轨道车辆及其采暖控制系统、方法与流程

1.本发明属于车辆暖通设计技术领域，尤其涉及一种轨道车辆及其采暖控制系统、方法。


背景技术：

2.目前，国内外轨道车辆电热采暖装置一般设有两档(采用两组电热管或其它发热元件)，通过空调控制系统的接触器吸合或断开来控制发热元件的开启和关闭，从而改变采暖功率，实现半暖和全暖控制，此种控制方式存在如下不足：
3.1、采暖装置输出的制热量与制热负荷不匹配，舒适性差。当输出制热量小于制热负荷时，车厢内温度较低；当输出制热量大于制热负荷时，车厢内温度较高，采暖装置频繁启停，车厢内温度波动较大，导致车厢内舒适性差。
4.2、采暖装置输出的制热量无法实现线性调节，装置频繁启停，开关损耗大，不节能。
5.为了解决轨道交通车辆现有电热采暖控制方式存在的以上问题，并且实现节能，亟需研发一种采暖控制系统，在提高车辆采暖舒适度的同时实现节能。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种轨道车辆及其采暖控制系统、方法，以解决现有采暖控制方式采用半暖和全暖控制，无法实现制热量线性调节导致舒适性差，启停频繁，开关损耗大，不节能的问题。
7.本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种轨道车辆采暖控制系统，包括：
8.至少一个温度传感器，所述温度传感器设于车厢内且用于采集车厢内的实际温度；
9.控制模块，用于获取采暖温度设定指令和车厢内的实际温度，并根据所述采暖温度设定指令与所述实际温度的差值大小输出不同的控制指令；
10.变频电源模块，其输出端与采暖装置电性连接，且所述变频电源模块用于在不同控制指令的控制下输出不同的驱动电压，实现采暖装置输出的制热量与所述驱动电压等比例的控制。
11.进一步地，所述温度传感器有多个，多个所述温度传感器均匀布置于车厢天花板上方和/或座椅下方，所述车厢内的实际温度等于多个温度传感器采集的温度的平均值。
12.优选地，所述温度传感器选用ntc型温度传感器。
13.进一步地，所述控制模块为单独的微机控制器，或者所述控制模块为空调控制器。
14.优选地，所述控制模块的电源端通过第一接线端子排与外部电源电性连接。
15.进一步地，所述控制模块内置有网卡，所述控制模块通过所述网卡与车辆tcms系统通讯。
16.进一步地，所述变频电源模块输出的驱动电压范围为ac152v～ac380v，对应的频率范围为20hz～50hz。
17.进一步地，所述采暖装置布置于轨道车辆侧墙下方，且采用断续布置或连续布置。
18.优选地，所述采暖装置包括外罩板、设于所述外罩板内的电加热元件以及用于安装所述电加热元件的安装支架。
19.进一步地，当所述采暖装置采用断续布置时，所述变频电源模块的输出端通过第二接线端子排与不同的采暖装置电性连接。
20.基于同一发明构思，本发明还提供一种轨道车辆采暖控制方法，应用于控制模块，所述控制模块的输入端与设于车厢内的温度传感器电性连接，控制模块的输出端与变频电源模块的输入端电性连接，变频电源模块的输出端与采暖装置的输入端电性连接，所述方法包括以下步骤：
21.获取车厢内的实际温度以及采暖温度设定指令；
22.计算所述采暖温度设定指令与车厢内的实际温度的差值；
23.根据所述差值控制变频电源模块输出的驱动电压大小；
24.根据所述驱动电压，控制采暖装置输出与所述驱动电压等比例的制热量。
25.进一步地，当tic－tim≥4℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为额定电压，采暖装置输出的制热量为名义制热量；其中，tic为采暖温度设定指令，tim为车厢内的实际温度；
26.当2℃≤tic－tim＜4℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.9*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.9*名义制热量；
27.当1.5℃≤tic－tim＜2℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.8*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.8*名义制热量；
28.当1℃≤tic－tim＜1.5℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.7*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.7*名义制热量；
29.当0.5℃≤tic－tim＜1℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.6*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.6*名义制热量；
30.当0℃≤tic－tim＜0.5℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.5*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.5*名义制热量；
31.当－0.5℃≤tic－tim＜0℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.4*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.4*名义制热量；
32.当－1℃≤tic－tim＜－0.5℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0，采暖装置关闭。
33.基于同一发明构思，本发明还提供一种轨道车辆，包括如上所述的轨道车辆采暖控制系统。
34.有益效果
35.与现有技术相比，本发明的优点在于：
36.本发明所提供的一种轨道车辆及其采暖控制系统、方法，根据采暖温度设定指令与车厢内的实际温度之间的差值来精确控制变频电源模块输出的驱动电压大小，采暖装置根据驱动电压大小输出与驱动电压等比例的制热量，实现了采暖装置输出的制热量与制热
负荷匹配，提高了舒适性，节省了能源；采暖装置的驱动电源采用变频电源模块，采用变频控制实现了采暖装置的软启动，避免了对车辆辅助电源或电网造成的冲击。
37.本发明可以无级调节变频电源模块输出的驱动电压及频率，从而可以实现采暖装置输出的制热量的无级调节，单台采暖装置工作时，其制热量可在其名义制热量的40％～100％范围内无级调节，多台采暖装置配合工作时，单节车的制热量调节范围更加宽泛(4％～100％范围内可调)，极大地提升了车辆采暖的舒适性。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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个实施例，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的附图。
39.图1是本发明实施例中轨道车辆采暖控制系统结构框图；
40.图2是本发明实施例中采暖装置、温度传感器及控制模块布置图；
41.图3是本发明实施例中图2的a-a断面图；
42.图4是本发明实施例中图2的b-b断面图；
43.图5是本发明实施例中图2的c-c断面图；
44.图6是本发明实施例中轨道车辆采暖控制系统布置图；
45.图7是本发明实施例中采暖装置组成图；
46.图8是本发明实施例中轨道车辆采暖控制方法流程图。
47.其中，1-第一接线端子排，2-控制模块，3-变频电源模块，4-第二接线端子排，5-金属骨架，6-采暖装置，61-外罩板，62-电加热元件，63-安装支架，7-采暖控制系统(指图1虚线框内的各模块)，8-温度传感器。
具体实施方式
48.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。
49.下面以具体地实施例对本技术的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
50.如图1所示，本实施例所提供的一种轨道车辆采暖控制系统，包括温度传感器、控制模块以及变频电源模块，温度传感器与控制模块的输入端电性连接，控制模块的输入端还与空调控制器或车辆控制单元通讯连接，控制模块的输出端与变频电源模块的输入端电性连接。
51.温度传感器设于车厢内且用于采集车厢内的实际温度。本实施例中，温度传感器选用ntc型温度传感器，且温度传感器包括多个，多个温度传感器均匀布置于车厢天花板上方和/或座椅布置区域。示例性的，如图2～5所示，每节车共布置7个温度传感器8，均匀地布置在座椅布置区域的车辆长度方向、宽度方向及高度方向，温度采样点具有代表性且有冗余性，当某个温度测点对应的温度传感器故障时，则控制模块取其类似测点的温度值，如无
故障，则取多个温度测点的平均值。当温度传感器8有多个时，单节车厢内的实际温度等于该车厢内多个温度传感器8采集的温度的平均值。
52.控制模块根据采样周期接收温度传感器采集的车厢内的实际温度，以及接收空调控制器或车辆控制单元发送的采暖温度设定指令，并计算采暖温度设定指令与车厢内的实际温度之间的差值，根据差值和不同的设定阈值输出不同的控制指令。控制模块可以是单独的微机控制器，也可以与其他控制器共用(例如空调控制器)。
53.在控制模块不同的控制指令作用下，变频电源模块输出不同的驱动电压给对应车厢内的采暖装置，采暖装置根据不同的驱动电压输出与驱动电压等比例的制热量，实现了采暖装置输出的制热量与制热负荷的匹配控制。
54.变频电源模块可以采用多种电源输入制式，例如ac380v，dc1500v或dc750v或其它电源制式，变频电源模块输出的驱动电压范围为ac152v～ac380v，对应的频率范围为20hz～50hz。本实施例中，变频电源模块包括高精度单片机和变频ipm模块，实现直流-交流的变频输出控制，变频电源模块根据制热量需求对变频ipm模块进行输出控制，实现了变频输出控制。变频ipm模块具有输出缺相、电源电压过高、过低保护，以及ipm过流、过热保护。
55.采暖控制系统还包括第一接线端子排1和第二接线端子排4，控制模块2的电源端通过第一接线端子排1与外部电源电性连接，变频电源模块3的输出端通过第二接线端子排4与采暖装置6电性连接。采暖控制系统可以设于车辆屏柜内，也可以布置于车顶设备箱内(例如空调)，如图6所示的采暖控制系统各元件布置图，在金属骨架5上布置有控制模块2和变频电源模块3，在控制模块2一侧设有第一接线端子排1，在变频电源模块3的一侧设有第二接线端子排4，便于控制系统与外部电源、采暖装置接线。
56.如图7所示，采暖装置包括外罩板61、设于外罩板61内的电加热元件62以及用于安装电加热元件62的安装支架63。单个采暖装置的额定输入电压(或供电电压)为三相ac380v，其输入电压适应范围广，输入电压在ac150v～ac380v范围内均可正常工作。
57.如图2所示，采暖装置6布置于轨道车辆侧墙下方，采暖装置6可以根据车辆内部座椅及设备布置情况灵活布置，可以断续布置，也可连续布置，可适用于多种车型。当采暖装置6采用断续布置时，每节车厢有多个采暖装置6，多个采暖装置6分别与变频电源模块的输出端电性连接。示例性的，如图2～5所示，每节车厢布置7个采暖装置6，7个采暖装置6均布置在座椅区域，与车辆座椅结构相契合，确保冬季采暖时乘客的舒适性。
58.温度传感器用于监测车厢内的温度；控制模块根据车厢内的温度调整取暖装置输出的制热量，从而实现温度控制；断路器用于实现短路保护；采暖控制系统每次开机进行自检，并将自检结果反馈给控制模块。本发明采暖控制系统以控制模块为核心，配合使用断路器、接触器、温度传感器等元件，断路器和接触器均带反馈触点，可完成采暖装置的温度控制、故障诊断及保护等功能。控制系统内安装有mvb网卡或以太网卡，用于控制模块与车辆tcms系统的通讯。
59.如图8所示，本实施例还提供一种轨道车辆采暖控制方法，应用于控制模块，控制模块的输入端与设于车厢内的温度传感器电性连接，控制模块的输出端与变频电源模块的输入端电性连接，变频电源模块的输出端与采暖装置的输入端电性连接，所述方法包括以下步骤：
60.步骤1：控制模块获取温度传感器采集的车厢内的实际温度以及车辆控制单元或
空调控制器发送的采暖温度设定指令。
61.温度传感器设于车厢内且用于采集车厢内的实际温度。本实施例中，温度传感器选用ntc型温度传感器，且温度传感器包括多个，多个温度传感器均匀布置于车厢天花板上方和/或座椅下方。当温度传感器有多个时，单节车厢内的实际温度等于该车厢内多个温度传感器采集的温度的平均值。
62.采暖温度设定指令即目标采暖温度。
63.步骤2：控制模块计算采暖温度设定指令与车厢内的实际温度的差值。
64.步骤3：控制模块根据差值以及不同的设定阈值控制变频电源模块输出的驱动电压大小。
65.步骤4：根据驱动电压，控制采暖装置输出与驱动电压等比例的制热量。
66.本实施例中，设tic为采暖温度设定指令，tim为车厢内的实际温度，变频电源模块的额定电压为380v，具体控制策略为：
67.当tic－tim≥4℃时，变频电源模块输出的驱动电压为380v，采暖装置输出的制热量为名义制热量，即全暖运行；
68.当2℃≤tic－tim＜4℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0.9*380v，采暖装置输出的制热量为0.9*名义制热量；
69.当1.5℃≤tic－tim＜2℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0.8*380v，采暖装置输出的制热量为0.8*名义制热量；
70.当1℃≤tic－tim＜1.5℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0.7*380v，采暖装置输出的制热量为0.7*名义制热量；
71.当0.5℃≤tic－tim＜1℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0.6*380v，采暖装置输出的制热量为0.6*名义制热量；
72.当0℃≤tic－tim＜0.5℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0.5*380v，采暖装置输出的制热量为0.5*名义制热量，即半暖运行；
73.当－0.5℃≤tic－tim＜0℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0.4*380v，采暖装置输出的制热量为0.4*名义制热量；
74.当－1℃≤tic－tim＜－0.5℃时，变频电源模块输出的驱动电压为0，采暖装置关闭。
75.按照如上控制策略，单台采暖装置的制热量可在其名义制热量的40％～100％范围内无级调节。系数0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4以及设定阈值4℃、2℃、1.5℃、1℃、0.5℃、0℃、－0.5℃、－1℃可以根据实际情况进行调整，系数和设定阈值设置越精细，驱动电压和输出的制热量控制越精确，可以实现制热量的线性调节。名义制热量是产品铭牌上标识的制热量，是在某个固定的工况下测得的。
76.以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种轨道车辆采暖控制系统，其特征在于，包括：至少一个温度传感器，所述温度传感器设于车厢内且用于采集车厢内的实际温度；控制模块，用于获取采暖温度设定指令和车厢内的实际温度，并根据所述采暖温度设定指令与所述实际温度的差值大小输出不同的控制指令；变频电源模块，其输出端与采暖装置电性连接，且所述变频电源模块用于在不同控制指令的控制下输出不同的驱动电压，实现采暖装置输出的制热量与所述驱动电压等比例的控制。2.根据权利要求1所述的轨道车辆采暖控制系统，其特征在于：所述温度传感器有多个，多个所述温度传感器均匀布置于车厢天花板上方和/或座椅下方，所述车厢内的实际温度等于多个温度传感器采集的温度的平均值。3.根据权利要求1所述的轨道车辆采暖控制系统，其特征在于：所述控制模块为单独的微机控制器，或者所述控制模块为空调控制器；优选地，所述控制模块的电源端通过第一接线端子排与外部电源电性连接。4.根据权利要求1或3所述的轨道车辆采暖控制系统，其特征在于：所述控制模块内置有网卡，所述控制模块通过所述网卡与车辆tcms系统通讯。5.根据权利要求1所述的轨道车辆采暖控制系统，其特征在于：所述变频电源模块输出的驱动电压范围为ac152v～ac380v，对应的频率范围为20hz～50hz。6.根据权利要求1所述的轨道车辆采暖控制系统，其特征在于：所述采暖装置布置于轨道车辆侧墙下方，且采用断续布置或连续布置；优选地，所述采暖装置包括外罩板、设于所述外罩板内的电加热元件以及用于安装所述电加热元件的安装支架。7.根据权利要求1或6所述的轨道车辆采暖控制系统，其特征在于：当所述采暖装置采用断续布置时，所述变频电源模块的输出端通过第二接线端子排与不同的采暖装置电性连接。8.一种轨道车辆采暖控制方法，应用于控制模块，其特征在于，所述控制模块的输入端与设于车厢内的温度传感器电性连接，控制模块的输出端与变频电源模块的输入端电性连接，变频电源模块的输出端与采暖装置的输入端电性连接，所述方法包括以下步骤：获取车厢内的实际温度以及采暖温度设定指令；计算所述采暖温度设定指令与车厢内的实际温度的差值；根据所述差值控制变频电源模块输出的驱动电压大小；根据所述驱动电压，控制采暖装置输出与所述驱动电压等比例的制热量。9.根据权利要求8所述的轨道车辆采暖控制方法，其特征在于：当tic－tim≥4℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为额定电压，采暖装置输出的制热量为名义制热量；其中，tic为采暖温度设定指令，tim为车厢内的实际温度；当2℃≤tic－tim＜4℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.9*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.9*名义制热量；当1.5℃≤tic－tim＜2℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.8*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.8*名义制热量；当1℃≤tic－tim＜1.5℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.7*额定电压，采
暖装置输出的制热量为0.7*名义制热量；当0.5℃≤tic－tim＜1℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.6*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.6*名义制热量；当0℃≤tic－tim＜0.5℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.5*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.5*名义制热量；当－0.5℃≤tic－tim＜0℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0.4*额定电压，采暖装置输出的制热量为0.4*名义制热量；当－1℃≤tic－tim＜－0.5℃时，所述变频电源模块输出的驱动电压为0，采暖装置关闭。10.一种轨道车辆，其特征在于：包括权利要求1～7中任一项所述的轨道车辆采暖控制系统。

技术总结
本发明公开了一种轨道车辆及其采暖控制系统、方法，所述系统包括温度传感器、控制模块以及变频电源模块，温度传感器与控制模块的输入端电性连接，控制模块的输入端还与空调控制器或车辆控制单元通讯连接，控制模块的输出端与变频电源模块的输入端电性连接；根据采暖温度设定指令与车厢内的实际温度之间的差值来精确控制变频电源模块输出的驱动电压大小，采暖装置根据驱动电压大小输出与驱动电压等比例的制热量，实现了采暖装置输出的制热量与制热负荷匹配，提高了舒适性，节省了能源；采暖装置的驱动电源采用变频电源模块，采用变频控制实现了采暖装置的软启动，避免了对车辆辅助电源或电网造成的冲击。源或电网造成的冲击。源或电网造成的冲击。


技术研发人员：王正 杨天智 肖峰敏 丁前庄 李跃中
受保护的技术使用者：中车株洲电力机车有限公司
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2022/12/26