确定IGBT器件的功耗，控制器根据IGBT器件的功耗确定IGBT器件产生的总热量。
IGBT器件的功耗与IGBT器件的工作电流和工作电压相关，可通过IGBT器件的工作电流和工作电压确定IGBT器件的功耗。IGBT器件产生的总热量与IGBT器件的功耗相关，可通过IGBT器件的功耗确定IGBT器件产生的总热量。
从上述实施例可知，通过获得IGBT器件产生的总热量可预估当前IGBT器件的工作状态，若IGBT器件产生的总热量过高，使得水冷散热器基板的温度过高，导致IGBT器件无法工作在适宜温度环境中，影响IGBT器件的工作特性。因此可根据水冷散热器基板的温度判断是否需要启动散热风机的冷却功能，及时降低IGBT器件的温度，保证IGBT器件的工作特性和车载变流器工作的可靠性。
在本发明的一个实施例中，控制器根据IGBT器件的工作电流和工作电压通过积分算法确定IGBT器件的功耗。
控制器通过数据通讯连续接收有关IGBT器件工作电流和工作电压等信息，采用时间积分计算，可确定IGBT器件的实时功耗。若当前IGBT器件的工作电流和工作电压比较高，说明IGBT器件的实时功耗大，IGBT器件的散热量也比较大，使得水冷散热器基板的温度过高。若不及时采取冷却措施，及时降低水冷散热器基板和IGBT器件的温度，会导致IGBT器件持续升温，使得IGBT器件因过热而失效，影响车载变流器工作的可靠性。
从上述实施例可知，由于IGBT器件在工作状态下的散热量与IGBT器件的实时功耗相关，因此控制器通过获取IGBT器件的工作特性可确定IGBT的实时功耗，通过确定IGBT的实时功耗可及时确定当前IGBT器件的工作状态，从而能够及时采取降温措施，降低IGBT器件温度，保证车载变流器工作的可靠性。
在本发明的一个实施例中，控制器根据IGBT器件的功耗确定IGBT器件产生的总热量，包括：
控制器通过仿真软件建立水冷散热器热阻模型；控制器根据IGBT器件的功耗通过热阻模型计算IGBT器件产生的总热量。
控制器通过使用FloEFD或者ICEPAK等热仿真软件，通过对水冷散热器的基板和IGBT的组合进行网格化的流场分析和热分析，以及结合仿真计算和实验验证的数据修正，建立IGBT与散热器基板组装成的水冷散热器热阻模型。
从上述实施例可知，通过该热阻模型可确定IGBT器件的功耗与IGBT器件产生的总热量之间的非线性关系，从而控制器可根据IGBT器件的功耗通过热阻模型获得IGBT器件产生的总热量。根据IGBT器件产生的总热量，可获知当前IGBT器件的工作状态，可判断出水冷散热器基板的温度是否在适宜温度范围内。若水冷散热器基板的温度超过了适宜温度范围的最大值，及时采取降温措施增加散热风机的转速以降低IGBT器件的温度；若水冷散热器基板的温度低于适宜温度范围的最小值，则及时减小散热风机的转速以维持IGBT器件的适宜工作温度。这样控制器就可以通过对散热风机转速的准确控制从而尽可能使得IGBT器件工作在适宜温度范围，保证车载变流器工作的可靠性。
图3为本发明实施例提供的车载变流器热管理方法流程图二。在图2实施例的基础上，如图3所示，步骤S23中控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号，包括：
S31：控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及环境温度传感器检测到的环境温度确定IGBT器件的结温；
已知当前IGBT器件产生的总热量，以及冷却液的循环散热量可确定当前IGBT器件的剩余散热量；根据当前IGBT器件的剩余散热量以及IGBT器件周围的环境温度可预估当前IGBT器件的内部的结温。若预估出的IGBT器件的内部的结温高于IGBT器件适宜温度区间的最大值时，说明IGBT器件内部温度过高，若不及时采取冷却措施降低IGBT器件的温度，会导致IGBT器件持续升温，使得IGBT器件因过热而失效，影响车载变流器工作的可靠性。
S32：控制器根据IGBT器件的结温确定电源控制信号。
若当前IGBT器件的结温高于IGBT器件适宜温度区间的最大值时，控制器根据当前IGBT器件的实际结温大小和周围环境温度确定IGBT器件降低到适宜温度范围时所需的散热量，根据IGBT器件降低到适宜温度范围时所需的散热量确定控制器输出的电源控制信号的大小。
从上述实施例可知，控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及环境温度传感器检测到的环境温度，可确定IGBT器件的结温。若当前IGBT器件的结温高于IGBT器件适宜温度区间的最大值时，控制器根据当前IGBT器件的实际结温大小和周围环境温度确定IGBT器件降低到适宜温度范围时所需的散热量，再根据IGBT器件的散热量可确定控制器输出的电源控制信号的大小。控制器通过IGBT器件的结温确定电源控制信号的大小，可根据IGBT器件的实际工作状态及时采取冷却措施。
在本发明的一个实施例中，通过判断IGBT器件的工作温度是否处于适宜温度区间的范围内，输出电源控制信号，其中，电源控制信号为电源频率；
若IGBT器件的工作温度高于适宜温度区间的最大值时，控制器控制电源频率增大，电源频率增大时，控制器通过变频电源控制散热风机的转速增大，通过加快散热风机的转速，提高散热风机的冷却效果，快速有效的降低水冷散热器基板的温度，保证IGBT器件的工作温度处于适宜温度区间范围内；
若IGBT器件的工作温度低于IGBT器件适宜温度区间的最小值时，控制器控制电源频率减小，电源频率减小时，控制器通过变频电源控制散热风机的转速减小，通过降低散热风机的转速，减小散热风机的冷却效果，避免由于散热风机的过度冷却影响IGBT器件的工作特性，保证IGBT器件的工作温度处于适宜温度区间范围内；
从上述实施例可知，通过根据IGBT器件的工作温度的实际情况，主动调整散热风机的转速和实际冷却效果，避免出现冷却不及时或者过度冷却的情况，使得IGBT器件工作在适宜温度区间范围内，保证IGBT器件的工作特性和车载变流器工作的可靠性。
在本发明的一个实施例中，控制器包括嵌入式***和硬件电路。本发明实施例中控制器通过嵌入式***程序实现车载变流器热管理方法，通过硬件电路实现与本发明实施例中所有温度传感器之间的数据通信。
进一步地，本发明实施例提供一种车载变流器，包括了上述实施例的车载变流器热管理***。
进一步地，本发明实施例提供一种铁路机车和动车组，包括了上述车载变流器。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种车载变流器热管理***，其特征在于，包括：
水箱、用于给变流器的IGBT器件冷却的水冷散热器基板、冷却塔、变频电源、用于给变流器的IGBT器件冷却的散热风机、进水口温度传感器、出水口温度传感器、环境温度传感器和控制器；
所述水箱通过水泵接入所述水冷散热器基板的入水口，所述水冷散热器基板的出水口与所述冷却塔的入水口通过管道连接，所述冷却塔的出水口与所述水箱通过管道连接；所述水箱中存有冷却液，所述冷却液通过所述水泵流入所述水冷散热器基板进行液体冷却，升温后的冷却液流入所述冷却塔进行降温，降温后的冷却液流回所述水箱中；
所述进水口温度传感器和所述出水口温度传感器分别设在所述水冷散热器基板的入水口和出水口；所述环境温度传感器设置在所述水冷散热器基板上，用于测量车载变流器内部环境温度；
所述进水口温度传感器、出水口温度传感器和环境温度传感器均与所述控制器连接，所述控制器还与所述变频电源连接，所述变频电源用于给所述散热风机供电；
所述控制器获取所述IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量；所述控制器根据所述进水口温度传感器、所述出水口温度传感器检测到的所述水冷散热器基板的进水口温度和出水口温度，并计算得到冷却液的循环散热量；
所述控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速。
2.根据权利要求1所述的车载变流器热管理***，其特征在于，所述控制器获取所述IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量，包括：
所述控制器根据所述IGBT器件的工作电流和工作电压确定所述IGBT器件的功耗；
所述控制器根据所述IGBT器件的功耗确定所述IGBT器件产生的总热量。
3.根据权利要求2所述的车载变流器热管理***，其特征在于，所述控制器根据所述IGBT器件的工作电流和工作电压确定所述IGBT器件的功耗，包括：
所述控制器根据所述IGBT器件的工作电流和工作电压通过积分算法确定所述IGBT器件的功耗。
4.根据权利要求2所述的车载变流器热管理***，其特征在于，所述控制器根据所述IGBT器件的功耗确定所述IGBT器件产生的总热量，包括：
所述控制器通过仿真软件建立水冷散热器热阻模型；
所述控制器根据所述IGBT器件的功耗通过所述热阻模型计算所述IGBT器件产生的总热量。
5.根据权利要求1所述的车载变流器热管理***，其特征在于，所述控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号，包括：
所述控制器根据所述IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度确定所述IGBT器件的结温；
所述控制器根据所述IGBT器件的结温确定电源控制信号。
6.根据权利要求5所述的车载变流器热管理***，其特征在于，电源控制信号为电源频率；
所述控制器根据所述IGBT器件的结温确定电源控制信号，包括：
当所述IGBT器件的结温超过IGBT器件适宜温度区间的最大值时，所述控制器控制电源频率增大；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速，包括：
所述电源频率增大时，所述控制器通过变频电源所述控制所述散热风机的转速增大。
7.根据权利要求6所述的车载变流器热管理***，其特征在于，所述控制器根据所述IGBT器件的结温确定电源控制信号，还包括：
当所述IGBT器件的结温低于IGBT器件适宜温度区间的最小值时，所述控制器控制电源频率减小；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速，包括：
所述电源频率减小时，所述控制器通过变频电源所述控制所述散热风机的转速减小。
8.根据权利要求1所述的车载变流器热管理***，其特征在于，所述控制器包括嵌入式***和硬件电路。
9.一种车载变流器热管理方法，其特征在于，应用于权利要求1至8任一项所述的车载变流器热管理***，包括：
所述控制器获取所述IGBT器件的工作电流和工作电压，得到IGBT器件产生的总热量；所述控制器根据所述进水口温度传感器、所述出水口温度传感器检测到的所述水冷散热器基板的进水口温度和出水口温度，并计算得到冷却液的循环散热量；
所述控制器根据IGBT器件产生的总热量、冷却液的循环散热量以及所述环境温度传感器检测到的环境温度，确定电源控制信号；
所述控制器根据所述电源控制信号控制所述变频电源，以通过变频电源所述控制所述散热风机的转速。
10.一种车载变流器，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的车载变流器热管理***。
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