逆变器

技术领域

本发明涉及由冷却剂冷却的逆变器。

背景技术

电动汽车和混合电动汽车越来越普遍。这种车辆包括某种形式的电动马达，其可以由逆变器驱动。逆变器包括含有开关部件的电路，例如碳化硅FET，开关部件会产生大量热。过热会导致损坏，包括开关部件的突然故障或长期退化。

希望改善逆变器冷却。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种逆变器，包括：

壳体部分；

形成在壳体部分中并沿着壳体部分延伸的冷却剂入口；

形成在壳体部分中并沿着壳体部分延伸的冷却通道，该冷却通道布置成在使用中接收来自冷却剂入口的冷却剂；

功率模块，其盖住冷却通道以限定冷却室，冷却剂在使用中流过冷却室以冷却功率模块；以及

形成在壳体部分中的冷却剂出口，该冷却剂出口布置成在使用中接收来自冷却室的冷却剂；

其中，冷却剂出口配置和布置成比冷却剂入口具有更低的冷却剂流动阻力。

冷却剂出口比冷却剂入口具有更低的冷却剂流动阻力可导致在出口比入口更低的压降，这可改善流体流动特性。

冷却剂出口可以比冷却剂入口短，冷却剂出口的最小横截面积可以大于冷却剂入口的最小横截面积，冷却剂出口的平均横截面积可以大于冷却剂入口的平均横截面积，和/或冷却剂入口可以包括增加冷却剂流动阻力的一个或多个湍流产生特征。这些因素中的任何一个或全部都可以根据具体的实施要求来选择。

壳体部分可以包括基部和至少一个壁，该基部和至少一个壁限定内部空间。

从正交于基部的方向看，冷却剂入口的至少一部分可以相对于冷却剂流过冷却室的方向成非零角度延伸。该非零角度可以为冷却剂入口提供更灵活定位，以及可选地允许更长的冷却剂入口，这可以改善流体流动特性。

正交于基部的方向可以包括平行于至少一个壁的方向，例如平行于至少一个壁从基部向外延伸的方向。

冷却剂入口可以包括至少一个弯曲部分。弯曲部分可以允许流过冷却剂入口的冷却剂的方向平滑改变，同时可选地允许更长的冷却剂入口。

冷却剂入口在弯曲部分内的宽度可以沿下游方向增加。这可降低冷却剂入口内流体沿其长度的平均流速，潜在地允许流体更均匀地分配到冷却室中。

弯曲部分的半径可以沿下游方向减小。

冷却剂入口可以包括至少第一和第二弯曲部分，其中第一弯曲部分在与第二弯曲部分相反的方向上弯曲。这可以提供冷却剂入口的更灵活定位，以及可选地允许更长的冷却剂入口，这可以改善流体流动特性。

冷却剂入口可以包括增压室(plenum)。增压室的使用可以允许冷却剂更均匀地分配到冷却室中。

冷却剂入口可包括横向延伸的槽，该槽限定从增压室进入冷却室的出口。例如，在平行于冷却剂流过冷却室的方向并垂直于基部的方向上截取的槽的横截面可以包括相对的平行侧。使用这种槽可以允许冷却剂更均匀地分配到冷却室中。

槽可以与基部成斜角，并且可以布置成使得在使用中，槽将冷却剂引导到冷却室中，使得冷却剂以斜角冲击功率模块的至少一部分。这可以改善功率模块的冷却。

冷却剂入口可以形成在基部中与冷却剂通道不同的深度处。槽可以从基部中第一深度处的冷却剂入口延伸到基部中不同的第二深度处的冷却剂通道。槽可以对角地延伸穿过基部，例如相对于基部的外表面和内表面成斜角。

斜角可以在30°和50°之间。在一些实施例中，斜角可以是约41°。已经发现这些角度是冷却性能和磨损特性之间的良好折衷。

功率模块可包括延伸到冷却室中的多个销、肋和/或其他湍流产生和/或表面积增加结构，以在使用中增强冷却剂对功率模块的冷却。槽可以布置成使得在使用中，槽将冷却剂引导到冷却室中，使得冷却剂冲击多个销、肋和/或其他湍流产生和/或表面积增加结构。

从正交于基部的方向看，冷却剂出口的至少一部分可以相对于冷却剂流过冷却室的方向成非零角度延伸。该非零角度可以为冷却剂出口提供更灵活定位，以及可选地允许更长的冷却剂出口，这可以改善流体流动特性。

冷却剂出口可以包括至少一个弯曲部分。弯曲部分可以允许流过冷却剂出口的冷却剂的方向平滑改变。

冷却剂出口在冷却剂出口的弯曲部分内的宽度可以沿下游方向减小。这可以增加流过冷却剂出口的冷却剂的速度，这可以改善流体流动特性。

出口的弯曲部分的半径可以沿下游方向增加。

冷却剂出口可以包括至少第一和第二弯曲部分，其中第一弯曲部分在与第二弯曲部分相反的方向上弯曲。这可以为冷却剂出口提供更灵活定位，以及可选地允许更长的冷却剂出口，这可以改善流体流动特性。

非零角度可以是80°到100°，并且冷却剂入口和/或出口的部分可以是位于或邻近冷却剂入口的起点端和/或冷却剂出口的终点端的笔直部分。在一些实施例中，非零角度可以是90°。这可以提供冷却剂入口和/或出口的更灵活定位，以及可选地允许更长的冷却剂入口和/或出口，这可以改善流体流动特性。

根据本发明的另一方面，提供了一种电驱动单元，包括：

齿轮箱；

安装在齿轮箱上的电机；以及

根据前述方面的逆变器，其安装到齿轮箱上并连接成向电机提供驱动电流。

根据本发明的又一方面，提供了一种车辆，包括：

根据第一方面的逆变器；或者

根据前述方面的电驱动单元。

附图说明

为了更容易理解本发明，现在将参照附图通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是包括前置电驱动单元(EDU)和另一后置EDU的车辆的局部透视侧视图；

图2是图1的前置EDU的透视图；

图3是来自图1和2的EDU的逆变器的壳体部分的侧视图；

图4是图3的壳体部分的相对侧的透视图；

图5和图6是图3和图4的壳体部分的相对侧视图，为了清楚起见，在图6中移除了功率模块；

图7和图8是沿着图3中的线VII-VII截取的竖直截面图，为了清楚起见，在图8中移除了功率模块；

图9是销形式的湍流产生特征的平面图；

图10是叶片形式的湍流产生特征的平面图；以及

图11是肋形式的湍流产生特征的平面图。

具体实施方式

参照附图，特别是图1和图2，示出了具有前置电驱动单元102的电动车辆100。电驱动单元102包括齿轮箱104。电机106安装到齿轮箱104的第一侧面，逆变器108安装到齿轮箱104的与第一侧面相对的第二侧面。电动车辆100和电驱动单元102仅仅是用于示出逆变器108的特定实施方式的示例。

逆变器108包含电路，该电路包括向电机106提供驱动电流的开关部件(如下所述)。开关部件产生大量热，必须冷却。冷却这些部件的一种方式包括使用冷却剂，该冷却剂例如可以由车辆的HVAC系统冷却。冷却的冷却剂被供应到逆变器108，并且经过与开关部件热连通的冷却结构。冷却剂从冷却结构带走热量，然后从逆变器108传递到HVAC系统进行冷却。

逆变器108包括壳体部分110，在所示实施例中，壳体部分110形成电驱动单元102的外部壳体的一部分。如图2-6最佳所示，壳体部分110包括基部112和壁114。在图示的实施例中，基部112通常是平面的，并且在平面上近似为方形。壁114通常从方形的边缘延伸，使得基部112和壁114限定内部空间116。当壳体部分110附接到电驱动单元102时，内部空间116由齿轮箱104的表面(未示出)封闭。

应当理解，逆变器108可以采取任何其他形式，包括与电驱动单元102和齿轮箱104分开安装，并且基部112和壁114可以采取其他形状和构造以适合特定实施方式。

冷却剂入口118形成在基部112中并沿其延伸。在图示的实施例中，冷却剂入口118从邻近壳体部分110的拐角的入口连接器120延伸。冷却剂入口118的细节将在下面更详细地描述。

冷却通道122形成在基部112中并沿其延伸。冷却通道122布置成在使用中接收来自冷却剂入口118的冷却剂，这将在下面更详细地描述。在使用中，冷却剂沿箭头132所示的方向流动(见图6)。

如图5和7最佳所示，功率模块124盖住冷却通道122以限定冷却室126，冷却剂在使用中流过冷却室126以冷却功率模块124。功率模块124包括安装在功率模块基部125上的开关部件，例如碳化硅FET(未示出)。功率模块基部125覆盖冷却室126，并且用垫圈或密封剂围绕其边缘密封，以防止冷却剂在使用中泄漏到壳体部分110的内部空间116中。

应明白，逆变器108包括许多其它部分，为了清楚起见，省略了这些部分。

销127形式的突起从功率模块基部125延伸到冷却室中。销127由导热材料比如金属形成。销127可以形成功率模块基部125的一部分，或者可以任何合适的方式附接到功率模块基部125。如下所述，由于增加的表面积和湍流，销127增加了功率模块124的冷却。

在其他实施例中，突起可以采取任何其他合适的形式，包括一个或多个肋、脊、突起、叶片或其任何组合。突起可以延伸功率模块124的整个宽度和/或长度，或者可以仅覆盖功率模块124的一部分。类似地，突起可延伸冷却室126的整个深度，仅部分穿过冷却室，或其某种组合。

开关部件被控制以输出驱动电流，其供应至电机106以使车辆102移动。DC电力通过电力连接器128(见图3)输入到逆变器，电力电缆(未示出)连接到电力连接器128。来自车辆管理系统(未示出)的控制信号经由数据连接器130输入到逆变器108，数据电缆(未示出)连接到数据连接器130。

应当理解，逆变器108包括许多其他部件，为了清楚起见，已将它们省略。

在所示示例中，从正交于基部112的方向看，冷却剂入口118的至少一部分相对于冷却剂流过冷却室126的方向132成非零角度延伸。

冷却剂入口118可以包括至少一个弯曲部分。例如，冷却剂入口可以包括至少第一和第二弯曲部分，其中第一弯曲部分在与第二弯曲部分相反的方向上弯曲。如图3最佳所示，在图示的实施例中，冷却剂入口118形成从入口连接器120延伸到冷却通道122的复杂曲线。

复杂曲线由图3中所示的线134表示，该线134沿其长度接近冷却剂入口118的中心。冷却剂入口118相对于冷却剂流过冷却室126的方向132的角度可通过在入口连接器120和冷却通道122之间的任意点处取线134的切线来确定。将会看到，除了刚好在邻近冷却通道122的下游端处，该切线对于沿着冷却剂入口118的所有点都是非零的。

在图示的实施例中，冷却剂入口118包括从入口连接器120向下游延伸的笔直部分136。这种笔直部分可以相对于冷却剂流过冷却室126的方向132成任何角度延伸。例如，该角度可以在80°和100°之间。在图示的实施例中，该角度为90°。

从正交于基部的方向看，冷却剂入口118在弯曲部分内的宽度沿下游方向增加。此外，弯曲部分的半径可以沿下游方向减小。例如，由于曲率半径减小，冷却剂入口118的下游端处的弯曲部分具有收紧曲线。

如图7和8最佳所示，冷却剂入口包括邻近其下游端的增压室138。增压室138是横截面积增加的区域。在所示实施例中，增压室138设置在冷却室126的平面下方。

冷却剂入口118可以可选地包括至少一个湍流产生特征，用于当冷却剂在使用中流过冷却剂入口118时在冷却剂中产生湍流。这种冷却剂特征可以沿着冷却剂入口118的长度定位在任何地方。

一般而言，将这样的特征放置在更靠近冷却剂入口118的下游端往往更有效，因为在冷却剂到达冷却室126之前，产生的任何湍流具有更少的时间来抑制。然而，这可能需要与冷却剂在冷却剂入口118中不同点的流动速度和可用空间相平衡。

例如，在所示实施例中，冷却剂在冷却剂入口118的上游端流动最快，因为该区域具有最小的横截面积。更高速度的冷却剂流可能有助于湍流的产生，但狭窄的横截面积可能留下更少的空间来引入湍流产生特征，并且留下更少的空间来发展湍流流体流动特性。考虑到所有这些因素，技术人员将为湍流产生特征选择合适的位置。

如图3、7、8和9最佳所示，在图示的实施例中，湍流产生特征包括延伸到冷却剂入口118中的多个销144。在这种情况下，销144延伸到增压室38中。在使用中，销144中断冷却剂通过增压室的流动，通过引起涡流和其他形式的湍流来打破层流。选择销144的位置以提供湍流产生和流阻之间的适当平衡。冷却剂的中断流动可以改善功率模块124的冷却，如下面更详细描述。

图9示出了销144可以如何分配在增压室138和冷却剂入口138内的示例。

在其他实施例中，湍流产生特征可包括在冷却剂流中引起所需湍流的任何其他类型的特征。例如，湍流产生特征可包括一个或多个肋、脊、突起、叶片、凹部或其任意组合。通常，这种湍流产生特征设置在冷却剂入口的内表面上，但也可以通过从冷却剂入口118外部延伸的悬臂或其他构件悬伸在冷却剂流中。

图10示出了替代示例，其中湍流产生特征采用叶片156的形式，该叶片延伸到增压室138内的流体流中。除了引起湍流之外，叶片156还用于在冷却剂通过时帮助改变其方向。

图11示出了另一替代示例，其中湍流产生特征采用在增压室138和冷却剂入口118的内表面上形成的肋158的形式。在这种情况下，肋大致垂直于流体流的总体方向延伸。为了减小阻力，肋158仅部分延伸到增压室138和冷却剂入口118中。因此，肋158在增压室138和冷却剂入口118的内表面附近最强烈地产生湍流。

本领域技术人员将理解，可以选择所述或每个湍流产生特征的特定形状、尺寸和布置，以适应逆变器的特定冷却需求。在特定实施例中，可以组合不同类型的特征。

在其他实施例中，冷却剂入口118中没有湍流产生特征。

冷却剂入口118还包括紧邻冷却室126上游和增压室138下游的横向延伸区域。在图示的实施例中，该区域采取在冷却通道126的整个宽度上延伸的槽140的形式。槽140相对于基部112成斜角θ，并且布置成使得在使用中，槽140将冷却剂引导到冷却室126中，使得来自该区域的基本所有冷却剂以斜角θ冲击在突起的子集上。斜角可以在30°和50°之间。在图示的实施例中，斜角约为41°。

图7和8示出了沿平行于冷却剂流过冷却室126的方向132并正交于基部112的方向截取的壳体部分110的横截面。在该横截面中，槽140包括相对的平行侧142。平行侧142之间的区域的横截面积小于紧邻冷却剂入口118上游的增压室138的横截面积。在使用中，这加速了冷却剂流动，以改善冲击冷却。

逆变器108包括冷却室126下游的冷却剂出口146。在图示的实施例中，冷却剂出口146比冷却剂入口118短。从正交于基部的方向看，冷却剂出口146的至少一部分相对于冷却剂流过冷却室126的方向132成非零角度延伸。

冷却剂出口146包括至少一个弯曲部分。例如，冷却剂出口146可以包括至少第一和第二弯曲部分，其中第一弯曲部分在与第二弯曲部分相反的方向上弯曲。如图3最佳所示，在图示的实施例中，冷却剂出口146形成从冷却室126的出口延伸到出口连接器148的复杂曲线。

复杂曲线由线150表示，该线150沿着冷却剂出口146的长度接近其中心。冷却剂出口146相对于冷却剂流过冷却室126的方向132的角度可通过在冷却室126和出口连接器148之间的任意点处取线150的切线来确定。将会看到，除了刚好在邻近出口连接器148的下游端处之外，该切线对于沿着冷却剂出口146的所有点都是非零的。

在图示的实施例中，冷却剂出口146包括邻近出口连接器148的笔直部分152。这种笔直部分可以相对于冷却剂流过冷却室126的方向132成任何角度延伸。例如，该角度可以在80°和100°之间。在图示的实施例中，该角度为90°。

从正交于基部的方向看，冷却剂出口146在弯曲部分内的宽度沿下游方向减小。此外，弯曲部分的半径可以沿下游方向减小。例如，冷却剂出口146的上游端的弯曲部分具有曲率半径减小的曲线。

冷却剂出口146可以配置和布置成具有比冷却剂入口118更低的冷却剂流动阻力。这一结果可以通过多种方式中的任何一种来实现，在某些实施例中也可以组合这些方式。例如，在图示的实施例中，冷却剂入口118明显长于冷却剂出口146。结合可选的湍流产生销144，冷却剂入口118的额外长度给予其比冷却剂出口146更高的冷却剂流动阻力。

可以单独或组合使用来改变冷却剂入口118或冷却剂出口146的阻力的其他差异包括例如横截面积(例如最小、最大、平均)、湍流产生结构和更多(或更极端)曲线。通过平衡任何这些因素的贡献，冷却剂入口118的阻力可以高于冷却剂出口146的阻力。

虽然图示的车辆100是汽车，但本发明可以应用于其他类型的车辆，例如卡车和货车。

尽管本发明已经参照具体的示例进行了描述，但应当理解，本发明可以落入所附权利要求范围内的许多其他形式来实施。