[发明专利]混合动力电池

说明书

本发明涉及一种用于将输入电压转换为输出电压的双向功率转换器(100)。双向功率转换器(100)可以包括具有一次开关频率的一次开关单元和具有二次开关频率的二次开关单元：一次开关频率低于二次开关频率。

技术领域

本发明涉及一种用于将输入功率转换为输出功率的功率转换器、用于将输入功率转换为输出功率的升压处理和/或降压处理。更具体地说，本发明致力于，但不仅限于，能够驱动电动机并且朝向嵌入的能量储存系统恢复动能的电牵引系统。

背景技术

随着蓄电池和超级电容器的技术在过去的几十年得到改进，电动车辆已经变为具有经济现实的吸引人的解决方案。而且，由于全世界几个国家遵守COP21法案的承诺，传统的全汽油车辆可以被抛弃，被电解决方案取代。第一个应用之一将是公共运输，比如举例来说，公共汽车和有轨电车系统。在这些应用中，需要大功率来供应牵引单元。

这涉及更一般地被称为能量储存元件(也被称为ESE)的超级电容器和蓄电池的并联连接。由于管理牵引单元和几个ESE之间的能量的大功率转换器(100)，该电配置可以得以实现。该电解决方案的特色是其恢复动能的能力，以使得可以显著地改进整个系统效率。这些准则可以涉及使用具有高效率的双向大功率转换器。

这些双向大功率转换器在高压下工作，并且在该电压电平下，在功率半导体上发生的故障风险与宇宙线效应有联系，取决于振幅和DC偏压。例如，一个高电压组件的MTBF(“故障之间的均值时间(Mean Time Between Failure)”的首字母缩略词)对于某个市场可以为大约15年，而对于铁路应用，它应高于30年。因此，由于来自功率半导体的宇宙线效应而导致的FIT值(“时间故障(Failure In Time)”)应对比最终应用被更好地分析。有时，强制使用更高电压击穿电压来遵守MTBF预期。显而易见的是，使用1.7kV栅极双极晶体管(简称IGBT)，而不是1.2kV IGBT，就相同的功率损耗来说，对开关频率具有巨大的重要性。这涉及对所述系统的大小和重量的重要性。

替代方案可以是使用碳化硅功率模块(简称为SiC功率模块)，SiC功率模块通常被认为改进功率转换器的效率和大小。然而，这些组件在市场上是新的，并且关于它们在大温度范围下长时间工作(尤其是在存在热循环约束的应用中)的能力没有反馈。而且，它们的成本仍高于标准的硅功率模块。为了解决例如需要大电流重复快速充电的公共电动车辆的市场，在竞争性市场下，全SiC功率模块还不能被考虑。

实际上，由于随机大功率循环，半导体的热循环应在功率转换器设计期间被考虑。这些热应力是由于制动阶段期间通过动能恢复的快速充电、由于牵引单元所需的高源发浪涌电流、和/或由于来自例如供暖通风空气调节的低功耗而导致的。

为了减小电线连接中的焦耳损耗，使用ESE的串联组合，该组合涉及功率转换器上的大约0.9kV的高电压。由于宇宙线对结工作电压的组合，该电压导致对半导体的寿命的特别关注；SiC和Si组件的抗扰度应是不影响系统的可靠性的研究，系统的可靠性对于陆上运输(如公共汽车、有轨电车、火车)、空中运输(诸如飞机)和海上运输(比如船)来说变得至关重要。

当功率转换器被嵌入在铁道机车车辆中时，大小和重量应被考虑以找到最佳的电拓扑结果。因此，高开关频率拓扑结构将被考虑。

除此之外，特别是在公共运输系统中，ESE的快速充电在乘客上车和下车时短暂停止期间发生，由于磁性元件的磁致伸缩效应，乘客上车和下车时短暂停止可以产生很大的可听噪声，并且可能惹恼乘客。

在几个软开关功率转换器中，通常不可能在没有任何负载的情况下工作，因为缓冲电容器通过功率半导体快速放电。该损耗使系统的寿命缩短。

发明内容