一种轨道车辆热管理系统及轨道车辆的制作方法

1.本发明属于轨道车辆技术领域，具体涉及一种轨道车辆热管理系统及轨道车辆。


背景技术：

2.目前，轨道车辆搭载了大量的设备，一部分设备如牵引变流器、牵引变压器、牵引电机等为高余热设备，其在工作时会产生大量热量，自然散热后仍然具有较高温度，因此需要通过风机、散热器、散热液循环回路等散热设备，将高余热设备产生的热量排放到车外或设备舱内，而且这些高余热设备均独立设置，所以散热设备也需要在每一件高余热设备中单独设置。而同时，轨道车辆还搭载了空调系统、蓄电池、污物箱、储水箱等用热设备，其有加热需求，在目前，均单独设置加热设备。一方面，多种散热设备以及加热设备需要占用大量的体积，并且给轨道车辆增加了大量负载；另一方面，高余热设备产生的热量并没有得到合理的回收利用，能量被浪费。
3.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是为了解决上述技术问题，提供一种轨道车辆热管理系统及轨道车辆，将车辆散热系统和热需求系统进行整合，从整车角度进行系统热管理，提高热能利用效率，降低车辆运用能耗，提升车辆节能效果，减少轨道车辆碳排放。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.本发明提供一种轨道车辆热管理系统，包括余热散热单元、余热利用单元以及换热单元，所述余热散热单元吸收高余热设备释放的热量，所述余热利用单元向用热设备传递热量，所述余热散热单元与余热利用单元通过所述换热单元进行热交换。
7.优选的，所述余热散热单元包括第一换热管路，所述第一换热管路经过或连接于所述高余热设备，所述高余热设备包括牵引变流器、牵引变压器、牵引电机中的一种或多种；所述余热利用单元包括第二换热管路，所述第二换热管路经过或连接于所述用热设备，所述用热设备包括电茶炉、洗漱用储水箱、蓄电池、污物箱、管路、乘用水箱、空调中的一种或多种；所述换热单元包括热交换器，所述热交换器包括高温端和低温端，所述第一换热管路接入所述高温端，所述第二换热管路接入所述低温端。
8.优选的，所述第一换热管路与第二换热管路中的换热工质为液体。
9.优选的，所述第一换热管路与第二换热管路中的换热工质相同。
10.优选的，所述第二换热管路依次与按加热目标温度从高到低排列的多个用热设备进行热交换。
11.优选的，所述第二换热管路通过一个或多个热交换箱与所述用热设备进行热交换，每个热交换箱与至少一个用热设备相连，多个所述热交换箱分别通过旁通支路的方式连接在所述第二换热管路上。
12.优选的，所述余热散热单元中包括余热散热器，所述余热散热器设置在高余热设
备的上游。
13.优选的，空调废排风接入余热散热器，废排风余冷用于散热或余热用于升温或保温。
14.优选的，所述换热单元还包括：
15.第一旁通回路，与所述第一换热管路相连；
16.第二旁通回路，与所述第一换热管路相连；
17.当所述第一旁通回路或者第二旁通回路开启时，换热工质全部或部分绕过所述热交换器流动。
18.本发明还提供一种轨道车辆，包括如上所述的轨道车辆热管理系统，还包括用于控制所述热管理系统的车辆热管理控制单元。
19.本发明的有益效果在于：
20.1、本发明将轨道车辆散热设备与热需求设备进行统一管理，有效利用车辆余热；
21.2、本发明对车辆热需求设备按温度需求、热量需求进行逐级热回收，提高热利用效率；
22.3、本发明将轨道车辆散热设备进行集中散热管理，减少了各设备独自散热所用部件，减少车厢空间浪费；
23.4、本发明设置独立控制单元，对整车各散热、热需求系统进行统一管理，有效协调各部件运行状态。
附图说明
24.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：
25.图1是轨道车辆热管理系统示意图。
26.附图标记说明：
27.1、余热散热单元；11、第一换热管路；111、第一旁通回路；12、高余热设备；13、余热散热器；14、散热风机；
28.2、余热利用单元；21、第二换热管路；211、第二旁通回路；22、热交换箱；23、用热设备；231、电茶炉；232、洗漱用储水箱；233、蓄电池、污物箱、管路；234、乘用水箱；235、空调；
29.3、热交换器；
30.4、车辆热管理系统控制单元；
31.5、温度传感器；
32.6、水泵。
33.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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。
35.目前，轨道车辆各系统热管理相对孤立，部分系统余热量大，需单独设置散热设备将将余热排放到车外或设备舱内，同时，车辆部分部件有热需求，需单独设置加热设备，各系统间基本无热交互。基于此现状，本发明将车辆散热系统和热需求系统进行整合，从整车角度进行系统热管理，提高热能利用效率，降低车辆运用能耗，提升车辆节能效果，减少轨道车辆碳排放。
36.【实施例一】
37.如图1所示，本实施例提供一种轨道车辆热管理系统，包括余热散热单元1、余热利用单元2以及换热单元。
38.余热散热单元1吸收高余热设备12释放的热量，自身温度上升，使高余热设备12温度下降，保证各设备在安全温度下运行。示例性的，目前轨道车辆中高余热设备12主要包括牵引电机、牵引变流器、牵引变压器等设备。
39.余热利用单元2向用热设备23传递热量，自身温度降低，使用热设备23温度上升，或者保持一定的温度。示例性的，目前轨道车辆中的用热设备23主要包括空调235系统、给水卫生热水系统、需保温设备如水箱、蓄电池等。
40.余热散热单元1与余热利用单元2通过所述换热单元进行热交换，将余热散热单元1中的热量传递给余热利用单元2，进一步传递给用热设备23对高余热设备12产生的热量进行利用。
41.进一步的，余热散热单元1包括第一换热管路11，余热利用单元2包括第二换热管路21；换热单元包括热交换器，热交换器包括高温端和低温端，第一换热管路11接入高温端，第二换热管路21接入低温端。优选的，所述第一换热管路11与第二换热管路21中的换热工质为液体(以下亦称为散热液)，液体具有良好的流动性，不易泄漏而且具有合适的比热容，优选的散热液为水、矿物油等，本领域技术人员能够根据成本、性能作出选择，在此不做具体限定。更优选的，所述第一换热管路11与第二换热管路21中的换热工质相同，便于统一管理。
42.第一换热管路11经过或连接于高余热设备12，高余热设备12包括牵引变流器、牵引变压器、牵引电机中的一种或多种；第二换热管路21经过或连接于用热设备23，用热设备包括电茶炉231、洗漱用储水箱232、蓄电池、污物箱、管路233、乘用水箱234、空调235中的一种或多种。
43.在第一换热管路11和第二换热管路21上各包括至少一个水泵6，用于驱动管路内散热液的流动，可理解的，增加或减少水泵6转速能够增加或减少管路内散热液的流速，能够进一步提高或者降低换热效率。例如，增加第一换热管路11内散热液的流速能够使散热设备快速降温。
44.在一些实施方式中，在第一换热管路11和第二换热管路21上设置若干个流量控制阀，便于对管路内散热液的流速进行微调，而且防止频繁调整水泵6转速造成设备损耗，同时在发生管路泄漏的情况时，能够快速截止散热液流动，避免出现更加严重的泄漏情况。
45.由于本实施例中的换热单元承担了整车的换热任务，因此需要加强对其的保护，在热交换器附近设置旁通回路，其中：
46.第一旁通回路111，与所述第一换热管路11相连；
47.第二旁通回路211，与所述第一换热管路11相连；
48.第一旁通回路111和第二旁通回路211分别通过三通流量调节阀与第一换热管路11和第二换热管路21相连，当所述第一旁通回路111或者第二旁通回路211开启时，通过控制三通流量调节阀的开度，换热工质全部或部分绕过所述热交换器流动。这样一来，一旦发生散热液过热或者换热管路泄漏、堵塞等意外情况时能够及时将散热液旁通，避免热交换器被损坏造成更加严重的后果。
49.其中，第一换热管路11、第二换热管路21、第一旁通回路111、第二旁通回路211中散热液的流动方向如图1中箭头所示。
50.进一步的，在余热散热单元1中设置余热散热器13，对流经的散热液进行进一步的降温，在某些情况下，余热散热单元1的温度可能会过高导致无法有效的为高余热设备12进行散热，这种现象在炎热的夏季尤其容易发生，因此，余热散热器13也能够有效的缓解上述情况的发生。在一些实施方式中，所述余热散热器13连接在第一换热管路11中，余热散热器13中还包括散热风机14，通过调整散热风机14的转速来调整余热散热器13的散热效率，提高散热风机14转速能够加快散热。
51.进一步的，余热散热器13设置在高余热设备12的上游，保证第一换热管路11内的散热液在流经高余热设备12时温度足够低，对高余热设备12进行有效的散热。
52.在一些实施方式中，车载空调235的废排风也接入余热散热器13，通过散热风机14提供动力。
53.在炎热的夏季可能出现环境温度过高，导致散热液温度过高，散热效果不良的情况，这时空调235用于制冷，其废排风携带着相当多的冷量，因此可将夏季废排风余冷用于散热。在冬季则可能出现温度过低的情况，极冷天气甚至会导致散热液冻结，冬季空调235用于制热，废排风携带的余热能够用于升温或保温。这样设置同时能够能够充分利用散热风机14，一举两得，节约能源。
54.在一些实施方式中，通过实时监测第一换热管路11在高余热设备12进出口散热液温度、热交换器进出口散热液温度、余热散热器13进出口散热液温度，实时调整第一换热管路11内散热液流速；通过实时监测第二换热管路21在热交换器进出口散热液温度实时调整第二换热管路21内散热液流速。具体而言，当出现上述温度偏高或偏低的情况，则对应调整散热液流速增加或降低。
55.可理解的，由于第二换热管路21内的散热液依靠热交换器从第一换热管路11内吸收热量而升温，其温度不可能超过第二换热管路21内散热液的温度，因此当第一换热管路11内的散热液温度处于正常范围内时，第二换热管路21内的散热液温度不可能过热，因此第二换热管路21中散热液的流速一般不调整。
56.进一步的，根据余热散热器13进出口散热液温度，调整散热风机14运转频率、水泵6转速，调整热排放量，维持高余热设备12进口散热液温度在需求范围内，确保这些设备能够正常运转。
57.在一些实施方式中，通过在上述对应位置的换热管路内设置温度传感器5来实现对温度的监测，需要说明的是，在第一换热管路11和第二换热管路21热交换器进出口位置设置的温度传感器5，优选设置在第一旁通回路111以及第二旁通回路211的入口及出口的
外侧，这样能够保证当温度传感器5监测到出现过热等意外情况时，第一时间开启旁通回路，有效保护热交换器。
58.由于轨道车辆上的用热设备23所需的温度和热量并不相同，而随着第二换热管路21内的换热液不断流经用热设备23，其温度也在不断的降低，因此为了使热量能够得到充分利用，在余热利用单元2中，第二换热管路21依次与按加热目标温度从高到低排列的多个用热设备23进行热交换。
59.进一步的，第二换热管路21通过一个或多个热交换箱22与用热设备23进行热交换，每个热交换箱22与至少一个用热设备23相连，多个热交换箱22分别通过旁通支路的方式连接在第二换热管路21上。可理解的，在每个热交换箱22旁通支路入口附近设置温度传感器5用以监测进入的散热液温度，根据设备热需求以及监测到的散热液温度调整旁通阀开度，一方面避免设备过热，一方面将热散热液引入当前最需要的热交换箱22中。
60.示例性的，现有轨道车辆上用热设备23主要包括空调235、洗漱用储水箱232、电茶炉231、需保温设备如乘用水箱234、蓄电池、污物箱等等，按照其用热情况及所需的温度由高到低可以分为三档：高温系统、保温系统以及辅热系统，其中高温系统包括电茶炉231以及洗漱用储水箱232，保温系统包括乘用水箱234、蓄电池、污物箱及部分车载管路，辅热系统包括空调235。
61.对于高温系统，由于饮用水需要加热煮沸，其需要的温度最高，所以第二换热管路21最先经过电茶炉231，利用散热液交换所得的热量将车上电茶炉231中饮用水预热至合适温度，并存储在饮用水储水箱中，在饮用时利用备用电加热对储水箱中的水进行二次加热，这样能够节约电能，进一步，也可以利用散热液交换所得的热量对加热后的饮用水进行保温。可理解的，当饮用水储水箱中的水达到引用标准时，也可以不煮沸，通过热交换或者电加热至饮用温度即可。当储水箱中温度低于预设值时，利用水泵6将储水箱中的水抽取出，进入热交换箱22进行循环预热或者保温。对于洗漱用储水箱232，其需要的温度低于饮用水，但是高于保温系统。利用散热液交换所得的热量将车上洗漱设备用水预热至合适温度，并存储在储水箱中，当有用水需求时直接使用。当储水箱中温度低于预设值时，利用水泵6将储水箱中的水抽取出，进入热交换箱22进行循环预热或者保温。在高温系统对热量需求较低，或者是其他系统急需加热的情况下，可以将热交换箱22旁通支路的在本示例高温系统中，电茶炉231和洗漱用储水箱232均通过水路系统(如图1中虚线所示)与热交换箱22相连，这也是将这二者设置在同一系统中共用同一个热交换箱22的又一个原因。
62.对于保温系统，乘用水箱234、蓄电池、污物箱、管路233等设备并不需要保持很高的温度，但是由于其工作环境要求温度不能过低，尤其是在冬季以及高纬度、高寒地区运行的列车更是需要做好保温。保温系统的各设备通过设备余热吸收回路与热交换箱22相连。针对上述设备，已流经高温系统的散热液流入保温系统对应的热交换箱22即可实现保温效果。当环境温度过低时，可降低高温系统旁通阀的开度和/或增加保温系统旁通阀的开度，优先对保温系统供热以保证列车正常行驶。
63.对于辅热系统，在供暖季节，利用散热液交换所得的热量给车厢供暖，低温环境(＞-10℃，具体可根据系统设计调整)，将散热液直接引入空调235机组或送风道或车厢地板或车厢侧墙中，为车厢加热；极低温环境(≤-10℃，具体可根据系统设计调整)，将散热液直接引入客室不能满足车厢采暖需求，启用空调235热泵回路，利用空调235热泵功能吸收
散热液交换所得的热量，将更多余热转移至车厢，为车厢加热。同时，空调235机组具备常规热泵功能，在余热吸收回路不可用时，空调235机组进入低温热泵工作模式，为客室采暖，提高系统可靠性。空调235通过水路系统(如图1中虚线所示)以及余热吸收回路(如图1中细线所示)与热交换箱22相连。
64.进一步的，在夏季高温时段，空调235出现制冷能力、制冷剂抗高温能力不足时，而这个时间保温系统并不需要通过热交换箱22进行热交换以保温，自然温度一般即可满足使用，这时可以利用水泵6将乘用水箱234中的冷水引入空调235室外换热器侧，为空调235室外侧换热器降温，同时将乘用水箱234中水的冷量转移至车厢内，为车厢降温，提升空调235机组抗极端高温能力，同时节约电能，减少碳排放。
65.【实施例二】
66.如图1所示，本实施例提供一种轨道车辆，包括如实施例一所述的轨道车辆热管理系统，还包括用于控制所述热管理系统的车辆热管理控制单元，对系统的温度传感器5、水泵6、流量阀、旁通阀、散热风机14等部件进行统一管理。将轨道车辆现有高余热部件散热方式进行统型，统一采用液冷方式，并统型散热接口，便于进行部件余热量统一管理和利用，车辆热管理控制单元对整车各散热、热需求系统进行统一管理，有效协调各部件运行状态。
67.在余热散热单元1，车辆热管理控制单元综合高余热设备12进出口散热液温度、余热散热单元1热交换器进出口散热液温度、热需求设备余热需求量、车辆运行状况(车速、环境温度、载客量、加减速等)等信息，实时调整热交换器旁通阀开度、水泵6流量、余热散热器13散热风机14转速，将多余热量及时排出，确保高余热设备12正常工作。
68.在余热利用单元2，车辆热管理控制单元综合热交换器进出口散热液温度、各用热设备23热交换箱22进出口散热液温度、各用热设备23设备工作状态及热需求量等信息，实时调整热交换器旁通阀开度、水泵6流量、各热交换箱22旁通阀开度、各设备水泵6工作状态等，确保各系统充分利用余热。
69.本发明的有益效果在于：
70.1、本发明将轨道车辆散热设备与热需求设备进行统一管理，有效利用车辆余热；
71.2、本发明对车辆热需求设备按温度需求、热量需求进行逐级热回收，提高热利用效率；
72.3、本发明将轨道车辆散热设备进行集中散热管理，减少了各设备独自散热所用部件，减少车厢空间浪费；
73.4、本发明设置独立控制单元，对整车各散热、热需求系统进行统一管理，有效协调各部件运行状态。
74.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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。
75.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
76.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
77.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
78.如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种轨道车辆热管理系统，其特征在于，包括余热散热单元、余热利用单元以及换热单元，所述余热散热单元吸收高余热设备释放的热量，所述余热利用单元向用热设备传递热量，所述余热散热单元与余热利用单元通过所述换热单元进行热交换。2.如权利要求1所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：所述余热散热单元包括第一换热管路，所述第一换热管路经过或连接于所述高余热设备，所述高余热设备包括牵引变流器、牵引变压器、牵引电机中的一种或多种；所述余热利用单元包括第二换热管路，所述第二换热管路经过或连接于所述用热设备，所述用热设备包括电茶炉、洗漱用储水箱、蓄电池、污物箱、管路、乘用水箱、空调中的一种或多种；所述换热单元包括热交换器，所述热交换器包括高温端和低温端，所述第一换热管路接入所述高温端，所述第二换热管路接入所述低温端。3.如权利要求2所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：所述第一换热管路与第二换热管路中的换热工质为液体。4.如权利要求2或3所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：所述第一换热管路与第二换热管路中的换热工质相同。5.如权利要求2所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：所述第二换热管路依次与按加热目标温度从高到低排列的多个用热设备进行热交换。6.如权利要求5所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：所述第二换热管路通过一个或多个热交换箱与所述用热设备进行热交换，每个热交换箱与至少一个用热设备相连，多个所述热交换箱分别通过旁通支路的方式连接在所述第二换热管路上。7.如权利要求2所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：所述第一换热管路中包括余热散热器，所述余热散热器设置在高余热设备的上游。8.如权利要求7所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于：空调废排风接入余热散热器，废排风余冷用于散热或余热用于升温或保温。9.如权利要求2所述的轨道车辆热管理系统，其特征在于，所述换热单元还包括：第一旁通回路，与所述第一换热管路相连；第二旁通回路，与所述第一换热管路相连；当所述第一旁通回路或者第二旁通回路开启时，换热工质全部或部分绕过所述热交换器流动。10.一种轨道车辆，其特征在于：包括如权利要求1-9任意一项所述的轨道车辆热管理系统，还包括用于控制所述热管理系统的车辆热管理控制单元。

技术总结
本发明提供一种轨道车辆热管理系统及轨道车辆，包括余热散热单元、余热利用单元以及换热单元，所述余热散热单元吸收高余热设备释放的热量，所述余热利用单元向用热设备传递热量，所述余热散热单元与余热利用单元通过所述换热单元进行热交换。本发明将轨道车辆散热设备与热需求设备进行统一管理，有效利用车辆余热。热。热。


技术研发人员：李江春 周新喜 王宗昌 于晓良 王胜光 徐翠强 储成龙 陈垒 蒲栋 张从慧 李景涛
受保护的技术使用者：中车青岛四方机车车辆股份有限公司
技术研发日：2023.01.13
技术公布日：2023/4/18