CN112896200A

CN112896200A - 一种降低igbt模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置

Info

Publication number: CN112896200A
Application number: CN202110111682.3A
Authority: CN
Inventors: 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
Original assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: CN112896200B

Abstract

本发明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。

Description

一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述目的，本发明提供了一种降低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：

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。

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。

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：

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。

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：

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。

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：

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，

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。

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：

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，

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。

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：

T_j＝T_a+P·(Z_thjc+Z_thch+Z_thha)；

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。

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，

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，α为与模块有关的参数值，T_m为平均温度，ΔT_j为每个功率循环的结温温差。

在一实施例中，每个功率循环的结温最大值T_jmax和结温温差ΔT_j通过雨流算法径向计算。

在一实施例中，所述寿命损耗模型中，IGBT寿命消耗的比例R的表达式为：

其中，N为每个功率循环的工作周期所包含的小周期，ΔT_jn为每个小周期对应的结温温差，N_fn为ΔT_jn对应的寿命。

在一实施例中，所述离线设计流程中，电参数包括定子电流，

定子电流的机理模型估算值I_s ^p表达式为

式中，R_r为转子电阻，L_r为转子等效自感，ω_sl为转差角频率，L_m为互感，T_e为转矩，N_p为牵引电机极对数。

在一实施例中，所述离线设计流程中：

以定子电流的机理模型估算值I_s ^p为基础，结合现场运用过程中转矩、转速与定子电流的数据，利用最小二乘支持向量机方法得到定子电流I_s的高精度估算值I_s ^SVM。

在一实施例中，所述离线设计流程中，电参数包括调制系数m，调制系数m为输出电压基波幅值与中间电压之比，对应表达式为：

式中，U_m为逆变器输出电压基波有效值，U_dc为逆变器中间电压有效值。

在一实施例中，所述离线设计流程中，电参数包括功率因数，功率因数由电机结构参数结合实时采集的速度和转差频率计算得出，功率因数对应表达式为：

式中，a₂＝(R_sτ_r+L_s-L_σ)τ_r，a₁＝(L_s-L_σ)τ_r，a₀＝R_s，

b₁＝b₀＝L_s，L_s＝L_ls+L_m，L_r＝L_lr+L_m，

τ_r＝L_r/R_r为转子时间常数，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_r为转子等效自感，L_s为定子等效自感，L_m为互感。

在一实施例中，所述在线实现流程中，通过建立最优化指标J，计算得到各轴寿命损耗值最小的最佳分配策略：

最优化指标J表示使所有轴模块损耗之和最小的策略对应的总损耗值，对应表达式为：

其中，S_N为规划的区间长度，v为区间规划的速度，

表示第i种牵引力分配策略下的第j轴牵引力，

表示第i种牵引力分配策略下的第j轴模块损耗，N为设计的牵引力分配策略数量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置，包括：

存储器，用于存储可由处理器执行的指令；

处理器，用于执行所述指令以实现上述任一项所述的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机指令，其中当计算机指令被处理器执行时，执行如上述任一项所述的方法。

本发明提出了一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置，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。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明一实施例的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法流程图；

图2揭示了根据本发明一实施例的牵引力分配控制流程图；

图3揭示了根据本发明一实施例的开关能耗与集电极电流关系曲线图；

图4揭示了根据本发明一实施例的通态压降与集电极电流关系曲线图；

图5揭示了根据本发明一实施例的雨流算法的示意图；

图6揭示了根据本发明一实施例的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置的框图。

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用以解释发明，并不用于限定发明。

图1揭示了根据本发明一实施例的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法流程图，如图1所示，本发明提出的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法，分成离线设计流程与在线实现流程两部分。

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，所述电参数包括定子电流I_s，调制系数m和功率因数

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。

在本实施例中，可以根据选定IGBT模块的数据手册，进行模型建立。一般的，IGBT模块的数据手册中记载了厂家对IGBT相关参数进行测试的数据，如图3和图4中的测量值。

所述在线实现阶段，包括以下步骤：

读取区间规划的整车牵引力及速度曲线；

根据策略序号对应的机车牵引力分配策略，计算每种功率分配策略下的规划牵引力和速度曲线；

选定寿命损耗值最小的分配策略，根据对应策略序号的机车牵引力分配策略，输出相应的各轴牵引力来进行牵引电机牵引。

下面说明，区间规划的整车牵引力及速度曲线

在图1所示的实施例中，所述在线实现流程中，线路区间规划的整车牵引力及速度曲线考虑通过自动驾驶机车的自动驾驶装置(ATO)获取。

需要说明的是，本实施例中提出的线路区间规划的整车牵引力及速度曲线考虑通过自动驾驶机车的自动驾驶装置(ATO)获取，通过其它方法获取的区间规划的整车牵引力及速度曲线也属于本发明的保护范畴。

图2揭示了根据本发明一实施例的牵引力分配控制流程图，如图2所示，自动驾驶机车牵引力分配控制流程，包括以下步骤：

ATO装置结合列车运行的线路数据，对列车运行行程进行评估，基于安全、平稳、正点、减负及节能等原则，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(牵引或制动)和目标级位(对应手柄级位)的形式发送给机车中央控制装置(CCU)。

列车运行的线路数据包括车辆数据、监控信号及机车牵引/制动特性。

机车中央控制装置收到该信息后，结合目标工况，将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，通过MVB通信方式发送给本节机车对应的两个牵引控制单元(TCU)。

在图2所示的实施例中，机车中央控制装置CCU反馈机车网络控制系统与牵引系统状态信息至ATO装置。

机车中央控制装置CCU发送1,2轴设定力至牵引控制单元TCU₁，CCU发送3,4轴设定力至牵引控制单元TCU₂。

两个牵引控制单元TCU₁和TCU₂反馈牵引系统状态信息至CCU。

牵引控制单元，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(INV)IGBT脉冲，驱动牵引电机实现设定转矩的实时闭环控制。

在图2所示的实施例中，牵引控制单元TCU₁发送1轴设定转矩至1轴牵引逆变器INV₁，驱动牵引电机M1；TCU₁发送2轴设定转矩至2轴牵引逆变器INV₂，驱动牵引电机M2；TCU₂发送3轴设定转矩至3轴牵引逆变器INV₃，驱动牵引电机M3；TCU₂发送4轴设定转矩至4轴牵引逆变器INV₄，驱动牵引电机M4。

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；

为了避免频繁进行牵引力分配策略切换，在同一个规划区间只采用一种分配策略，通过计算选择最优分配策略。

需要说明的是，本实施例中的最优化分配策略求解考虑的是一个规划区间仅采用一种分配策略，一个规划区间采取多种分配策略或动态连续调整分配策略也属于本发明的保护范畴。

本发明的实施例中，考虑如表1所示的四种牵引力分配策略。

表1机车功率牵引力分配策略说明

下面对四种牵引力分配策略进行举例说明：

以某种机车为例，该车每个自动驾驶装置负责4个轴牵引力控制。

假设某时刻整节车设定牵引力F_T要求为150kN，此速度下根据电机特性曲线求得的单轴最大允许发挥牵引力F_max为60kN，则根据表1对四种机车功率牵引力分配策略说明，不同策略下各轴发挥牵引力计算如表2所示。

表2机车功率分配策略数值算例

策略序号	不同策略各轴牵引力分配结果
		1	F<sub>i</sub>＝150/4＝37.5kN(i＝1,2,3,4)
2	F<sub>1</sub>＝F<sub>2</sub>＝F<sub>max</sub>,F<sub>3</sub>＝F<sub>4</sub>＝(F<sub>T</sub>-2*F<sub>max</sub>)/2＝15kN
		3	F<sub>1</sub>＝F<sub>2</sub>＝F<sub>max</sub>,F3＝0,F4＝F<sub>T</sub>-2*F<sub>max</sub>＝30kN
4	F<sub>1</sub>＝0,F<sub>2</sub>＝F<sub>3</sub>＝F<sub>4</sub>＝F<sub>T</sub>/3＝50kN

在本实施例中，功率损耗模型包括瞬态功率损耗模型和通态功率损耗模型。

下面说明瞬态功率损耗模型的建立过程。

依据对SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)功耗仿真得出的能耗值与直流电压、结温存在线性关系的研究结论，建立实际直流电压V_dc、实际结温T_j下IGBT开关以及FRD(快恢复二极管)反向恢复能耗模型，其计算式依次如式(1)～(2)所示。

式中，P_SW,IGBT和P_SW,FRD分别表示实际直流电压、结温和集电极电流对应的IGBT开关以及FRD反向恢复功率损耗值；

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具体集电极电流下对应的标称IGBT开通、IGBT关断以及FRD反向恢复能耗值。

为标称最大结温；

为标称电压；f_sw为开关频率，可基于控制算法根据当前定子频率进行推算；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，V_nom为标称电压，I_c为集电极电流。

一般的，E_on(I_c,V_norm)、E_off(I_c,V_norm)和E_rec(I_c,V_norm)，可以基于IGBT(FRD)数据手册中相关数据进行二次多项式拟合，结果如图3所示，图3揭示了根据本发明一实施例的开关能耗与集电极电流关系曲线图。

下面说明通态功率损耗模型的建立过程。

根据下述表达式的相关计算，可得到IGBT与FRD的通态能耗值，具体如式(3)～(4)所示。

式中，

为输出相电流峰值；

为功率因数；m为调制系数，为输出电压基波幅值与中间电压之比；r为IGBT线性化通态电阻；r_F为FRD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。

一般的，线性化电阻r和r_F可根据数据手册上相关数据进行一次拟合得到。

一般的，V_CE0和V_F0可以基于IGBT(FRD)数据手册中相关数据进行二次多项式拟合，结果如图4所示，图4揭示了根据本发明一实施例的通态压降与集电极电流关系曲线图。

下面说明结温模型的建立过程。

IGBT的结温T_j基于功率损耗和热阻Z_th进行计算，其计算式如式(5)所示。

T_j＝T_a+P·(Z_thjc+Z_thch+Z_thha)； (5)

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。Z_thjc值可通过相关参数进行计算，其计算式如式(6)所示

式中，R_i为等效热网络Foster模型中的热阻参数，τ为时间常数，s为微分算子。上述相关参数可以通过数据手册获得。

由于功率损耗会实时变化，为了实时计算结温变化情况，将式(6)离散化，得出功率损耗与结温T_j的离散数学模型如式(7)所示。

式中，T_s为信号采样周期，R_i为等效热网络Foster模型中的热阻参数；τ为时间常数，z为离散数学模型的复变量，z^-1称为单位延迟因子。

下面说明IGBT寿命损耗模型的建立过程。

采用式(8)寿命模型，通过相关数据对模型参数进行拟合所示。

模块功率循环次数N_f的表达式为，

式中，A为与产品特性、几何形状、试验方法有关的正常数，是通用寿命模型中的常数，是根据大量试验总得到的；

R为空气常数，R＝8.314J/(mol·K)，Q为与材料有关的激活能，Q和α的值由具体模块确定。

T_m为平均温度，T_m＝T_jmax-ΔT_j/2，T_jmax为最大结温，ΔT_j为每个功率循环的结温温差。

上述相关参数可以通过数据手册获得。

由于IGBT寿命损耗模型是关于T_jmax和ΔT_j的函数，而实际运用中牵引传动系统中IGBT结温波动规律复杂，因此，需要使用循环计数方法从运用数据中提取计算出每个功率循环的结温最大值T_jmax和ΔT_j，然后再进行每个功率循环的IGBT损伤程度。

每个功率循环的结温最大值T_jmax和结温温差ΔT_j通过雨流算法径向计算。

雨流算法是疲劳设计和失效中应用最广泛的一种方法，它将一个多重应力过程产生的应变疲劳简化为一系列只包含单一应力作用的应变过程，可估算系统在复杂工作状态下的疲劳寿命。

图5揭示了根据本发明一实施例的雨流算法的示意图，如图5所示，雨流算法可以实现一个大的功率循环工作周期内的T_jmax和ΔT_j，具体的计算步骤如下：

1)求取一个大的工作周期内的结温T_j的所有峰谷值提取出来，根据时间顺序依序存储，如图5中的1，2，3等，图5中沿时间轴t变化的曲线即为结温变化曲线，x为对应温度值。

2)雨流在流到峰值处竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时最大值(或最小值)更正的最大值(或更负的最小值)为止；

3)当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时，就停止流动，并构成了一个循环；

4)根据雨滴流动的起点和终点，画出各个循环，将所有循环逐一取出来，并记录其峰谷值；

5)每一雨流的水平长度可以作为该循环的幅值。

通过雨流算法得到一个大的工作周期内的T_jmax和ΔT_j后，采用Miner定理可预测不同ΔT_j功率循环周期的共同作用效果。

假设一个大的功率循环工作周期包含N个小周期，每个小周期对应的结温温差为ΔT_jn，则由IGBT寿命模型计算出ΔT_jn对应的寿命N_fn(ΔT_jn)，在这样一个大的工作周期内，IGBT寿命消耗的比例R可通过式(9)进行计算。

下面说明电参数模型的建立过程。

由式(1)～(4)可知，要进行寿命损耗计算，需知道工作时IGBT的相关电参数，而在进行区间规划时，仅区间牵引力及速度为已知量。

因此，需建立电参数模型，所述电参数模型为IGBT相关电参数与牵引电机发挥牵引力及速度间的关系模型。

本实施例中电参数估算方法采用的是机理+数据融合建模的方法，采用其它方法实现电参数估算也属于本发明的保护范畴。

电参数包括定子电流I_s，调制系数m，功率因数

下面结合相关机理和现场数据对定子电流I_s进行融合建模。

由电机稳态模型知，励磁电流I_m和定子电流I_s、转差角频率ω_sl之间的关系式为

式中，R_r为转子电阻，L_lr为转子漏感，L_r＝L_lr+L_m为转子等效自感，L_m为互感。

且转矩T_e与定子电流I_s、转差角频率ω_sl存在如下关系式：

式中，N_p为牵引电机极对数。

综合式(10)和(11)可得：

式(13)中，由于

定子电流励磁分量可近似于式(14)进行描述。

由于I_m∝ψ_s因此，可令

其中，k可基于电机设计参数及试验数据进行拟合得到。

此外，实际应用中一般在额定转速以下与以上分别采用恒磁通和弱磁控制策略。

定子磁链给定值ψ_s与转速的关系曲线ψ_s＝f(n)可通过试验数据拟合求得。

将

代入式(15)，并整理可得：

则可通过当前转矩以及转速得到转差率s与转矩以及转速间的关系模型式(16)。s已知，则可得出转差角频率ω_sl。

得到当前速度及转矩下的转差角频率后，基于式(11)关系式可得到定子电流的机理模型估算值I_s ^p如式(17)所示。

从上述推算过程可知，基于式(10)～(17)计算的定子电流I_s ^p为基于机理模型得到的初步估算值。

为提升估算效果，以定子电流的机理模型估算值I_s ^p为基础，再综合现场运用过程中转矩、转速与定子电流的数据，利用最小二乘支持向量机LSSVM方法得到定子电流I_s的高精度估算值I_s ^SVM。

LSSVM是SVM在二次损失函数下的一种形式，通过将SVM算法中的不等式约束转化为等式约束而得到。LSSVM只需求解线性方程，因此求解速度快。

SVM方法实现估算，其原理如下：

给定训练数据D＝{{x1,y1},{x2,y2},...,{xm,ym}}，找到回归模型f(x)＝w^Tx+b使得f(x)与y尽可能接近，w和b是模型参数。

下面说明调制系数的计算过程。

由牵引电机设计时的特性曲线以及相关试验数据进行拟合，可得到逆变器输出电压基波有效值与牵引电机转速的关系函数式，如式(18)所示。

根据调制系数定义可得到调制系数与转速，逆变器输入电压间的关系式，如式(19)所示。

U_m＝f(n) (18)

式中，m为调制系数，n为电机转速，U_m为逆变器输出电压基波有效值，U_dc为逆变器中间电压有效值。

下面说明功率因数的计算过程。

功率因数可由电机结构参数并结合实时采集的速度，转差频率推导得出，其表达式如式(20)所示。

式中，a₂＝(R_sτ_r+L_s-L_σ)τ_r，a₁＝(L_s-L_σ)τ_r，a₀＝R_s，

b₁＝b₀＝L_s，L_s＝L_ls+L_m，L_r＝L_lr+L_m，

在线实现流程中，通过建立最优化指标J，计算得到各轴寿命损耗值最小的最佳分配策略。

下面说明选定寿命损耗值最小的功率分配策略的设计过程。

假设规划的区间长度为S_N，区间规划的速度、牵引力曲线分别为

v＝f_v(s),0＜s≤S_N (21)

F＝f_F(s),0＜s≤S_N (22)

为了控制区间内各轴分配的牵引力实现IGBT模块损耗最低，构造如下最优化指标J，最优化指标J表示使所有轴模块损耗之和最小的策略对应的总损耗值。

通过求解最优化问题来得到各轴最佳分配牵引力曲线。

其中，S_N为规划的区间长度，v为区间规划的速度，

表示第i种牵引力分配策略下的第j轴牵引力，

需要说明的是，本实施例中提出的方法是在中央控制单元(CCU)中实现，采用自动驾驶装置(ATO)或其它列车级控制装置实现也属于本发明的保护范畴。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

图6是本发明一实施例的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置的框图，如图6所示的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置可包括内部通信总线601、处理器(processor)602、只读存储器(ROM)603、随机存取存储器(RAM)604、通信端口605、以及硬盘607。内部通信总线601可以实现降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置组件间的数据通信。处理器602可以进行判断和发出提示。在一些实施例中，处理器602可以由一个或多个处理器组成。

通信端口605可以实现降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置与外部的输入/输出设备之间进行数据传输与通信。在一些实施例中，降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置可以通过通信端口605从网络发送和接收信息及数据。在一些实施例中，降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置可以通过输入/输出端306以有线的形式与外部的输入/输出设备之间进行数据传输与通信。

降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配装置还可以包括不同形式的程序储存单元以及数据储存单元，例如硬盘607，只读存储器(ROM)603和随机存取存储器(RAM)604，能够存储计算机处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器602所执行的可能的程序指令。处理器602执行这些指令以实现方法的主要部分。处理器602处理的结果通过通信端口605传给外部的输出设备，在输出设备的用户界面上显示。

举例来说，上述的降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法的实施过程文件可以为计算机程序，保存在硬盘607中，并可记载到处理器602中执行，以实施本申请的方法。

降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法的实施过程文件为计算机程序时，也可以存储在计算机可读存储介质中作为制品。例如，计算机可读存储介质可以包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD))、智能卡和闪存设备(例如，电可擦除可编程只读存储器(EPROM)、卡、棒、键驱动)。此外，本文描述的各种存储介质能代表用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可以包括但不限于能存储、包含和/或承载代码和/或指令和/或数据的无线信道和各种其它介质(和/或存储介质)。

本发明提出了一种降低IGBT模块寿命损耗的机车牵引力分配方法及装置，可保证满足机车性能要求前提下实现IGBT模块寿命损耗最小，可有效延长IGBT模块使用寿命，且不需要改变现有硬件，工程实现简单。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。