CN115768076A - 一种轨道车辆用一体化冷却系统及其控制方法和轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆用一体化冷却系统及其控制方法和轨道车辆，一体化冷却系统包括数据采集处理模块、复合散热器和空气冷却设备；空气冷却设备，将上游冷空气进行收集并传递到下游风道内，复合散热器设置在空气冷却设备下游风道内；复合散热器包括变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器，所述变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器沿着空气冷却设备下游风道内气流的方向顺次排列；数据采集处理模块根据变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器的出口和入口温度以及各冷却回路中的流量，调节各冷却回路的流量或空气冷却设备的转动频率，使各冷却回路的实际散热需求与散热器的实际散热能力相匹配，提升整车冷却系统的集成性。

Description

一种轨道车辆用一体化冷却系统及其控制方法和轨道车辆

技术领域

本发明属于轨道交通车辆通风冷却设备技术领域，具体涉及一种轨道车辆用一体化冷却系统及其控制方法和轨道车辆。

背景技术

通风冷却系统是轨道车辆的重要组成部分，它的作用是对牵引传动系统(主变压器、主变流柜、牵引电机等)进行冷却，确保牵引传动系统安全运行。随着科学技术的快速发展，机车上变压器、变流器、牵引电机等电器的功率及功率密度不断增大，因而所需的散热冷却功率亦不断加大，且为了提升永磁牵引电机的可靠性与使用寿命，由风冷冷却方式优化为全封闭水冷冷却方式，若继续沿用传统的车载冷却塔，其散热量、体积、重量、噪声等都难以满足高品质机车的要求，因此如何解决机车不断增加的电器发热问题，是业界亟待解决的一个技术难点。

中国发明专利申请公布号CN112954952A公开了一种轨道列车及其散热系统、散热方法，通过液态导热介质在管道内的流动将吸收的发热设备的热量带至走行风散热装置内，利用列车高速运行时的走行风对存储有热量的液态导热介质进行散热，冷却后的液态导热介质再流回至取热装置内进行热量的收集，如此循环，实现发热设备的散热；通过温度传感器检测液态导热介质的温度，根据该温度控制走行风散热装置中散热模块的开启数量和/或走行风散热装置中液态导热介质的流量，使取热装置出口或入口内液态导热介质的温度在对应阈值范围内，实现发热量与散热量的平衡控制，显著提高了散热性能，具有节省能源、降低噪音和降低成本的突出性能，并且大大降低了散热装置的体积和重量。但是，该发明专利中的每个散热模块与被冷却对象之间冷却管路的连接相当复杂，管路以及冷却介质的使用量增大，整个系统的重量极大，并且由于管路的增加会导致系统阻力增大，从而需要选用扬程更大的屏蔽泵，增加了系统能耗。并且散热模块通过走行风冷却，只有在机车运行的时候才能散热，机车静止时无法满足散热需求，并且走行风的风量与机车运行速度成正比，无法自动调节；同时走行风随车速增大而增大，而事实上整车的散热需求却在车速较大且稳定时并非最大，而是机车加速与爬坡等车速较低的工况下散热需求更大，所以该散热系统会出现车速高时，散热需求少而散热模块的散热能力大，散热需求大时反而散热模块的散热能力小的矛盾。

发明内容

本发明旨在提供一种轨道车辆用一体化冷却系统及其控制方法和轨道车辆，通过一体化冷却系统提升轨道车辆整车冷却系统的集成性，使得设备布置简洁清晰，提高换热效率，降低系统能耗。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道车辆用一体化冷却系统，所述一体化冷却系统包括数据采集处理模块、复合散热器和空气冷却设备；空气冷却设备，用于将上游的冷空气进行收集并传递到下游风道内，所述复合散热器设置在空气冷却设备的下游风道内；所述复合散热器包括变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器，所述变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器沿着空气冷却设备下游风道内气流的方向顺次排列；所述变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器分别与不同发热设备相连形成冷却回路，各冷却回路中均设有流量传感器，所述变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器的出口和入口均设有温度传感器，变流器散热器入口温度小于牵引电机散热器入口温度，牵引电机散热器入口温度小于变压器散热器入口温度；数据采集处理模块，用于根据变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器的出口和入口温度以及各冷却回路中液态导热介质的流量，来调节各冷却回路中的流量或空气冷却设备的转动频率，使各冷却回路中各相应散热器的实际散热能力与发热设备的实际散热需求相匹配。

数据采集处理模块根据采集到的变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器的出口和入口温度以及各冷却回路中的流量，计算各冷却回路中发热设备的实际散热需求。将各冷却回路中发热设备的实际散热需求和各冷却回路中各相应散热器的实际散热能力做比较，当某一个或者某两个冷却回路中发热设备的实际散热需求小于各相应散热器的实际散热能力，则说明该冷却回路实际不需要这么大的散热功率，如此则可以降低该冷却回路中液态导热介质的流量，使得该冷却回路中发热设备的实际散热需求与相应散热器的实际散热能力相匹配。当某一个或者某两个冷却回路中发热设备的实际散热需求大于各相应散热器的实际散热能力，则说明该冷却回路散热器的实际散热能力太小，如此则可以增大该冷却回路中液态导热介质的流量，使得该冷却回路中发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。当三个冷却回路中发热设备的实际散热需求均小于各相应散热器的实际散热能力，则可以通过调节空气冷却设备的转动频率来降低空气冷却设备下游风道的冷却气流流量，使得各冷却回路中发热设备的实际散热需求与散热器的实际散热能力相匹配。当三个冷却回路中发热设备的实际散热需求均大于各相应散热器的实际散热能力，则可以通过调节空气冷却设备的转频来提高空气冷却设备下游风道的冷却气流流量，使得各冷却回路中发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。车外空气在空气冷却设备的作用下进入到下游风道内，并依次与变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器进行热交换后排出。变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器在空气冷却设备的下游风道内的气流回路串联设置，空气气流的温度逐渐升高，而分别与变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器相连的各冷却回路相互独立。本发明的轨道车辆的一体化冷却系统，对与各冷却回路相连的发热设备散发的热量分别进行回收，并充分利用变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器入口的温度梯度，通过车外空气对变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器逐个进行热交换，并通过数据采集处理模块的调节作用，使得发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配，该一体化冷却系统中各个设备布置简洁清晰，提升了轨道车辆冷却系统集成度和空气的换热效率，降低了空气流量和系统能耗，同时也改善了系统噪声。

具体的，所述变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器从上至下平行层叠布置，所述空气冷却设备设置在变流器散热器的上方，所述空气冷冷却设备的进口设置在轨道车辆的车顶。

具体的，与所述变流器散热器相连的冷却回路中设有变流器、变流器膨胀水箱和变流器水泵。

具体的，与所述牵引电机散热器相连的冷却回路中设有牵引电机、牵引电机膨胀水箱和牵引电机水泵。

具体的，与所述变压器散热器相连的冷却回路中设有变压器和变压器油泵，所述变压器通过管路与副油箱相连。

具体的，所述空气冷却设备为冷却风机。

优选的，空气冷却设备为两台冷却风机，两台冷却风机并列布置且独立运行。当其中一台冷却风机发生故障时，另一台可以独立工作，还可以保证一体化冷却系统一半的冷却能力，提升了一体化冷却系统的冗余度与可靠性。

本发明还提供了一种利用如上所述的轨道车辆用一体化冷却系统进行冷却的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：分别采集变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器的出口和入口温度，以及与之相连的各个冷却回路中的流量，计算各冷却回路中发热设备的实际散热需求；

步骤2：比较各冷却回路中发热设备的实际散热需求和各相应散热器的实际散热能力，当某一个或某两个冷却回路中发热设备的实际散热需求大于或者小于各相应散热器的实际散热能力，则调整该冷却回路中的流量，使得发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配；当三个冷却回路中发热设备的实际散热需求均大于或者小于各相应散热器的实际散热能力，则调整空气冷却设备的转动频率，使得发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种轨道车辆，轨道车辆上设有冷却塔，其结构特点是：所述冷却塔上设有如上所述的轨道车辆用一体化冷却系统。

优选的，所述轨道车辆上设有两台冷却塔，两台冷却塔独立运行，两台冷却塔中的变压器散热器对同一变压器进行冷却。当一台冷却塔中的一体化冷却系统发生故障无法使用时，整车可以降功率运行，增加了整车牵引传动系统的冷却冗余度，从而提升了整车的运行可靠性。与变压器进行热交换的冷却油平均分成两部分，分别在两台冷却塔中的变压器散热器内与空气进行热交换，互不干扰。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明的轨道车辆用一体化冷却系统，对与各冷却回路相连的发热设备散发的热量分别进行回收，并充分利用变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器入口的温度梯度，通过车外空气对变流器散热器、牵引电机散热器和变压器散热器逐个进行热交换，并通过数据采集处理模块的调节作用，使得发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配，该一体化冷却系统中各个设备布置简洁清晰，提升了轨道车辆冷却系统集成度和空气的换热效率，降低了空气流量和系统能耗，同时也改善了系统噪声。

附图说明

图1为本发明的一种轨道车辆用一体化冷却系统结构示意图。

在图中：1-空气冷却设备、2-复合散热器、21-变压器散热器、22-牵引电机散热器、23-变流器散热器、3-流量传感器、4-温度传感器、5-冷却塔。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1所示，一种轨道车辆用一体化冷却系统，所述一体化冷却系统包括数据采集模块、复合散热器2和两台空气冷却设备1。空气冷却设备1为冷却风机，两台冷却风机独立运行，冷却风机设置在轨道车辆的车顶。冷却风机设置在复合散热器2的上方，用于对复合散热器2进行强迫气流冷却。所述复合散热器2包括变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21，所述变压器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21从上至下平行层叠布置，两台冷却风机设置在变流器散热器23的上方，所述变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21入口温度随着冷却风机下游风道内气流流动的方向由低温到高温排布。

变流器散热器23连接变流器冷却回路，与所述变流器散热器23相连的冷却回路中设有一台变流器、变流器膨胀水箱和变流器水泵。牵引电机散热器22连接牵引电机冷却回路，与所述牵引电机散热器22相连的冷却回路中设有并联三台牵引电机、牵引电机膨胀水箱和牵引电机水泵。变压器散热器21连接变压器冷却回路，与所述变压器散热器21相连的冷却回路中设有变压器和变压器油泵，所述变压器通过管路与副油箱相连，副油箱上设有干燥器。变流器冷却回路、牵引电机冷却回路和变压器冷却回路上均设有流量传感器3，用于检测各冷却回路中液态导热介质(水或者油)的流量。所述变流器散热器23、电机散热器22和变压器散热器21的出口和入口均设有温度传感器4，分别用于检测散热器出口和入口的温度。

所述数据采集处理模块用于根据变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21出口和入口液态导热介质的温度，以及变流器冷却回路、牵引电机冷却回路和变压器冷却回路中液态导热介质的流量，来调节变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21出口液态导热介质的流量或冷却风机的转频，使所述变流器、牵引电机和变压器的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。所述数据采集处理模块为PLC控制器或微处理器或单片机等具有控制功能的模块或设备。数据采集处理模块根据采集到的变流器冷却回路、牵引电机冷却回路和变压器冷却回路中液态导热介质的流量以及监测到的进出变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21液态导热介质的温度来计算变流器冷却回路、牵引电机冷却回路和变压器冷却回路的实际散热需求。当某一个或者某两个冷却回路中发热设备的实际散热需求大于各相应散热器的实际散热能力，则说明该冷却回路散热器的实际散热能力太小，如此则可以增大该冷却回路中液态导热介质的流量，使得该冷却回路中发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。当某一个或者某两个冷却回路中发热设备的实际散热需求小于各相应散热器的实际散热能力，则说明该冷却回路散热器的实际散热能力太大，如此则可以减小该冷却回路中液态导热介质的流量，使得该冷却回路中发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。当三个冷却回路的散热器的实际散热能力均大于实际散热需求，则可以通过调节空气冷却设备1的转动频率来降低空气冷却设备1下游风道的冷却气流流量，使得各冷却回路中发热设备的实际散热需求与散热器的实际散热能力相匹配。当三个冷却回路的散热器的实际散热能力均小于实际散热需求，则可以通过调节空气冷却设备1的转频来提高空气冷却设备1下游风道的冷却气流流量，使得各冷却回路中发热设备的实际散热需求与散热器的实际散热能力相匹配。

如图1所示，一种轨道车辆，轨道车辆上设有两台冷却塔5，所述冷却塔5均采用如上所述的一体化冷却系统，冷却塔5采用两台冷却风机强迫通风与复合散热器2换热，两台冷却塔5均独立运行。两台冷却塔5中的变压器散热器21同时对同一台变压器进行散热。与变压器进行热交换的冷却油平均分成两部分，分别在两台冷却塔5中的变压器散热器21内与空气进行热交换，互不干扰。单台冷却塔5采用两台冷却风机强迫通风与各个散热器换热，两台冷却风机独立运行，当其中一台发生故障时，另一台可以独立工作，还可以保证冷却系统一半的冷却能力，即提升了一体化冷却系统的冗余度与可靠性。整车采用两台冷却塔5，当一台冷却塔5发生故障时，整车可以降功率运行，增加了整车牵引传动系统的冷却冗余度，从而提升了整车的运行可靠性。如整车单节车正常运行时所需的散热功率是4800KW，当一台冷却塔5发生故障时，整车还可以有2400KW的运行功率，保证一半的运行能力。而如果一台冷却风机发生故障时，整车还可以有3600KW的运行功率。

车外冷空气在冷却风机的作用下从车顶吸入，依次与变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21进行多次热交换后排出。如某轨道车辆一台冷却塔5中变流器的散热需求为65KW，变流器散热器23入口水温为61℃，变流器散热器23出口水温为55℃；牵引电机的散热需求为120KW，牵引电机散热器22入口水温为75℃，牵引电机散热器22出口水温为65℃；变压器的散热需求为83KW，变压器散热器21入口油温为87℃，变压器散热器21出口油温为78℃，该变流器散热器23、牵引电机散热器22和变压器散热器21的实际散热能力与变流器、牵引电机和变压器的实际散热需求相匹配。其中，各相应散热器的实际散热能力和发热设备的实际散热需求均可以通过计算公式Q＝C_p*m*Δt来计算。当计算发热设备的实际散热需求时，C_p为液态导热介质的比热容，m为液态导热介质的质量流量，Δt为冷却回路中各散热器出入口温差。当计算散热器的实际散热能力时，C_p为空气定压比热，m为空气的质量流量，Δt为各散热器出入口空气温差。

本发明的轨道车辆用一体化冷却系统，对与各冷却回路相连的发热设备散发的热量分别进行回收，并充分利用各个散热器入口的温度梯度，通过车外冷空气对各个散热器进行统一散热，提升了轨道车辆冷却系统集成度和空气的换热效率，降低了空气流量和系统能耗，同时也改善了系统噪声。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：所述一体化冷却系统包括数据采集处理模块、复合散热器(2)和空气冷却设备(1)；

空气冷却设备(1)，用于将上游的冷空气进行收集并传递到下游风道内，所述复合散热器(2)设置在空气冷却设备(1)的下游风道内；

所述复合散热器(2)包括变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)，所述变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)沿着空气冷却设备(1)下游风道内气流的方向顺次排列；所述变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)分别与不同发热设备相连形成冷却回路，各冷却回路中均设有流量传感器(3)，所述变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)的出口和入口均设有温度传感器(4)，变流器散热器(23)入口温度小于牵引电机散热器(22)入口温度，牵引电机散热器(22)入口温度小于变压器散热器(21)入口温度；

所述数据采集处理模块，用于根据变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)的出口和入口温度以及各冷却回路中液态导热介质的流量，来调节各冷却回路中的流量或空气冷却设备(1)的转动频率，使各冷却回路中各相应散热器的实际散热能力与发热设备的实际散热需求相匹配。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：所述变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)从上至下平行层叠布置，所述空气冷却设备(1)设置在变流器散热器(23)的上方，所述空气冷却设备(1)的进口设置在轨道车辆的车顶。

3.根据权利要求1所述的轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：与所述变流器散热器(23)相连的冷却回路中设有变流器、变流器膨胀水箱和变流器水泵。

4.根据权利要求1所述的轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：与所述牵引电机散热器(22)相连的冷却回路中设有牵引电机、牵引电机膨胀水箱和牵引电机水泵。

5.根据权利要求1所述的轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：与所述变压器散热器(21)相连的冷却回路中设有变压器和变压器油泵，所述变压器通过管路与副油箱相连。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：所述空气冷却设备(1)为冷却风机。

7.根据权利要求6所述的轨道车辆用一体化冷却系统，其特征在于：所述空气冷却设备(1)为两台冷却风机，两台冷却风机并列布置且独立运行。

8.一种利用如权利要求1～7中任一项所述的轨道车辆用一体化冷却系统进行冷却的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分别采集变流器散热器(23)、牵引电机散热器(22)和变压器散热器(21)的出口和入口温度，以及与之相连的各个冷却回路中的流量，计算各冷却回路中发热设备的实际散热需求；

步骤2：比较各冷却回路中发热设备的实际散热需求和各相应散热器的实际散热能力，当某一个或某两个冷却回路中发热设备的实际散热需求大于或者小于各相应散热器的实际散热能力，则调整该冷却回路中的流量，使得发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配；当三个冷却回路中发热设备的实际散热需求均大于或者小于散热器的实际散热能力，则调整空气冷却设备(1)的转动频率，使得发热设备的实际散热需求与各相应散热器的实际散热能力相匹配。

9.一种轨道车辆，轨道车辆上设有冷却塔(5)，其特征在于：所述冷却塔(5)上设有如权利要求1～7中任一项所述的轨道车辆用一体化冷却系统。

10.根据权利要求9所述的轨道车辆，其特征在于：所述轨道车辆上设有两台冷却塔(5)，两台冷却塔(5)独立运行，两台冷却塔(5)中的变压器散热器(21)对同一变压器进行冷却。

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