一种混合动力机车车下集成单元用冷却系统的制作方法

1.本发明涉及混合动力机车换热系统，尤其涉及一种混合动力机车车下集成单元用冷却系统。


背景技术：

2.近年来，随着社会对节能环保要求的提高，轨道交通领域产业方向也在调整，发明了以混合动力作为动力牵引的机车。在非电气化铁路上，混合动力为轨道交通车辆提供了一种节能环保的动力解决方案，将是未来一定时期内轨道交通牵引动力的主流模式。混合动力机车以柴油机和动力电池为动力，可实现混合动力牵引、柴油机牵引和纯动力电池牵引三种牵引模式，在城市内、隧道内等路况运行时可采用纯电动模式已满足排放要求；在重载、加速、长大坡道等工况时采用混合动力模式以满足大动力需求；在怠速、制动等运行工况时可对动力电池进行充电储能。
3.混合动力集成单元是混合动力机车实现油电混合驱动的关键部件，对于车下安装的混合动力集成单元，主要集成了柴油机、混动箱、电机(具有牵引和发电功能)、变流器、变速箱、冷却系统、电控系统、动力电池包(单独安装在车体上，具有供电和储能功能)等部件。混合动力集成单元工作时，柴油机、电机、变流器、变速箱等部件均会产生大量热量，使得混合动力机车的部件的工作温度升高，容易超过混合动力机车各部件的正常工作范围。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种混合动力机车车下集成单元用冷却系统，以满足混合动力机车车下集成单元的散热和控制要求，使得动力集成单元各部件在所有运行工况都保持在正常工作温度范围内。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种混合动力机车车下集成单元用冷却系统，包括高温水冷却循环系统、低温水冷却循环系统、风冷控制集成系统、除气补水子系统以及动力集成单元控制系统，所述风冷控制集成系统包括水散热器，所述水散热器内部设置有高温水流通道和低温水流通道，所述高温水流通道和低温水流通道上下并排设置；所述高温水冷却循环系统和风冷控制集成系统之间设置有高温水管路，高温水管路中的高温水在高温水流通道中进行热交换；所述低温水冷却循环系统和风冷控制集成系统之间设置有低温水管路，低温水管路中的低温水在低温水流通道中进行热交换。
7.进一步地，所述风冷控制集成系统还包括空空中冷器、冷却风机组，所述水散热器和空空中冷器左右并排设置，所述冷却风机组采用吸风式冷却方式，冷却风机组的出风口正对高温水冷却循环系统。
8.进一步地，所述低温水流通道的两侧分别连通有低温回水腔、低温出水腔和低温进水腔，低温出水腔、低温进水腔设置于低温水流通道的同侧，低温回水腔和低温出水腔分别位于水散热器长度方向的两侧。
9.进一步地，所述冷却风机组包括风扇电机和冷却风扇，所述风扇电机用于驱动冷却风扇转动；所述风扇电机的外部设置有螺旋水道。
10.进一步地，所述低温水冷却循环系统包括低温水泵、风扇控制子模块和变流控制子模块，风扇控制子模块和变流控制子模块以及低温水泵组成串联回路后再与水散热器串联，所述低温水管路的一端和低温水泵连通、另一端和水散热器连通。
11.进一步地，所述风扇控制子模块包括第一风扇电机、第二风扇电机、第一风扇控制器和第二风扇控制器，第一风扇电机和第二风扇电机组成串联支路后再分别与第一风扇控制器、第二风扇控制器并联。
12.进一步地，所述变流控制子模块包括第一电机、第二电机、第一变流器、第二变流器，第一电机和第二电机组成串联支路后再与第一变流器和第二变流器组成的串联支路进行并联。
13.进一步地，所述高温水冷却循环系统包括柴油机和油水热交换器以及外置水温控阀，所述外置水温控阀和水散热器中高温水流通道组成并联支路后，再通过高温水管路与高温水冷却循环系统连接组成串联回路。
14.进一步地，所述除气补水子系统包括膨胀水箱，所述膨胀水箱和高温水冷却循环系统之间设置有高温水冷却循环系统补水管和高温水冷却循环系统除气管；所述膨胀水箱和低温水冷却循环系统之间设置有低温水冷却循环系统补水管和风冷控制集成系统除气管。
15.本发明一种混合动力机车车下集成单元用冷却系统的有益效果：采用高温水冷却循环系统和低温水冷却循环系统相互结合形成双泵双循环水冷技术、高温水流通道和低温水流通道并列复合结构设计和智能控制等技术，集成度高、结构紧凑，可减少辅助功率消耗，降低噪音，满足机车对部件的小型化、轻量化的发展要求。
附图说明
16.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
17.图1为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统的整体结构布置示意图；
18.图2为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统的工作原理示意图；
19.图3为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统中风冷控制集成系统的结构示意图；
20.图4为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统中风扇电机、螺旋水道之间的连接关系结构示意图；
21.图5为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统中水散热器、第一风扇电机、第二风扇电机、空空中冷器之间的连接关系结构示意图；
22.图6为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统中水散热器的结构示意图；
23.图7为图6中的a部局部示意图；
24.图8为本发明公开的混合动力机车车下集成单元用冷却系统中风冷控制集成系统控制原理示意图。
25.图中：11、柴油机；111、柴油机高温水泵；112、柴油机控制单元；12、外置水温控阀；13、油水热交换器；14、高温水管路；21、低温水泵；22、风扇控制子模块；221、第一风扇电机；222、第二风扇电机；223、第一风扇控制器；224、第二风扇控制器；23、变流控制子模块；231、第一电机；232、第二电机；233、第一变流器；234、第二变流器；24、低温水管路；31、水散热器；311、分隔横板；3111、高温水流通道；3112、低温水流通道；3113、冷却空气流道；312、第一分隔板；3121、高温进水腔；3122、低温回水腔；313、第二分隔板；3131、高温出水腔；3132、低温出水腔；3133、低温进水腔；314、第三分隔板；32、空空中冷器；33、冷却风机组；331、风扇电机；332、冷却风扇；333、电机外壳；3331、进水口；3332、出水口；334、风筒；335、螺旋水道；34、冷却框架；35、增压空气管路；41、膨胀水箱；42、高温水冷却循环系统补水管；43、高温水冷却循环系统除气管；44、低温水冷却循环系统补水管；451、水散热器高温侧除气管；452、水散热器低温侧除气管；5、集成单元框架；6、动力集成单元控制箱；7、混动箱；8、变速箱；81、变速箱控制单元；9、防尘网；101、减振器；102、挡块；20、低温水温度传感器；30、动力电池包。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1-8，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.结合图1和图2，一种混合动力机车车下集成单元用冷却系统，包括高温水冷却循环系统、低温水冷却循环系统、风冷控制集成系统、除气补水子系统、集成单元框架5和动力集成单元控制系统。
28.集成单元框架5设置为u型，高温水冷却循环系统、低温水冷却循环系统、风冷控制集成系统、除气补水子系统均安装于集成单元框架5的内部，且风冷控制集成系统设置于集成单元框架5的开口侧，集成单元框架5吊装在混合动力机车的车架下。
29.结合图1和图2，高温水冷却循环系统包括柴油机11、外置水温控阀12、油水热交换器13以及高温水管路14，其中柴油机11包括柴油机高温水泵111和柴油机控制单元112，柴油机高温水泵111和柴油机控制单元112为一体设置。柴油机11和油水热交换器13之间设置有混动箱7和变速箱8，柴油机11与混动箱7的输入端连接，混动箱7的输出端与变速箱8的输入端连接，油水热交换器13安装在变速箱8的侧壁上。柴油机11工作时，柴油机高温水泵111驱动高温水先进入柴油机11对柴油机11进行冷却，再通过高温水管路14进入油水热交换器13对变速箱8的变速箱油进行冷却，循环往复。
30.结合图1和图2，风冷控制集成系统包括水散热器31、空空中冷器32、冷却风机组33、冷却框架34、增压空气管路35，外置水温控阀12设置于油水热交换器13和柴油机11之间，外置水温控阀12根据设置的开启温度控制高温水是否流经水散热器31，将热量散到大气中。柴油机11工作时，柴油机11增压器驱动高温增压空气进入空空中冷器32进行冷却，冷
却后的低温增压空气通过增压空气管路35进入柴油机气缸与柴油混合燃烧做功形成尾气，经处理后排到大气中。
31.冷却框架34为具有前后两侧开口的矩形框，水散热器31、空空中冷器32左右并排设置于冷却框架34的内部，冷却风机组33为两组，两组冷却风机组33同时对水散热器31和空空中冷器32进行通风散热。冷却风机组33采用吸风式冷却方式，冷却风机组33的出风口正对柴油机11、混动箱7和变速箱8。
32.每组冷却风机组33均包括风扇电机331和冷却风扇332，风扇电机331能够为冷却风扇332提供动力源驱动冷却风扇332转动；冷却风扇332的外部罩设有风筒334，风筒334为具有两侧开口的圆筒，风筒334和冷却框架34焊接在一起，风筒334在风冷控制集成系统中起到导风作用。
33.水散热器31和空空中冷器32的进风侧安装有防尘网9，冷却空气在冷却风扇332驱动下经防尘网9后分别进入空空中冷器32、水散热器31，再先后通过冷却框架34内风道、风筒334、冷却风扇332和风扇电机331吹向柴油机11、混动箱7和变速箱8，在纯电动模式时，可满足混动箱7和变速箱8的散热要求；在内燃模式和混动模式时，可辅助高温水冷却子系统对柴油机11、混动箱7和变速箱8进行散热。
34.结合图1和图3，冷却框架34的左右两侧分别安装有减振器101，位于冷却框架34同侧的减振器101为两个，两个减振器101并排设置，减振器101的外侧固设有挡块102，挡块102可限制减振器101最大位移，避免损坏减振器101。
35.结合图3和图4，风扇电机331包括电机芯体和电机外壳333，电机外壳333罩设于电机芯体的外部，电机外壳333的内部设置有螺旋水道335，螺旋水道335绕电机外壳333的周向方向设置，电机外壳333上开设有进水口3331和出水口3332，进水口3331设置于靠近电机外壳333前端的一侧，出水口3332设置于靠近电机外壳333后端的一侧，进水口3331和出水口3332分别和螺旋水道335连通，低温水冷却循环系统工作时，低温水流入螺旋水道335对风扇电机331进行冷却。
36.结合图5和图6，水散热器31包括水散热器31芯体，水散热器31芯体内部固设有分隔横板311，该分隔横板311为铝合金板，铝合金板将水散热器31芯体内部分隔成上下并排设置的高温水流通道3111和低温水流通道3112。分隔横板311的上下两侧还分别设置有冷却空气流道3113，高温水流通道3111和低温水流通道3112与冷却空气流道3113交错等间隔布置。
37.结合图6和图7，高温水流通道3111的两侧分别连通有高温进水腔3121和高温出水腔3131；低温水流通道3112的两侧分别连通有低温回水腔3122、低温出水腔3132和低温进水腔3133，低温出水腔3132和低温进水腔3133设置于低温水流通道3112的同侧，高温进水腔3121和低温回水腔3122位于水散热器31芯体的同侧，且高温进水腔3121和低温回水腔3122之间通过第一分隔板312分隔，低温进水腔3133位于高温出水腔3131和低温出水腔3132之间，且低温进水腔3133和高温出水腔3131通过第二分隔板313分隔。
38.结合图6和图7，低温进水腔3133和低出水腔之间设置有第三分隔板314，第三分隔板314和铝合金板平行，其中低温进水腔3133和低温水管路24连通，低温出水腔3132和外界连通；低温冷却水通过水散热器31低温进水腔3133进入低温水流道进行第一次热交换，冷却后的冷却水经低温回水腔3122再次进入低温水流道进行第二次热交换，冷却后的冷却水
经低温出水腔3132流出。
39.柴油机高温水泵111驱动高温水对柴油机11气缸水套冷却后进入外置水温控阀12，当高温水温度高于外置水温控阀12的开启温度时，高温水通过高温水管路14经高温进水腔3121进入水散热器31的高温水流通道3111，并于高温水流通道3111内部与冷却空气流道3113进行热交换，然后通过高温出水腔3131流出。低温冷却水通过水散热器31的低温进水腔3133进入部分低温水流通道3112内部与冷却空气流道3113进行第一次热交换，冷却后的冷却水经低温回水腔3122再次进入另一部分低温水流通道3112进行第二次热交换，冷却后的冷却水经低温出水腔3132流出。水散热器31为全铝合金材质，采用并列复合式结构，可同时对低温水、高温水进行通风散热，结构紧凑。
40.结合图2和图8，低温水冷却循环系统包括低温水泵21、风扇控制子模块22和变流控制子模块23以及低温水管路24，风扇控制子模块22和变流控制子模块23分别组成串并联混联支路后，再通过低温水管路24与低温水泵21、水散热器31中低温水流通道3112连接组成串联回路。采用该回路布置方式，可满足小流量、小扬程低温水泵21设计，从而降低了低温水泵21功耗和外形尺寸。
41.结合图2和图8，风扇控制子模块22包括第一风扇电机221、第二风扇电机222、第一风扇控制器223和第二风扇控制器224，第一风扇电机221和第二风扇电机222组成串联支路后再分别与第一风扇控制器223、第二风扇控制器224并联，第一风扇控制器223和第二风扇控制器224由车体上配备的动力电池包30直流供电，将直流电整流成交流电后给第一风扇电机221、第二风扇电机222交流供电。变流控制子模块23包括第一电机231、第二电机232、第一变流器233、第二变流器234，第一电机231和第二电机232组成串联支路后再与第一变流器233和第二变流器234组成的串联支路进行并联。
42.结合图2和图8，低温水管路24上还设置有低温水温度传感器20，低温水温度传感器20安装于第二电机232的进水侧，低温水温度传感器20能够实时采集低温水温度信号。
43.参照图2，动力集成单元控制系统包括动力集成单元控制箱6，动力集成单元控制箱6通过can总线从柴油机控制单元112实时提取高温水温度信号和增压空气温度信号，变速箱8上设置有变速箱控制单元81，动力集成单元控制箱6通过can总线从变速箱控制单元81提取变速箱油温度信号。混合动力机车在不同的运行环境和运用工况下，第一风扇控制器223和第二风扇控制器224根据实时采集的高温水温度信号、低温水温度信号、增压空气温度信号、变速箱油温度信号按照控制逻辑分别对第一风扇电机221和第二风扇电机222转速进行控制，可动态调节冷却风扇332的转速，可减少辅助功率消耗，降低噪音，提高了机车对环境的适应能力，满足机车节能、环保的要求。
44.参照图2，除气补水子系统包括膨胀水箱41，膨胀水箱41和高温水冷却循环系统之间设置有高温水冷却循环系统补水管42和高温水冷却循环系统除气管43，膨胀水箱41和低温水冷却循环系统之间设置有低温水冷却循环系统补水管44和风冷控制集成系统除气管，风冷控制集成系统除气管包括水散热器高温侧除气管451和水散热器低温侧除气管452，实现系统的自动排气、自动补水和子系统内压力稳定等作用。
45.参照图2，膨胀水箱41的底壁开设有两个出水口，低温水子系统补水管的一端穿设于出水口并和膨胀水箱41内部连通、另一端和低温水管路24连通；高温水冷却循环系统补水管42的一端穿设于出水口并和膨胀水箱41内部连通、另一端和高温水管路14连通。膨胀
水箱41侧壁靠近顶壁处开设有除气口，高温水冷却循环系统除气管43的一端穿设于除气口并和膨胀水箱41内部连通、另一端和柴油机11连通；水散热器31高温侧除气管的一端穿设于除气口并和膨胀水箱41内部连通、另一端和水散热器31高温腔出水腔连通，水散热器31低温侧除气管的一端穿设于除气口并和膨胀水箱41内部连通、另一端和水散热器31的低温回水腔3122连通。
46.本技术的实施原理为：采用高温水冷却循环系统和低温水冷却循环系统相互结合形成双泵双循环水冷技术、风扇电机331水冷永磁设计、水散热器31并列复合结构设计和风扇智能控制等技术，集成度高、结构紧凑，可减少辅助功率消耗，降低噪音，满足机车对部件的小型化、轻量化的发展要求。
47.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。