CN114179606A - 一种动力单元冷却系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力单元冷却系统及控制方法，属于电力设备冷却技术领域，该系统包括：在动力单元的第一侧进气，在动力单元的第二侧、第三侧和第四侧向外排气；且分别在所述第二侧、第三侧和第四侧布置有发电机散热器、发动机散热器和中冷散热器。本发明使动力单元在极端工况环境下达到热平衡后，动力单元内各区域温度稳定在正常范围内，保障输出功率稳定，可以提高动力单元的可靠性和使用寿命。

Description

一种动力单元冷却系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电力设备冷却技术领域，更为具体的，涉及一种动力单元冷却系统及控制方法。
背景技术
动力单元是一种大功率能源转换设备，整体设计为相对封闭的箱式结构，其中发动机的散热需求功率约160kW，中冷器散热功率需求约45kW，发动机的冷却系统与中冷器冷却系统匹配的是一套成熟的散热器，该组合配套在民用汽车行业已成熟使用，动力单元借用该套组合，在夏季户外长时间连续运行均能满足使用要求，但在极限工况下，例如高温48℃与太阳辐射1110W/m2的环境下，动力单元输出功率不能满足系统在极限工况下的用电需求。例如，当前动力单元在高温48℃与热辐射1110W/m2的环境下，发动机冷却液温度超过了设定值，出现冷却液超温报警，发动机启动保护功能，输出功率大幅衰减，不能满足使用需求的问题。因此为保证动力单元在极限工况时输出功率稳定，动力单元各电气设备的工作温度应稳定在正常范围内，需要对动力单元的冷却系统重新考虑。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动力单元冷却系统及控制方法，使动力单元在极端工况环境下达到热平衡后，动力单元内各区域温度稳定在正常范围内，保障输出功率稳定，可以提高动力单元的可靠性和使用寿命等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种动力单元冷却系统，包括：
在动力单元的第一侧进气，在动力单元的第二侧、第三侧和第四侧向外排气；且分别在所述第二侧、第三侧和第四侧布置有发电机散热器13、发动机散热器和中冷散热器。
进一步地，将中冷散热器的芯体与发动机散热器的芯体分开布置。
进一步地，发电机控制器、DC-DC及发电机均采取液冷方式，且冷却回路并联，根据三者冷却回路的热阻和流阻的大小分配冷却液流量，共用一套散热器，散热器可采取冷却风扇散热。
进一步地，发电机控制器及DC-DC12的工作温度重合，集中放置在动力单元的第二侧，在该处舱体尾部布置一件冷却风扇，在柴油发动机附件的舱体后部配套冷却风扇。
进一步地，在所述第四侧还布置有舱体冷却风扇。
进一步地，在发电机控制器侧、柴油发动机中冷进气口侧均设置有温度传感器，用于监测舱体内温度；在发动机散热器的冷却液出口、发电机散热器的冷却液出口、中冷散热器的出风管口处均设置有温度传感器，用于监测各散热器出口冷却液的温度。
进一步地，柴油发动机的曲轴与离心泵的泵轴机械连接，柴油发动机启动后，离心泵运转，为发动机冷却系统的冷却液循环提供动力；动力单元中水泵和冷却风扇由DC-DC进行供电，动力单元供电启动后，水泵开始工作，并为发电机控制器、DC-DC及发电机输出冷却液；动力单元的冷却风扇开启、半开、全开及停止由散热器控制器控制，根据散热器冷却介质出口温度调节冷却风扇转数，以此调节散热器通风量。
一种基于如上任一项动力单元冷却系统的控制方法，当温度达到设定温度时，对应的冷却风扇开始工作，对各电气设备实行精准温控，使其工作在正常温度范围内。
进一步地，包括子步骤：舱体的第一冷却风扇的控制步骤、发动机散热器的第二冷却风扇的控制步骤、中冷器散热器的第三冷却风扇控制步骤和发电机散热器的第四冷却风扇控制步骤；
当发电机控制器侧、柴油发动机中冷进气口侧的空气温度均大于设定温度T1时，控制第一冷却风扇工作，随温度升高转速加大，当舱内温度达到设定温度T2时，第一冷却风扇全速工作；当舱内温度降低到设定温度T1时，第一冷却风扇停止工作；
当发动机散热器冷却液出口温度达到设定温度T3时，此时控制第二冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大；当温度达到设定温度T4时，第二冷却风扇全速工作；当发动机散热器冷却液出口温度降低到设定温度T5时，第二冷却风扇停止工作；
当中冷器出气管口的温度达到设定温度T5时，控制第三冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大；当温度达到设定温度T6时，第三冷却风扇全速工作，当中冷器出气管口的温度降至设定温度T5以下时，控制第三冷却风扇停止工作；
当发电机散热器冷却液出口温度达到设定温度T6时，第四冷却风扇开始工作，随温度增高，控制第四冷却风扇转速加大；当温度达到设定温度T7时，控制第四冷却风扇全速工作；当发电机散热器冷却液出口温度降至设定温度T8以下时，控制第四冷却风扇停止工作。
本发明的有益效果是：
本发明有效解决了背景技术下的问题，在实施例中具体解决了动力单元在高温48℃与热辐射1110W/m2的环境下，发动机冷却液温度超过了设定值，出现冷却液超温报警，发动机启动保护功能，输出功率大幅衰减，不能满足使用需求的技术问题。并且，本发明实施例还提供了一种动力单元冷却系统、控制方法及设计方法，使动力单元在极端工况环境下达到热平衡后，动力单元内各区域温度稳定在正常范围内，输出功率稳定，提高动力单元的可靠性和使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的动力单元的冷却系统设计流程图。
图2为本发明实施例的动力单元的冷却方案布置示意图。
图3为本发明实施例的动力单元发动机的冷却方案示意图。
图4为本发明实施例的动力单元发电机控制器、DC-DC及发电机的冷却方案示意图。
图5为本发明实施例的动力单元中冷器的冷却方案示意图。
图6为本发明实施例的动力单元的舱内结构示意图。
其中，1-发电机散热水箱用膨胀水箱，2-空气滤清器，3-发电机控制器，4-柴油发动机的涡轮增压器，5-柴油发动机，6-发动机散热水箱用膨胀水箱，7-发动机散热器，8-消音器，9-中冷散热器，10-舱体冷却风扇，11-发电机，12-DC-DC，13-发电机散热器，14-水泵。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
下面根据附图1～图6，对本发明的技术构思、工作原理、功效和工作过程作进一步详细说明。
如图2所示，本发明的实施例提供一种动力单元冷却系统动力单元从前侧进气，左右两侧及后部向外排气，左侧布置发电机散热器，右侧布置发动机散热器，尾部靠右布置中冷散热器，尾部中间及靠左侧布置三件冷却风扇。
将中冷散热器芯体与发动机散热器芯体分开布置，避免相互影响，发动机散热器芯体配备六件冷却风扇，中冷散热器配备四件冷却风扇。
发电机控制器、DC-DC及发电机采取液冷方式，冷却回路并联，根据三者冷却回路的热阻和流阻的大小分配冷却液流量，共用一套散热器，可选的，散热器采取四件冷却风扇散热；发电机控制器及DC-DC工作温度重合，集中放置在动力单元的左侧，可选的，在该处舱体尾部布置一件冷却风扇，为保证动力单元舱内发动机处的温度稳定，在柴油发动机附件的舱体后部配套两件冷却风扇。
在发电机控制器附近、柴油发动机中冷进气口附近设置温度传感器，监测舱体内温度；发动机散热器的冷却液出口、发电机散热器的冷却液出口、中冷散热器的出风管口设置温度传感器，监测各散热器出口冷却液的温度。当温度达到设定点，对应的散热器冷却风扇开始工作，对各电气设备实行精准温控，使其工作在正常温度范围内，提高动力单元的可靠性和使用寿命。
按图1所示的设计思路进行设计，完成设计工作后选型散热器及冷却风扇等，冷却系统的液冷回路及气路按图3～图5的对应的接口对接，其中，发电机散热水箱用膨胀水箱1与水泵14建立管路连接，能够为发电机控制器3、DC-DC12及发电机11输出冷却液。空气滤清器2安装在柴油发动机的涡轮增压器4的气路上，并且柴油发动机的涡轮增压器4分别与柴油发动机5和消音器8连接。发动机散热水箱用膨胀水箱6分别与发动机散热器7和柴油发动机5连接，能够为发动机散热器7和柴油发动机5输出冷却液。为保证动力单元冷却系统正常工作，动力单元冷却系统的控制方案如下：
柴油发动机5的曲轴与离心泵的泵轴机械连接，柴油发动机5启动后，离心泵运转，为发动机冷却系统的冷却液循环提供动力。
动力单元中水泵14和20件冷却风扇(数量可根据实际需求而定)由DC-DC供电，动力单元供电启动后，水泵14就开始工作，为发电机控制器、DC-DC及发电机输出冷却液。
动力单元的20件冷却风扇(数量可根据实际需求而定)开启、半开、全开及停止由散热器控制器控制，根据散热器冷却介质出口温度调节冷却风扇转数，以此调节散热器通风量，具体控制方案如下：
舱体的三个风扇的控制方案：当发电机控制器附近、柴油发动机中冷进气口附近空气温度均＞0℃(温度设定值可根据实际需求而定)，三件冷却风扇开始工作，随温度升高转速加大，当舱内温度达到20℃(温度设定值可根据实际需求而定)，冷却风扇全速工作；调速分10档，即舱内温度达到2℃(温度设定值可根据实际需求而定)，冷却风扇以第一档转速低速工作，舱内温度每升高2℃，转速调高1档；当舱内温度降低到0℃时，冷却风扇停止工作。
发动机散热器的六件冷却风扇控制方案：当发动机散热器冷却液出口温度达到80℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，此时六件冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大。当温度达到86℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，六件冷却风扇全速工作；当发动机散热器冷却液出口温度降低到78℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，六件冷却风扇停止工作。
中冷器散热器的四件冷却风扇控制方案：当中冷器出气管口的温度达到48℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大。当温度达到55℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，风扇全速工作；当中冷器出气管口的温度降至48℃(温度设定值可根据实际需求而定)以下时，四件冷却风扇停止工作。
发电机散热器的四件冷却风扇控制器方案：当发电机散热器冷却液出口温度达到50℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，四件冷却风扇开始工作，随温度增高，风扇转速加大。当温度达到55℃(温度设定值可根据实际需求而定)时，四件冷却风扇全速工作；当发电机散热器冷却液出口温度降至50℃(温度设定值可根据实际需求而定)以下时，四件冷却风扇停止工作。
本发明的设计思路如下：
步骤一，计算动力单元高温环境下总散热量。
步骤二，确定发动机、发电机、发电机控制器、DC-DC、中冷器等有散热需求的部件的冷却方式，确定冷却介质。
步骤三，确定高温环境下发动机、发电机、发电机控制器、DC-DC冷却液进水温度，监测进水温度；确定高温环境下中冷器出气温度，监测进气温度。
步骤四，计算动力单元高温环境下发动机冷却液流量，发电机、发电机散热器及DC-DC冷却液流量，中冷散热器换热所需冷风量；计算发动机散热器、中冷散热器、发电机散热器散热面积，确定散热器芯体正面积；计算动力单元冷却空气的需求量，为舱体及各散热器分配冷却风扇。
步骤五，根据发动机、发电机、发电机控制器、DC-DC及中冷器工作温度情况，综合其它因素后在舱体内布局；设计冷却回路，确定冷却介质流阻，选择合适水泵等附件；散热器控制器根据监测的温度，确定冷却风扇开启、半开、全开，停机策略。
实施例1：一种动力单元冷却系统，包括：
在动力单元的第一侧进气，在动力单元的第二侧、第三侧和第四侧向外排气；且分别在所述第二侧、第三侧和第四侧布置有发电机散热器13、发动机散热器7和中冷散热器9。
实施例2：在实施例1的基础上，将中冷散热器9的芯体与发动机散热器7的芯体分开布置。
实施例3：在实施例1的基础上，发电机控制器3、DC-DC12及发电机11均采取液冷方式，且冷却回路并联，根据三者冷却回路的热阻和流阻的大小分配冷却液流量，共用一套散热器，散热器采取冷却风扇散热。
实施例4：在实施例3的基础上，发电机控制器3及DC-DC12的工作温度重合，集中放置在动力单元的左侧，在该处舱体尾部布置一件冷却风扇，在柴油发动机5附件的舱体后部配套冷却风扇。
实施例5：在实施例1的基础上，在所述第四侧还布置有舱体冷却风扇10。
实施例6：在实施例4的基础上，在发电机控制器3侧、柴油发动机5中冷进气口侧均设置有温度传感器，用于监测舱体内温度；在发动机散热器7的冷却液出口、发电机散热器13的冷却液出口、中冷散热器9的出风管口处均设置有温度传感器，用于监测各散热器出口冷却液的温度。
实施例7：在实施例4的基础上，柴油发动机5的曲轴与离心泵的泵轴机械连接，柴油发动机5启动后，离心泵运转，为发动机冷却系统的冷却液循环提供动力；动力单元中水泵14和冷却风扇由DC-DC12供电，动力单元供电启动后，水泵14开始工作，为发电机控制器3、DC-DC12及发电机11输出冷却液；动力单元的冷却风扇开启、半开、全开及停止由散热器控制器控制，根据散热器冷却介质出口温度调节冷却风扇转数，以此调节散热器通风量。
实施例8：本实施例提供一种基于如实施例1～7中任一项动力单元冷却系统的控制方法，当温度达到设定温度时，对应的冷却风扇开始工作，对各电气设备实行精准温控，使其工作在正常温度范围内。
实施例9：在实施例8的基础上，包括子步骤：舱体的第一冷却风扇的控制步骤、发动机散热器的第二冷却风扇的控制步骤、中冷器散热器的第三冷却风扇控制步骤和发电机散热器的第四冷却风扇控制步骤；
当发电机控制器3侧、柴油发动机5中冷进气口侧的空气温度均大于设定温度T1时，控制第一冷却风扇工作，随温度升高转速加大，当舱内温度达到设定温度T2时，第一冷却风扇全速工作；当舱内温度降低到设定温度T1时，第一冷却风扇停止工作；
当发动机散热器7冷却液出口温度达到设定温度T3时，此时控制第二冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大；当温度达到设定温度T4时，第二冷却风扇全速工作；当发动机散热器冷却液出口温度降低到设定温度T5时，第二冷却风扇停止工作；
当中冷器出气管口的温度达到设定温度T5时，控制第三冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大；当温度达到设定温度T6时，第三冷却风扇全速工作，当中冷器出气管口的温度降至设定温度T5以下时，控制第三冷却风扇停止工作；
当发电机散热器13冷却液出口温度达到设定温度T6时，第四冷却风扇开始工作，随温度增高，控制第四冷却风扇转速加大；当温度达到设定温度T7时，控制第四冷却风扇全速工作；当发电机散热器13冷却液出口温度降至设定温度T8以下时，控制第四冷却风扇停止工作。
实施例10：本实施例提供一种基于如实施例1～7中任一项动力单元冷却系统的设计方法，包括如下步骤：
步骤一，计算动力单元高温环境下总散热量；
步骤二，确定发动机、发电机、发电机控制器、DC-DC、中冷器的冷却方式，确定冷却介质；
步骤三，确定高温环境下发动机、发电机、发电机控制器、DC-DC冷却液进水温度，监测进水温度；以及确定高温环境下中冷器出气温度，监测进气温度；
步骤四，计算动力单元高温环境下发动机冷却液流量，发电机、发电机散热器及DC-DC冷却液流量，中冷散热器换热所需冷风量；以及计算发动机散热器、中冷散热器、发电机散热器散热面积，确定散热器芯体正面积；计算动力单元冷却空气的需求量，为舱体及各散热器分配冷却风扇；
步骤五，根据发动机、发电机、发电机控制器、DC-DC及中冷器工作温度情况，综合其它因素后在舱体内布局；以及设计冷却回路，确定冷却介质流阻，选择水泵；散热器控制器根据监测的温度，确定冷却风扇开启、半开、全开和停机策略。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (9)

1.一种动力单元冷却系统，其特征在于，包括：
在动力单元的第一侧进气，在动力单元的第二侧、第三侧和第四侧向外排气；且分别在所述第二侧、第三侧和第四侧布置有发电机散热器(13)、发动机散热器(7)和中冷散热器(9)。
2.根据权利要求1所述的动力单元冷却系统，其特征在于，将中冷散热器(9)的芯体与发动机散热器(7)的芯体分开布置。
3.根据权利要求1所述的动力单元冷却系统，其特征在于，发电机控制器(3)、DC-DC(12)及发电机(11)均采取液冷方式，且冷却回路并联，根据三者冷却回路的热阻和流阻的大小分配冷却液流量，共用一套散热器。
4.根据权利要求3所述的动力单元冷却系统，其特征在于，发电机控制器(3)及DC-DC(12)的工作温度重合，集中放置在动力单元的第二侧，在该处舱体布置冷却风扇，在柴油发动机(5)的舱体配套冷却风扇。
5.根据权利要求1所述的动力单元冷却系统，其特征在于，在所述第四侧布置有舱体冷却风扇(10)。
6.根据权利要求4所述的动力单元冷却系统，其特征在于，在发电机控制器(3)侧、柴油发动机(5)中冷进气口侧均设置有温度传感器，用于监测舱体内温度；在发动机散热器(7)的冷却液出口、发电机散热器(13)的冷却液出口、中冷散热器(9)的出风管口处均设有温度传感器，用于监测各散热器出口冷却液的温度。
7.根据权利要求4所述的动力单元冷却系统，其特征在于，柴油发动机(5)的曲轴与离心泵的泵轴机械连接，柴油发动机(5)启动后，离心泵运转，为发动机冷却系统的冷却液循环提供动力；动力单元中水泵(14)和冷却风扇由DC-DC(12)供电，动力单元供电启动后，水泵(14)开始工作，为发电机控制器(3)、DC-DC(12)及发电机(11)输出冷却液；动力单元的冷却风扇开启、半开、全开及停止由散热器控制器控制，根据散热器冷却介质出口温度调节冷却风扇转数，以此调节散热器通风量。
8.一种基于权利要求1～7任一项动力单元冷却系统的控制方法，其特征在于，当温度达到设定温度时，对应的冷却风扇开始工作，对各电气设备实行精准温控，使其工作在正常温度范围内。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括子步骤：舱体的第一冷却风扇的控制步骤、发动机散热器的第二冷却风扇的控制步骤、中冷器散热器的第三冷却风扇控制步骤和发电机散热器的第四冷却风扇控制步骤；
当发电机控制器(3)侧、柴油发动机(5)中冷进气口侧的空气温度均大于设定温度T1时，控制第一冷却风扇工作，随温度升高转速加大，当舱内温度达到设定温度T2时，第一冷却风扇全速工作；当舱内温度降低到设定温度T1时，第一冷却风扇停止工作；
当发动机散热器(7)冷却液出口温度达到设定温度T3时，此时控制第二冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大；当温度达到设定温度T4时，第二冷却风扇全速工作；当发动机散热器冷却液出口温度降低到设定温度T5时，第二冷却风扇停止工作；
当中冷器出气管口的温度达到设定温度T5时，控制第三冷却风扇开始工作，随温度升高，风扇转速加大；当温度达到设定温度T6时，第三冷却风扇全速工作，当中冷器出气管口的温度降至设定温度T5以下时，控制第三冷却风扇停止工作；
当发电机散热器(13)冷却液出口温度达到设定温度T6时，第四冷却风扇开始工作，随温度增高，控制第四冷却风扇转速加大；当温度达到设定温度T7时，控制第四冷却风扇全速工作；当发电机散热器(13)冷却液出口温度降至设定温度T8以下时，控制第四冷却风扇停止工作。
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