CN114300780A - 一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，包括钢结构和设置在钢结构顶部的冷水机组，所述钢结构内部设置有动力电池仓及位于动力电池仓下方的接触器箱及主回路和火灾防控系统，所述动力电池仓包括仓1、仓2、仓3和仓4，所述仓1、仓2、仓3和仓4内均设有若干动力电池包，所述动力电池包之间串并联，成组为1500V电压等级动力电池装置或750V电压等级动力电池装置。本发明搭载不同电压等级可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置模块设计，同一模块适应不同电压等级及系统需要。

Description

一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置
技术领域
本发明属于机车技术领域，具体涉及一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置。
背景技术
随应“碳达标、碳中和”的政策发展需求，国内混合动力机车、纯电池机车得到发展，为此本公司国内率先完成了混合动力机车及风冷车载动力电池系统开发，当前动力电池技术面临了国铁调车市场需要1500V电压等级动力电池、路外调车市场需要750V等级动力电池及路外纯电池机车需要大电量动力电池系统，为适应市场，改善动力电池系统内温度一致性，开发设计了可搭载不同电压等级、可扩展动力的液冷式、高电压、大容量车载动力电池装置。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置。
本发明目的通过下述技术方案来实现：一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，包括钢结构和设置在钢结构顶部的冷水机组，所述钢结构内部设置有动力电池仓及位于动力电池仓下方的接触器箱及主回路和火灾防控系统，所述动力电池仓包括仓1、仓2、仓3和仓4，所述仓1、仓2、仓3和仓4内均设有若干动力电池包，所述动力电池包之间串并联，成组为1500V电压等级动力电池装置或750V电压等级动力电池装置。
进一步地：所述动力电池仓的四周及底部均设有隔热防火处理隔墙进行物理隔离，所述动力电池包每层间由隔热板进行隔离。
进一步地：所述动力电池包由36-39个电压3.2V单体电池串联集成。
进一步地：所述成组为1500V电压等级动力电池装置的具体方法为：将仓1与仓4内的动力电池包通过隔墙开孔将左右同层动力电池包串联、层间由下而上串联为1个独立的动力电池支路，放置在2个电池仓内的12个动力电池包串联成1支路，仓2与仓3组成1个独立的动力电池支路。
进一步地：所述成组为750V电压等级动力电池装置的具体方法为：将仓1仓2、仓3和仓4的各自层间动力电池包由下而上串联成为1个独立的动力电池支路。
进一步地：所述动力电池支路具有多级熔断保护及安全维护装置，确保动力电池装置不同位置短路，熔断器首先起到短路保护作用，其次接触器能在超过最大工作电流动作并隔断回路。
进一步地：所述动力电池包上设有液冷管路，采用全并联管路布局，并通过U型进水结构，保证每个电池包的液冷管路长度和水路基本相同。
进一步地：所述动力电池装置通过活动锥形座或螺栓安装在车架上。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：
a)本发明搭载不同电压等级可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置模块设计，同一模块适应不同电压等级及系统需要。
b)本发明通过支路开关并联扩展组网，实现电量不断扩展。
c)本发明采用一个模块分割为4个仓的结构型式，将高电压、大电量车载动力电池装置进行了能量分割、物理隔离确保动力电池安全同时，减少动力电池包冷却回路，提高了动力电池温度一致性。
d)本发明采用等阻力的U型管路设计，进一步提高了动力电池各包之间温度一致性，计算结果表明：动力电池系统单体电池之间温差≤5℃(热平衡后)。
附图说明
图1是本发明装置结构图；
图2是本发明装置剖视图；
图3是本发明中1500V动力电池装置在某纯电机车上拓扑图；
图4是本发明中750V动力电池装置在某纯电机车上拓扑图；
图5是本发明实施例中某纯电机车上多个动力电池装置组网拓扑图；
图6是本发明中每个支路保护设置电路图；
图7是本发明中热保障系统原理图；
图8是本发明中并联管路布局、等阻力设计示意图；
图9是本发明中动力电池系统单体电池之间温差分布示意图。
其中，1、钢结构，2、冷水机组，3、动力电池包，31、仓1,32、仓2,33、仓3,34、仓4，4、接触器箱及主回路，5、火灾防控系统。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1和图2所示，本发明公开了一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，包括钢结构和设置在钢结构顶部的冷水机组，所述钢结构内部设置有动力电池仓及位于动力电池仓下方的接触器箱及主回路和火灾防控系统，所述动力电池仓包括仓1、仓2、仓3和仓4，所述仓1、仓2、仓3和仓4内均设有若干动力电池包，所述动力电池包之间串并联，成组为1500V电压等级动力电池装置或750V电压等级动力电池装置。
当成组为1500V电压等级动力电池装置时：将36-39个电压3.2V单体电池串联集成电池包，再将仓1与仓4动力电池包通过隔离墙开孔将左右同层电池包串联、层间由下而上串联为1个独立的动力电池支路(放置在2个电池仓内的12个电池包串联成1支路)，同样仓2与仓3组成1个独立的动力电池支路，因此，动力电池装置包含2个独立支路；当成组为750V电压等级动力电池装置时：仓1至仓4各自层间电池包由下而上串联成为1个独立的动力电池支路，因此，动力电池装置包含4个独立支路；从而将动力电池系统进行能量分割，减少动力电池出现极端情况时的危害性(如某机车原单支路为1500kWh，改进后每支路电量317.16kWh)；每个仓前后两侧及底部由隔热防火处理隔墙进行物理隔离，电池包层间由隔热板进行隔离，实现了最大限度地降低电池热失控的影响和扩散。动力电池装置，均通过活动锥形座或螺栓安装座安装在车架上，可单独起吊和安装，便于极端故障后迅速吊离，也便于动力电池包更换。
动力电池装置不同电压等级下的主回路拓扑结构如图3和图4所示。多个动力电池装置直流环节组网，实现电量的增大：由于每个支路正负极有单独接触器开关，可根据电池状态一致性在直流环节投入或切除，因此，容易在直流环节通过支路并网组建1个或多个汇流网；如多个动力电池装置对多个牵引逆变器供电，也可单个动力电池装置对单个牵引逆变器供电，可实现不同电量、不同充放电支路组网设计(如图3组1个网)，实现电量增加，如图3和图5所示。
以上2个特点，保证了动力电池装置具有较高的模块通用性。
各支路具有多级熔断保护及安全维护装置。确保动力电池装置不同位置短路，熔断器首先起到短路保护作用，其次接触器能在超过最大工作电流动作并隔断回路，如图6所示。
每个动力电池装置设有热保障系统，如图7所示，即顶部布置冷水机组及水管路系统组成。冷水机组采用1组集成式或2组独立的分体式机组，其典型特征之一：与电池热交换则为完全独立的2套水循环回路，实现对动力电池装置的4个仓独立冷却、加热控制，减短动力电池热交换板及流过的水循环回路，提高了动力电池温度一致性。
其典型特征之二：电池包上布置液冷管路采用全并联管路布局，水管路系统采用等阻力设计，即采用U型进水结构，如图8所示，保证每个电池包的水管路长度基本相同、水路基本相同，从而实现每个支路6个电池包的温度均衡。进一步提高了动力电池包之间温度一致性。
a)高电压、大电量车载动力电池装置特征具有内结构分为4个完全独立的动力电池仓，通过仓之间、仓内不同层电池包之间串并联，成组为1500V电压等级动力电池装置或750V电压等级动力电池装置，并可形成2个或4个独立的动力电池支路；从而将动力电池系统进行能量分割与物理隔离，达到同一模块适应不同电压等级及系统需要。
b)可扩展的动力电池系统，其特征在于多个动力电池装置通过支路开关并联扩展组网，组建1个或多个汇流网，实现电量不断扩展。
c)每个动力电池支路具有多级熔断保护。
d)动力电池装置上部布置冷水机组，其特征在于与电池热交换的水系统为完全独立2套回路，实现对动力电池装置的4个仓独立冷却、加热控制，减短动力电池热交换板及流过的水循环回路，提高了动力电池温度一致性。
e)电池包上布置的液冷管路采用全并联管路布局，水管路系统采用等阻力设计，即采用U型管路进水结构，保证每个电池包的水管路长度基本相同、水路基本相同，进一步提高了动力电池包之间温度一致性。如图9所示，计算结果表明：动力电池系统单体电池之间温差≤5℃(热平衡后)。
本发明拟在HXN6型混合动力机车、DF12与GKD3B改纯电池机车及高原救援调车应用。
a)高电压、大电量车载动力电池装置特征具有内结构分为4个完全独立的动力电池仓，通过仓之间、仓内不同层电池包之间串并联，成组为1500V电压等级动力电池装置或750V电压等级动力电池装置；当成组为1500V电压等级动力电池装置时：仓1与仓4动力电池包通过隔离墙开孔将左右同层电池包串联、层间由下而上串联为1个独立的动力电池支路，同样仓2与仓3组成1个独立的动力电池支路，因此，动力电池装置包含2个独立支路；当成组为750V电压等级动力电池装置时：仓1至仓4各自层间包由下而上串联，成为4个独立的动力电池支路；从而将动力电池系统进行能量分割，减少动力电池出现极端情况时的危害性；每个仓前后两侧及底部由隔热防火处理隔墙进行物理隔离，电池包层间由隔热板进行隔离，实现了最大限度地降低电池热失控的影响和扩散。
b)可扩展的动力电池系统，其特征在于多个动力电池装置通过支路开关并联扩展组网,组建1个或多个汇流网，实现电量不断扩展。
c)每个动力电池支路采用4级保护,确保动力电池包、系统及时断开。
d)动力电池装置上部布置冷水机组，其特征在于与电池热交换的水系统为完全独立2套回路，实现对动力电池装置的4个仓独立冷却、加热控制，减短动力电池热交换板及流过的水循环回路，提高了动力电池温度一致性。
e)电池包上布置液冷管路采用全并联管路布局，水管路系统采用等阻力设计，即采用U型管路进水结构，保证每个电池包的水管路长度基本相同、水路基本相同，进一步提高了动力电池各包之间温度一致性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，包括钢结构和设置在钢结构顶部的冷水机组，所述钢结构内部设置有动力电池仓及位于动力电池仓下方的接触器箱及主回路和火灾防控系统，所述动力电池仓包括仓1、仓2、仓3和仓4，所述仓1、仓2、仓3和仓4内均设有若干动力电池包，所述动力电池包之间串并联，成组为1500V电压等级动力电池装置或750V电压等级动力电池装置。
2.根据权利要求1所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述动力电池仓的四周及底部均设有隔热防火处理隔墙进行物理隔离，所述动力电池包每层间由隔热板进行隔离。
3.根据权利要求1所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述动力电池包由36-39个电压3.2V单体电池串联集成。
4.根据权利要求1所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述成组为1500V电压等级动力电池装置的具体方法为：将仓1与仓4内的动力电池包通过隔墙开孔将左右同层动力电池包串联、层间由下而上串联为1个独立的动力电池支路，放置在2个电池仓内的12个动力电池包串联成1支路，仓2与仓3组成1个独立的动力电池支路。
5.根据权利要求4所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述成组为750V电压等级动力电池装置的具体方法为：将仓1仓2、仓3和仓4的各自层间动力电池包由下而上串联成为1个独立的动力电池支路。
6.根据权利要求5所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述动力电池支路具有多级熔断保护及安全维护装置，确保动力电池装置不同位置短路，熔断器首先起到短路保护作用，其次接触器能在超过最大工作电流动作并隔断回路。
7.根据权利要求1所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述动力电池包上设有液冷管路，采用全并联管路布局，并通过U型进水结构，保证每个电池包的液冷管路长度和水路基本相同。
8.根据权利要求1所述的可扩展动力的高电压、大电量车载动力电池装置，其特征在于，所述动力电池装置通过活动锥形座或螺栓安装在车架上。
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