机车电气柜冷却装置及机车电气柜技术领域
本发明涉及机车电气柜冷却技术，尤其涉及一种机车电气柜冷却装置及
机车电气柜。
背景技术
大功率半导体元件是机车电力传动系统的重要组成，它们通常被安装在
电气柜内。大功率半导体元件工作时，消耗的能量以热量形式释放，如果这
部分热量不被及时排出电气柜，那么电气柜将无法正常工作，严重时还会造
成内部元件烧毁。
目前，冷媒循环是机车电气柜的主要冷却方式，这种传统的冷却装置由
水箱、水泵、风机、散热器、管道等组成，冷媒通常采用水和乙二醇组成的
混合液，在水泵的作用下循环于管道内，冷媒在风机和散热器的作用下迅速
从电气柜内部吸收热量，循环至电气柜外部时，二次冷却装置会对冷媒进行
冷却。该种冷却装置结构复杂，且连接密封性要求高，风机、散热器和管道
均需要安装在电气柜内部，这种设计不仅增加了电气柜的体积，而且风机工
作时引起的震动直接影响了电气柜的稳定性，复杂的管路也会降低电气柜的
可维护性。
发明内容
本发明提供一种机车电气柜冷却装置及机车电气柜，用于克服现有技术
中的缺陷，提高了冷却装置的稳定性和能源利用率，减小了电气柜体积，且
提高了冷却装置的可维护性。
本发明提供一种机车电气柜冷却装置，该冷却装置包括中央控制单元和
至少一个制冷单元，其中：
所述制冷单元包括安装在电气柜内部发热元件上的导热板、冷端与所述
导热板连接的热电制冷元件、与所述热电制冷元件热端连接的散热器和靠近
所述散热器设置的风机；
所述导热板上设置有第一温度传感器，所述散热器上设置有第二温度传
感器；
所述中央控制单元包括微控制器和数量与所述制冷单元数量相同的测控
模块；所述微控制器根据所述第一温度传感器检测到的导热板的温度计算所
述发热元件需要的热电制冷元件的制冷功率，输出与所述热电制冷元件制冷
功率所对应的第一控制信号，所述测控模块接收该第一控制信号并控制所述
制冷单元中的热电制冷元件以第一制冷功率运行；所述微控制器根据第二温
度传感器检测到的散热器的温度计算所述散热器需要的风机的转速，输出与
所述风机转速所对应的第二控制信号，所述测控模块接收该第二控制信号并
控制所述制冷单元中的所述风机以第一转速运转。
其中，所述导热板呈C形，所述热电制冷元件的冷端设置在所述导热板
的槽口内。
进一步地，所述散热器为翅片散热器，所述翅片散热器与翅片背向的一
侧与所述热电制冷元件的热端连接。
其中，所述测控模块包括：
第一信号转换电路，输入端与第一温度传感器连接，输出端与所述微控
制器连接；用于接收第一温度传感器输出的信号并将该信号进行放大或转换
后分别输出至所述微控制器；
第二信号转换电路，输入端与第二温度传感器连接，输出端与所述微控
制器连接；用于接收第二温度传感器输出的信号并将该信号进行放大或转换
后分别输出至所述微控制器；
可调恒流源电路，输入端连接所述微控制器，输出端连接所述热电制冷
元件，根据接收到的来自于所述微控制器的第一控制信号输出恒定电流，给
所述热电制冷单元供电使其以一定制冷功率运行；
电机驱动电路，输入端连接所述微控制器，输出端连接所述风机；根据
接收到的来自于所述微控制器的第二控制信号驱动所述风机以一定转速运
转。
进一步地，所述第一控制信号是0～5V的电压信号；所述第二控制信号
是脉冲宽度调制信号。
本发明还提供一种机车电气柜，包括柜体和设置在所述柜体内的至少一
个发热元件，所述柜体上设置有冷却装置，所述冷却装置为上述任意实施例
所述的机车电气柜冷却装置，每个所述发热元件上均设置一个所述机车电气
柜冷却装置中的制冷单元，所述制冷单元中的导热板安装在所述发热元件上，
所述制冷单元中的热电制冷元件的冷端设置在所述柜体内部，所述热电制冷
元件的热端、与所述热电制冷元件热端连接的散热器以及所述制冷单元中的
风机均设置在所述柜体外部。
本发明提供的机车电气柜冷却装置及机车电气柜，第一温度传感器安装
在导热板上，用于检测导热板的温度，微控制器根据第一温度传感器检测的
导热板的温度并通过测控模块控制热电制冷元件的制冷功率；第二温度传感
器安装在散热器上，用于检测散热器的温度，微控制器根据第二温度传感器
检测的散热器的温度并用通过测控模块控制风机的转速，进而调整流过散热
器的风量；由传感器和测控模块等执行器组成闭环控制系统，提高了冷却装
置的稳定性和能源利用率；每一电气柜内部的发热元件均通过一个制冷单元
进行冷却，采取的是点对点制冷方式，冷却效果较好；此外，制冷单元中仅
仅导热板和热电制冷元件的冷端安装在电气柜内部，不包含运动部件，减小
了电气柜的体积，提高了可维护性，且为电气柜提供了一个良好的运行环境，
不影响电气柜内部器件的工况；热电制冷元件可快速将电气柜内的温度降低
至环境温度以下，相对于现有技术中的冷却装置，冷却效率和速度均大大提
高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的机车电气柜冷却装置的结构示意图；
图2为中央控制单元的结构示意图；
图3为中央控制单元的控制流程示意图；
图4为本发明实施例提供的机车电气柜的结构示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明提供一种机车电气柜冷却装置，该冷却装置包括
中央控制单元1和至少一个制冷单元2，其中：制冷单元2包括安装在电气
柜内部发热元件100上的导热板21、22a冷端与导热板21连接的热电制冷元
件22、与热电制冷元件热端22b连接的散热器23和靠近散热器设置的风机
24；在导热板21上设置有第一温度传感器10，在散热器23上设置有第二温
度传感器20；中央控制单元1包括微控制器11和数量与制冷单元2相同的
测控模块12；每个测控模块12控制一个制冷单元2；微控制器11根据第一
温度传感器10检测到的导热板21的温度计算发热元件需要的热电制冷元件
22的制冷功率，输出与热电制冷元件22制冷功率所对应的第一控制信号，
测控模块12接收该第一控制信号并控制制冷单元2中的热电制冷元件22以
第一制冷功率运行；微控制器11根据第二温度传感器20检测到的散热器23
的温度计算散热器23需要的风量，并根据该风量计计算风机24的转速，输
出与风机24转速所对应的第二控制信号，测控模块12接收该第二控制信号
并控制制冷单元2中的风机24以第一转速运转。
本发明提供的机车电气柜冷却装置，第一传感器10安装在导热板21上，
用于检测导热板21的温度，微控制器11根据第一温度传感器10检测的导热
板21的温度并通过测控模块12控制热电制冷元件的制冷功率；第二温度传
感器20安装在散热器23上，用于检测散热器23的温度，微控制器11根据
第二传感器20检测的散热器23的温度，计算散热器23所需的风量，进而通
过该风量计算出风机24的转速，通过测控模块12控制风机的转速，进而调
整流过散热器的风量；由第一温度传感器10、第二温度传感器20和测控模
块12等执行器组成闭环控制系统，提高了冷却装置的稳定性和能源利用率；
每一电气柜内部的发热元件均通过一个制冷单元进行冷却，采取的是点对点
制冷方式，相对于现有技术中电气柜内部几个发热元件共同利用一个制冷单
元的线对点的制冷方式，冷却效果较好。
热电制冷的原理如下：用两种不同的金属丝相互连接在一起，形成一个
闭合电路，把两个连接点分别放在温度不同的两处，就会在两个连接点之间
产生一个电势差即接触电动势。同时闭合电路中就有电流通过。反过来，将
两种不同的金属线相互连接形成的闭合线路已通直流电，会产生两个不同温
度的连接点。只要通以直流电，就会是其中一个连接点变热，另一个连接点
变冷。这就是帕尔帖效应，亦称温差电现象。生产冷端就是我们需要的制冷。
热电制冷元件22可采用市场上的通用热电制冷器件，其中本实施例中采
用由N型半导体和P型半导体构成的热电制冷元件，用金属将N型半导体和
P型半导体连接成一个回路，金属只起导电的作用。当电流由N型半导体流
向P型半导体，P端的热量会被带至N端，且热量的传递速度随电流的升高
而增加。
一个中央控制单元1配备一个微控制器11和一个人机界面13，测控模
块12的数量与制冷单元2的数量相同。微控制器11是中央控制单元1的核
心，测控模块12和人机界面13会把采集到的信息发送至微控制器11，这些
信息经微控制器11计算和处理后形成控制指令(包括第一控制信号和第二控
制信号)，测控模块12再接收并执行微控制器发出的控制命令，驱动热电制
冷元件22和风机24运行。人机界面提供了用户与电气柜制冷装置的互交，
用户可以通过人机界面观察制冷装置的运行状态。微控制器11可以是单片
机，测控模块12可以是集成电路。
作为上述实施例的改进，如图1所示，导热板21呈C形，热电制冷元件
的冷端22a设置在导热板21的槽口内。该种导热板结构，为热电制冷元件
22的安装提供了一个槽口，热电制冷元件的一部分可内嵌在该槽口中，减小
了占用空间，此外，该槽口结构设置增加了热电制冷元件冷端22a与导热板
21的接触面积，提高了热传递速率。
如图1所示，散热器23为翅片散热器，翅片散热器与翅片23a背向的一
侧与热电制冷元件的热端22a连接。翅片散热器通过空气介质散热，易于安
装、且成本较低，热量最后经翅片23a散发到空气中，最后通过风机24加速
空气流动，将热量散发到外界。
上述实施例中，测控模块12包括：
第一信号转换电路121，输入端与第一温度传感器10连接，输出端与微
控制器11连接；用于接收第一温度传感器10输出的信号并将该信号进行放
大或转换后分别输出至微控制器11；第一温度传感器10通常是热电偶型或
热电阻型，若第一温度传感器10选用热电偶型，则第一温度传感器10输出
的是微弱电位差信号，第一信号转换电路121选用放大电路和冷端补偿电路
对电位差进行放大和补偿即可，最终向微控制器11输入的是电压信号；若第
一温度传感器10选用热电阻型，则第一温度传感器10输出的是电阻值的变
化量，第一信号转换电路121选用电桥电路对阻值变化量以电压变化的形式
表现出来，最终向微控制器11输入的也是电压信号；
第二信号转换电路122，输入端与第二温度传感器20连接，输出端与微
控制器11连接；用于接收第二温度传感器20输出的信号并将该信号进行放
大或转换后分别输出至微控制器11；第二温度传感器20选型与第一温度传
感器10相同，第二信号转换电路122也与第一信号转换电路121类似，当第
二温度传感器20选用热电偶型，则第二信号转换电路122为放大补偿电路，
当第二温度传感器20选用热电阻型，则第二信号转换电路122为电桥电路；
微控制器11接收第一信号转换电路121输出的电压信号后，对该电压信
号进行模数转换，将该电压信号转换为数字信号，并按照预设程序进行计算，
最终再进行数模转换后获得电压控制信号，这个电压控制信号就是第一控制
信号；
微控制器11接收第二信号转换电路121输出的电压信号后，对该电压信
号进行模数转换，将该电压信号转换为数字信号，并按照预设程序进行计算，
输出脉冲宽度调制信号，这个脉冲宽度调制信号就是第二控制信号；微控制
器11可采用具有模数转换和数模转换功能的单片机，或采用具有相应功能的
芯片；
可调恒流源电路123，输入端连接微控制器11，输出端连接热电制冷元
件22，根据接收到的来自于微控制器11的第一控制信号输出恒定电流，给
热电制冷单元22供电使其以一定制冷功率运行；可调恒流源电路用于驱动热
电制冷元件，并根据输入的电压控制信号的大小调整电流的大小，从而调整
制冷功率；
电机驱动电路124，输入端连接微控制器11，输出端连接风机24；根据
接收到的来自于微控制器11的第二控制信号驱动风机21以一定转速运转。
电机驱动电路根据微控制器发送的脉宽调制信号，调节风机转速，从而调节
流过翅片散热器的风量。可调恒流源电路123采用现有的恒流源电路，电机
驱动电路124采用现有的直流电机驱动电路。上述实施例中的第一控制信号
是0～5V的电压信号；第二控制信号是脉冲宽度调制信号。
第一温度传感器10的输入和可调恒流源电路的输出构成了一个闭环控制
过程，微控制器内部的控制算法会精准地调节这个过程。
风机24由测控模块的电机驱动电路124驱动，微控制器11通过输出的脉宽
调制信号调节风机24转速，即调节风量。翅片散热器温度过高时，需要提高
风量，温度低时可减小风量。这同样是由微控制器11内部算法调节的闭环控
制过程。
上述两个闭环控制过程不仅提高了系统的稳定性和可靠性，而且达到了
能源按需分配的目的，保证了系统的节能高效。
每个测控模块包含四个测控点，分别是导热板21的温度、翅片散热器
的温度、风机24转速和可调恒流源电路123的输出电流，这用户可通过中
央控制单元1的人机界面13观察。
本是实施例还提供一种机车电气柜，如图4所示，包括柜体200和设置
在柜体200内的至少一个发热元件100，柜体200上设置有冷却装置，冷却
装置为上述任意实施例的机车电气柜冷却装置，每个发热元件100上均设
置一个机车电气柜冷却装置中的制冷单元，制冷单元中的导热板21安装在
发热元件100上，制冷单元中的热电制冷元件22的冷端22a设置在柜体200
内部，热电制冷元件22的热端22b、与热电制冷元件热端22b连接的散热器
23以及制冷单元中的风机24均设置在柜体200外部。
除了热电制冷元件22，不需要电气柜其它部分与外界热交换，因此电
气柜柜体200的内部安装有绝热层300。
每个电气柜仅需一个中央控制单元1，图4假设电气柜内安装了3个发
热元件，故需要三个制冷单元和三个测控模块12。
参考图4，导热板21和热电制冷元件的冷端22a安装在电气柜内，发热
元件100安装在导热板21上，如果发热元件100无法与导热板21良好接触，
则需要增加其它导热环节。可根据电气元件的布局，调整制冷单元的位置
和数量，从而达到最佳的散热效果。
参考图1和图4，发热元件100产生的热量传递至导热板21，热电制冷
元件冷端22a吸收导热板21的热量，并传递至其热端22b，通过这个过程，
柜体200内部的热量被传至外部。热电制冷元件热端22b安装在电气柜外
部，其上部的翅片散热器吸收热量后，在风机24的作用下，空气穿过翅片
带走热量，从而冷却了热端22b。通过上述两个热传递过程，柜体200内部
内部热量被排放到了空气中。
制冷单元中仅仅导热板和热电制冷元件的冷端安装在电气柜内部，不
包含运动部件，减小了电气柜的体积，提高了可维护性，且为电气柜提供
了一个良好的运行环境，不影响电气柜内部器件的工况；热电制冷元件可
快速将电气柜内的温度降低至环境温度以下，相对于现有技术中的冷却装
置，冷却效率和速度均大大提高。
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。