一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及轨道交通装备领域，更具体的说，涉及一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置。本发明专利技术方法包括：离线设计流程，包括以下步骤，建立IGBT功率损耗计算所需的电参数模型，建立功率损耗模型、结温模型和寿命损耗模型；在线实现流程，包括以下步骤，读取区间规划的整车牵引力及速度曲线；计算每种分配策略下的规划牵引力和速度曲线；基于电参数模型、功率损耗模型、结温模型及寿命损耗模型，计算各种分配策略下的寿命损耗值；选定寿命损耗值最小的分配策略，根据对应分配策略输出相应的各轴牵引力进行牵引电机牵引。本发明专利技术可在满足机车整车牵引力发挥前提下尽可能减少IGBT模块寿命损耗，降低机车装备生生命周期成本。期成本。期成本。

【技术实现步骤摘要】
一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置


[0001]本专利技术涉及轨道交通装备领域，更具体的说，涉及一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置。

技术介绍

[0002]作为系统的核心部件，IGBT模块的可靠性对系统的性能有着至关重要的作用。IGBT模块可靠性问题的根源在于热应力引起的材料机械变形。
[0003]在牵引变流器工作中，IGBT的通态损耗和开关损耗引起器件结温上升，随着输出功率不同，损耗功率也不一样，使器件不断地经历温度循环过程。
[0004]相关研究表明，结温变化幅值和平均结温是决定IGBT模块寿命的重要参数，IGBT寿命与不同结温变化幅度和平均结温下的温度循环次数有关，可看作是结温变化幅度和平均结温的函数。
[0005]基于此原理，若能通过一定控制策略使机车运行过程中尽可能经历少的温度循环数，则可有效延长IGBT模块使用寿命，提高运用可靠性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置，解决现有技术的IGBT模块寿命损耗较高，可靠性较低的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，包括离线设计流程和在线实现流程：
[0008]所述离线设计流程，包括以下步骤，
[0009]基于电机机理模型、电机特性参数和相关试验数据，建立IGBT功率损耗计算所需的电参数模型，所述电参数模型为与牵引电机牵引力、速度相关的关系模型；
[0010]基于IGBT相关参数测试数据，建立功率损耗模型、结温模型和寿命损耗模型；
[0011]所述在线实现流程，包括以下步骤，
[0012]读取区间规划的整车牵引力及速度曲线；
[0013]根据机车牵引力分配策略，计算每种分配策略下的规划牵引力和速度曲线；
[0014]基于离线设计得到的电参数模型、功率损耗模型、结温模型及寿命损耗模型，计算各种分配策略下的寿命损耗值；
[0015]选定寿命损耗值最小的分配策略，根据对应分配策略输出相应的各轴牵引力进行牵引电机牵引。
[0016]在一实施例中，所述在线实现流程中，区间规划的整车牵引力及速度曲线通过自动驾驶机车的自动驾驶装置获取。
[0017]在一实施例中，所述自动驾驶机车的牵引力分配控制流程，包括以下步骤：
[0018]自动驾驶装置，结合列车运行的线路数据对列车运行行程进行评估，自动规划机车在前方区间的最优化目标速度曲线和整车牵引制动力设定曲线，并以目标工况和目标级
位的形式发送给机车中央控制装置；
[0019]机车中央控制装置，结合目标工况将目标级位信息进行转换成整车牵引制动力，并按各轴平均分配的方式将整车力分解成每轴牵引制动力，发送给本节机车对应的牵引控制单元；
[0020]牵引控制单元，接收到每轴设定力后，根据机车传动比和轮径信息将设定力转换成对应的设定转矩，并通过控制本轴牵引逆变器的IGBT脉冲，驱动牵引电机实现设定转矩的实时闭环控制。
[0021]在一实施例中，所述在线实现流程中，机车牵引力分配策略包括均衡分配策略、满牵引优先策略、满牵引惰行优先策略和惰行优先策略：
[0022]所述均衡分配策略，将整车牵引力平均分配至各轴；
[0023]所述满牵引优先策略，在满足区间最大功率需求前提下优先满足多个轴的牵引力发挥，剩余轴牵引力平均分配；
[0024]所述满牵引惰行优先策略，在满足区间最大功率需求前提下优先满足多个轴的牵引力发挥，剩余轴优先惰行；
[0025]所述惰行优先策略，在满足区间最大功率需求前提下优先满足多个轴输出零牵引力，剩余轴牵引力平均分配。
[0026]在一实施例中，所述功率损耗模型，进一步包括瞬态功率损耗模型，通过以下步骤建立：
[0027]建立实际直流电压V
dc
、实际结温T
j
下IGBT开关反向恢复能耗模型，P
SW,IGBT
表示实际直流电压、结温和集电极电流对应的IGBT开关反向恢复功率损耗值；
[0028]建立实际直流电压V
dc
、实际结温T
j
下快恢复二极管反向恢复能耗模型，P
SW,FRD
表示实际直流电压、结温和快恢复二极管反向恢复功率损耗值；
[0029]P
SW,IGBT
和P
SW,FRD
对应表达式如下所示，
[0030][0031][0032]式中，E
on
(I
c
,V
norm
)、E
off
(I
c
,V
norm
)和E
rec
(I
c
,V
norm
)依次表示标称电压和最大结温下集电极电流下对应的标称IGBT开通、IGBT关断和快恢复二极管反向恢复能耗值，为标称最大结温，f
sw
为开关频率，V
dc
为实际电压，T
j
为实际结温，为实际输出相电流峰值，为最大结温，I
nom
为标称电流，V
nom
为标称电压，I
c
为集电极电流。
[0033]在一实施例中，所述功率损耗模型，进一步包括通态功率损耗模型，对应表达式如下所示：
[0034]P
cond,IGBT
表示IGBT的通态能耗值，P
cond,FRD
表示快恢复二极管的通态能耗值，
[0035][0036][0037]式中，为输出相电流峰值，为功率因数，m为调制系数，r为IGBT线性化通态电阻，r
F
为快恢复二极管的线性化通态电阻，V
CE0
为IGBT线性化通态压降，V
F0
为FRD线性化通态压降。
[0038]在一实施例中，所述结温模型中，IGBT的结温T
j
基于功率损耗和热阻进行计算，对应表达式如下：
[0039]T
j
＝T
a
+P
·
(Z
thjc
+Z
thch
+Z
thha
)；
[0040]式中，P为功率损耗，T
a
为环境温度，Z
thjc
为IGBT的结到壳的热阻抗，Z
thch
为IGBT壳到散热器的热阻抗，Z
thha
为IGBT散热器到环境的热阻抗。
[0041]在一实施例中，所述寿命损耗模型中，模块功率循环次数N
f
的表达式为，
[0042][0043]式中，A为与产品特性、几何形状、试验方法有关的正常数，R为空气常数，Q为与材料有关的激活能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，包括离线设计流程和在线实现流程：所述离线设计流程，包括以下步骤，基于电机机理模型、电机特性参数和相关试验数据，建立IGBT功率损耗计算所需的电参数模型，所述电参数模型为与牵引电机牵引力、速度相关的关系模型；基于IGBT相关参数测试数据，建立功率损耗模型、结温模型和寿命损耗模型；所述在线实现流程，包括以下步骤，读取区间规划的整车牵引力及速度曲线；根据机车牵引力分配策略，计算每种分配策略下的规划牵引力和速度曲线；基于离线设计得到的电参数模型、功率损耗模型、结温模型及寿命损耗模型，计算各种分配策略下的寿命损耗值；选定寿命损耗值最小的分配策略，根据对应分配策略输出相应的各轴牵引力进行牵引电机牵引。2.根据权利要求1所述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，所述在线实现流程中，区间规划的整车牵引力及速度曲线通过自动驾驶机车的自动驾驶装置获取。3.根据权利要求2所述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，所述自动驾驶机车的牵引力分配控制流程，包括以下步骤：自动驾驶装置，结合列车运行的线路数据对列车运行行程进行评估，自动规划机车在前方区间的最优化目标速度曲线和整车牵引制动力设定曲线，并以目标工况和目标级位的形式发送给机车中央控制装置；机车中央控制装置，结合目标工况将目标级位信息进行转换成整车牵引制动力，并按各轴平均分配的方式将整车力分解成每轴牵引制动力，发送给本节机车对应的牵引控制单元；牵引控制单元，接收到每轴设定力后，根据机车传动比和轮径信息将设定力转换成对应的设定转矩，并通过控制本轴牵引逆变器的IGBT脉冲，驱动牵引电机实现设定转矩的实时闭环控制。4.根据权利要求1所述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，所述在线实现流程中，机车牵引力分配策略包括均衡分配策略、满牵引优先策略、满牵引惰行优先策略和惰行优先策略：所述均衡分配策略，将整车牵引力平均分配至各轴；所述满牵引优先策略，在满足区间最大功率需求前提下优先满足多个轴的牵引力发挥，剩余轴牵引力平均分配；所述满牵引惰行优先策略，在满足区间最大功率需求前提下优先满足多个轴的牵引力发挥，剩余轴优先惰行；所述惰行优先策略，在满足区间最大功率需求前提下优先满足多个轴输出零牵引力，剩余轴牵引力平均分配。5.根据权利要求1所述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，所述功率损耗模型，进一步包括瞬态功率损耗模型，通过以下步骤建立：
建立实际直流电压V
dc
、实际结温T
j
下IGBT开关反向恢复能耗模型，P
SW,IGBT
表示实际直流电压、结温和集电极电流对应的IGBT开关反向恢复功率损耗值；建立实际直流电压V
dc
、实际结温T
j
下快恢复二极管反向恢复能耗模型，P
SW,FRD
表示实际直流电压、结温和快恢复二极管反向恢复功率损耗值；P
SW,IGBT
和P
SW,FRD
对应表达式如下所示，对应表达式如下所示，式中，E
on
(I
c
,V
norm
)、E
off
(I
c
,V
norm
)和E
rec
(I
c
,V
norm
)依次表示标称电压和最大结温下集电极电流下对应的标称IGBT开通、IGBT关断和快恢复二极管反向恢复能耗值，为标称最大结温，f
sw
为开关频率，V
dc
为实际电压，T
j
为实际结温，为实际输出相电流峰值，为最大结温，I
nom
为标称电流，V
nom
为标称电压，I
c
为集电极电流。6.根据权利要求1所述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，所述功率损耗模型，进一步包括通态功率损耗模型，对应表达式如下所示：P
cond,IGBT
表示IGBT的通态能耗值，P
cond,FRD
表示快恢复二极管的通态能耗值，表示快恢复二极管的通态能耗值，式中，为输出相电流峰值，为功率因数，m为调制系数，r为IGBT线性化通态电阻，r
F
为快恢复二极管的线性化通态电阻，V
CE0
为IGBT线性化通态压降，V
F0
为FRD线性化通态压降。7.根据权利要求1所述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，其特征在于，所述结温模型中，IGBT的结温T
j
基于功率损耗和热阻进行计算，对应表达式如下：T
j
＝T
a
+P
·
(Z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学明，徐绍龙，甘韦韦，成正林，郭维，袁靖，彭辉，黄明明，廖亮，谭永光，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：