一种混合动力机车动力电池液冷式热管理装置的制作方法

本发明涉及轨道交通换热技术领域，具体地说是一种混合动力机车动力电池液冷式热管理装置。

背景技术：

为满足国家建设“安全交通、高效交通、绿色交通、和谐交通”的战略需求，轨道交通领域加快了研发混合动力机车的步伐。而作为混合动力机车关键系统中的动力电池，其性能、寿命及可靠性与电池温度息息相关，温度过高、温度过低不仅降低电池的使用效率，还可能导致电池性能的不可逆衰减，甚至引发起火爆炸的事故，危害乘客安全。与汽车领域相比，轨道交通领域更注重机车的安全性和可靠性，因此必须为混合动力机车动力电池配置热管理装置，保障其工作在适宜的温度范围内。

目前，我国已研发了两款混合动力机车，其中一款机车动力电池采用空调制冷或制热，但是此种技术由于空气传热系数小，换热效率低，使得电池冷却或加热效果较差、电池温度梯度大；另外一款电池内部采用液体冷却，但电池外部采用常规的强迫通风换热，这种冷却方式受环境温度影响较大，不适用于高温的环境中，同时该热管理装置中未设置制热功能，难以保证电池的低温性能。我国幅员辽阔，一般要求机车的工作温度在-40℃～+40℃之间，因此有必要设计一种动力电池液冷式热管理装置，不仅满足轨道交通领域的特殊要求，同时还可保证环境温度在-40℃～+40℃之间时，电池温度仍工作在适宜的温度范围。

技术实现要素：

基于此，为解决在现有技术所存在的不足，特提出了一种混合动力机车动力电池液冷式热管理装置。

一种混合动力机车动力电池液冷式热管理装置，所述装置包括箱体框架，其特征在于，所述箱体框架内集成有动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统和控制系统，且所述动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统之间共享同一个或者多个器件和管路；其中，所述动力电池制冷系统与动力电池相连通，能够为动力电池提供低温冷却液；所述强迫通风换热系统能够使得携带电池热量的高温冷却液与环境空气完成对流换热过程后，将释放热量后的低温冷却液送入动力电池内；所述动力电池制热系统能够将低温冷却液加热升温后送入动力电池内；所述控制系统能够基于预设的四种工作模式切换策略，通过协调控制所述动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统的工作状态来完成工作模式的自动切换，所述工作模式至少包括高温环境蒸汽压缩制冷、常温环境强迫通风换热、低温环境液体制热及水泵自循环四种工作模式。

可选的，在其中一个实施例中，所述动力电池制冷系统包括制冷剂环路和第一冷却液环路，其中，所述制冷剂环路包括顺次通过连通管路相连通的制冷压缩机、翅片式冷凝器、热力膨胀阀、板式热交换器的制冷剂侧、气液分离器，所述动力电池制冷系统工作时，制冷剂经过制冷压缩机压缩，由翅片式冷凝器进行冷凝后，经由热力膨胀阀节流后所获得的低温低压的制冷剂进入板式热交换器的制冷剂侧；第一冷却液环路包括顺次通过连通管路相连通的热管理装置进液口、屏蔽水泵、板式热交换器的冷却液侧、热管理装置出液口，制冷剂在所述制冷剂环路流动的同时携带动力电池热量的高温冷却液在所述屏蔽水泵的作用下，沿连通管路被泵送到板式热交换器的冷却液侧完成高温冷却液和低温制冷剂的对流换热过程，释放热量后的低温冷却液进入动力电池。

可选的，在其中一个实施例中，所述动力电池强迫通风换热系统包括空气环路和第二冷却液环路，其中所述空气环路包括冷凝风机以及所述冷凝风机相对布设的板翅式铝散热器的空气侧，在所述强迫通风换热系统工作时，环境空气在冷凝风机的作用下被泵送到板翅式铝散热器的空气侧，所述第二冷却液环路包括顺次通过连通管路相连通的热管理装置进液口、屏蔽水泵、板翅式铝散热器的液体侧、热管理装置出液口；在所述空气换热过程时，携带动力电池热量的高温冷却液在所述屏蔽水泵的作用下，沿管路被泵送到板翅式铝散热器的冷却液侧后高温冷却液和环境空气完成对流换热过程后，释放热量后的低温冷却液进入动力电池。

可选的，在其中一个实施例中，所述第一冷却液环路和第二冷却液环路的切换是通过置于连通管路上的电动三通阀完成。

可选的，在其中一个实施例中，所述动力电池制热系统包括顺次通过连通管路相连通的热管理装置进液口、屏蔽水泵、液体加热器、热管理装置出液口，在所述动力电池制热系统工作时，低温冷却液在屏蔽水泵的作用下泵送到液体加热器，经加热升温后流入动力电池。

可选的，在其中一个实施例中，所述四种工作模式切换策略是指能够使得所述热管理装置根据环境温度高低、控制温度阈值及电池当前温度值，进行高温环境蒸汽压缩制冷、常温环境强迫通风换热、低温环境液体制热及水泵自循环四种工作模式的自动切换；具体的，所述策略包括：当环境温度≥第一环境温度阈值ta℃时，热管理装置始终工作在蒸汽压缩制冷模式，所述蒸汽压缩制冷模式为使得制冷压缩机的工作频率30hz～90hz，且所述控制系统通过调整变频器实现根据电池发热功率大小调整频率大小；当第二环境温度阈值tb℃≤环境温度＜第一环境温度阈值ta℃，热管理装置始终工作在强迫通风换热模式，所述强迫通风换热模式为使得所述冷凝风机工作频率25hz～50hz，且所述控制系统通过调整变频器实现根据电池发热功率量调整频率大小；当环境温度＜第二环境温度阈值tb℃且电池温度＜第一电池温度阈值tc℃时，热管理装置工作在制热模式，在电池温度≥第一电池温度阈值tc℃后开启水泵自循环模式，如果电池温度持续上升且到达超限温度td℃时，则开启强迫通风模式。

可选的，在其中一个实施例中，所述箱体构架被分割为相互完全隔离的冷凝室、蒸发室和控制室；所述冷凝室内布置有冷凝风机、翅片式冷凝器、板翅式铝散热器；所述蒸发室内布置有所述制冷压缩机、屏蔽水泵、板式热交换器、液体加热器、所述膨胀水箱、电动三通阀及连通管路，所述控制室内布置有所述控制系统和配套冷却装置。

可选的，在其中一个实施例中，所述配套冷却装置包括小型水冷散热器和轴流风扇，所述小型水冷散热器的液体流道内冷流体源自板式热交换器分流的冷水，空气流道内热流体源自控制室内的热空气，所述小型水冷散热器通过冷热流体在其内部进行对流换热过程，保持所述控制室的空气环境温度稳定。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明采用整体配套设计和多系统集成设计方法，将动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统及控制系统在结构上高度集成，使得该热管理装置可根据环境温度高低、控制温度阈值及电池当前温度值，进行高温环境蒸汽压缩制冷、常温环境强迫通风换热、低温环境液体制热及水泵自循环四种工作模式的自动切换，保证环境温度在-40℃～+40℃之间时，电池温度仍工作在适宜的温度范围；同时本发明还通过变频器实现根据电池发热功率大小进行制冷压缩机或冷凝风机的变频控制，进而实现了很大程度上降低了辅助功率的消耗，同时有效降低了制冷部件的使用频率，提升了制冷系统的可靠性，进而延长了寿命的目的。因此可以说本发明具有功能全面、结构紧凑、散热效率高、维护方便、辅助功率消耗低、可靠性高、使用寿命长等优点，为混合动力机车动力电池热管理系统提供了一种新技术。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明所述实施例中的具有三室结构的箱体构架内部器件布局结构示意图。

图2为本发明所述实施例中的各个环路连通结构示意图。

图中：1、变频器，2、控制器，3、接触器，4、断路器，5、冷却装置，51、小型水散热器，52、轴流风扇6、液体加热器，7、电动三通阀，8、膨胀水箱，9、制冷压缩机，10、板式热交换器，11、屏蔽水泵，12、翅片式冷凝器，13、冷凝风机，14、板翅式铝散热器，15、热管理装置进液口，16、热管理装置出液口，17、控制室，18、蒸发室，19、冷凝室，20、热力膨胀阀，21、气液分离器，22、动力电池。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

为了克服现有技术中的不足之处，在本实施例中，特提出了一种混合动力机车动力电池液冷式热管理装置，且所述装置具有如下功能：首先，所述装置及其部件电源制式、性能、可靠性满足轨道交通领域特殊要求；其次，适用于动力电池液冷方案，可为动力电池提供低温冷却液；再次，所述热管理装置是由动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统和控制系统集成，可根据环境温度高低、控制温度阈值及电池当前温度值，进行高温环境蒸汽压缩制冷、常温环境强迫通风换热、低温环境液体制热及水泵自循环四种工作模式的自动切换且设置有变频器，可根据电池发热功率大小进行制冷压缩机或冷凝风机的变频控制。

基于上述原理，如图1-2所示，所述装置包括箱体框架，其特征在于，所述箱体框架内集成有动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统和控制系统，且所述动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统之间共享同一个或者多个器件和管路；其中，所述动力电池制冷系统与动力电池相连通，能够为动力电池提供低温冷却液；所述强迫通风换热系统能够使得携带电池热量的高温冷却液与环境空气完成对流换热过程后，将释放热量后的低温冷却液送入动力电池内；所述动力电池制热系统能够将低温冷却液加热升温后送入动力电池内；所述控制系统能够基于预设的四种工作模式切换策略，通过协调控制所述动力电池制冷系统、强迫通风换热系统、制热系统的工作状态来完成工作模式的自动切换，所述工作模式至少包括高温环境蒸汽压缩制冷、常温环境强迫通风换热、低温环境液体制热及水泵自循环四种工作模式。

在一些具体的实施例中，所述动力电池制冷系统包括制冷剂环路和第一冷却液环路，其中，所述制冷剂环路包括顺次通过连通管路相连通的制冷压缩机、翅片式冷凝器、热力膨胀阀、板式热交换器的制冷剂侧、气液分离器，所述动力电池制冷系统工作时，制冷剂经过制冷压缩机压缩，由翅片式冷凝器进行冷凝后，经由热力膨胀阀节流后所获得的低温低压的制冷剂进入板式热交换器的制冷剂侧，所述连通管路在本环路中可采用铜管路；第一冷却液环路包括顺次通过连通管路相连通的热管理装置进液口、屏蔽水泵、板式热交换器的冷却液侧、热管理装置出液口，制冷剂在所述制冷剂环路流动的同时携带动力电池热量的高温冷却液在所述屏蔽水泵的作用下，沿连通管路被泵送到板式热交换器的冷却液侧，高温冷却液和低温制冷剂在各自通道内完成高温冷却液和低温制冷剂的对流换热过程，释放热量后的低温冷却液进入动力电池，所述连通管路在本环路中为水管路。

在一些具体的实施例中，所述动力电池强迫通风换热系统包括空气环路和第二冷却液环路，其中所述空气环路包括冷凝风机以及所述冷凝风机相对布设的板翅式铝散热器的空气侧，在所述强迫通风换热系统工作时，环境空气在冷凝风机的作用下被泵送到板翅式铝散热器的空气侧，所述第二冷却液环路包括顺次通过连通管路相连通的热管理装置进液口、屏蔽水泵、板翅式铝散热器的液体侧、热管理装置出液口，所述连通管路在本环路中为水管路；在所述空气换热过程时，携带动力电池热量的高温冷却液在所述屏蔽水泵的作用下，沿连通管路被泵送到板翅式铝散热器的冷却液侧后高温冷却液和环境空气在各自通道内完成对流换热过程后，释放热量后的低温冷却液进入动力电池。

在一些具体的实施例中，所述第一冷却液环路和第二冷却液环路的切换是通过置于连通管路上的电动三通阀完成，所述电动三通阀由dc110v供电。

在一些具体的实施例中，所述动力电池制热系统包括顺次通过连通管路相连通的热管理装置进液口、屏蔽水泵、液体加热器、热管理装置出液口，所述连通管路在本环路中为水管路；在所述动力电池制热系统工作时，仅屏蔽水泵和液体加热器工作，低温冷却液在屏蔽水泵的作用下泵送到液体加热器，经加热升温后流入动力电池。

在一些具体的实施例中，所述四种工作模式切换策略是指能够使得所述热管理装置根据环境温度高低、控制温度阈值及电池当前温度值，进行高温环境蒸汽压缩制冷、常温环境强迫通风换热、低温环境液体制热及水泵自循环四种工作模式的自动切换；具体的，所述策略包括：当环境温度≥ta℃时，热管理装置始终工作在蒸汽压缩制冷模式，所述蒸汽压缩制冷模式为使得制冷压缩机的工作频率30hz～90hz，且所述控制系统通过调整变频器实现根据电池发热功率大小调整频率大小，具体依据电池发热功率中的变量即水流量、进出水温度来判定需要的制冷量，并与预设的变频档位进行比较判断后通过变频器进行相对的调节，所述变频档位为设计之初所计算好的与该档位对应的制冷量，本例中频率设置为30、50、60、70、90等五个档；当tb℃≤环境温度＜ta℃，热管理装置始终工作在强迫通风换热模式，所述强迫通风换热模式为使得所述冷凝风机工作频率25hz～50hz，且所述控制系统通过调整变频器实现根据电池发热量大小调整频率大小，具体依据电池发热量中的变量即水流量、进出水温度来判定需要的散热量，并与预设的变频档位进行比较判断后通过变频器进行相对的调节，所述变频档位为设计之初所计算好的与该档位对应的制冷量，本例中将频率设置为25、30、40、50等四个档位；当环境温度＜tb℃且电池温度＜tc℃时，热管理装置工作在制热模式，其在电池温度≥tc℃后开启水泵自循环模式，所述水泵自循环模式即仅仅水泵运转，其余压缩机、风机、加热器等均不工作；如果电池温度持续上升且到达超限温度td℃时，则开启强迫通风模式。

在一些具体的实施例中，所述箱体构架被分割为相互完全隔离的三室式结构，分别为冷凝室、蒸发室和控制室；所述冷凝室内布置有冷凝风机、翅片式冷凝器、板翅式铝散热器；所述蒸发室内布置有所述制冷压缩机、屏蔽水泵、板式热交换器、液体加热器、所述膨胀水箱、电动三通阀及连通管路，所述控制室内布置有所述控制系统和配套冷却装置；所述控制系统包括控制器、变频器、断路器和接触器等。

在一些具体的实施例中，所述配套冷却装置包括一个小型水冷散热器和两个dc24v供电的轴流风扇，所述小型水冷散热器的液体流道内冷流体源自板式热交换器分流的冷水，空气流道内热流体源自控制室内的热空气，所述小型水冷散热器通过冷热流体在其内部进行对流换热过程，保持所述控制室的空气环境温度稳定即为控制室提供一个舒适的空气环境，防止高温环境时控制室内温度过高而造成电器部件失效。

另外，本发明可根据实际需要增减上述各部件，也可改变各部件之间的连接方式和位置。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。