ENERGY CONVERSION DEVICE HAVING LOW-TEMPERATURE COIL

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字或文字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本申请文件中所述的相关概念定义如下：

低温线圈：由良导体材料或者超导材料绕制而成的线圈处于低温环境中。

零电阻特性：处于超导态的超导材料，在无变化电流或磁场作用时其电阻为零。

超导材料：在某些特定条件下，一种具有零点阻特性的材料。

临界温度：超导材料的温度降至某个温度以下时，超导材料呈现零电阻特性。该温度称之为超导材料的临界温度。

临界磁场：超导材料处于的外部磁感应强度在某个值以下时，超导材料呈现零电阻特性。该磁场称之为超导材料的临界磁场。

临界电流：超导材料中的直流励磁电流在某个值以下时，超导材料呈现零电阻特性。该电流称之为超导材料的临界电流。

失超：超导材料由超导态变为非超导态，原因可能是温度高于临界温度，磁场高于临界磁场，或电流大于临界电流等。

超导线圈：一种由超导材料绕制而成的线圈，和铜线圈类似，但线圈内阻非常小或趋近于零。

固氮：固氮是由空气中的氮气提炼而来，价格低廉，作为冷媒用于让超导线圈运行温度低于临界温度。氮气在约77 K发生气液相变，在约63 K发生液固相变，在约35.6 K发生固固相变。

电流引线：用于给低温线圈励磁或能量回馈的引线。电流引线通常一端在低温环境中另外一端在室温中，两端因存在较大的温度梯度而会产生较大的传导漏热，加上低温线圈虽然电阻小，但一般为大励磁电流，励磁同时会产生较大焦耳热，一般情况下低温系统会因为使用电流引线而使整体漏热相对严重，使得制冷系统负荷大为增加。

磁通泵技术：一种将能量交替地泵入超导闭合线圈的励磁技术。

动态电阻：超导线中所通直流电和外加交变磁场相互作用而产生的电阻。外加交变磁场通常通过一个带有铁芯的电感产生。

第一组实施例

本发明设计了一种低温线圈用低漏热励磁、去磁单向或双向能量转换装置，通过将电力电子变换器中部分含有大电流的电路冷却至低温（温度可与低温线圈一样，或者稍高，或者稍低，或低温线圈系统使用二级制冷机或有其他热沉，也可降温至一级冷头或其他热沉温度附近），并将部分小电流的电路优选放置在相对高温中，以此极大的减少了传统电流引线在对低温线圈励磁及能量回馈时的整体总发热量（总发热量主要包括了电流引线上的传导漏热和通流时的焦耳热）。

如图4（a）-（c）所示，低温线圈，优选为超导线圈。低温线圈的冷却方式可以是通过冷源模块，如图4（a）-（c）的制冷机（冷头）或利用冷氦气排管，也可以是冷媒直接制冷等。如低温线圈为超导线圈，则既可以开环运行，也可以闭环运行。闭环运行工作原理如图4（d）所示，超导线圈励磁时虚线部分变为有阻（电阻来源为超导失超或者磁通泵的动态电阻），通过电池或电源和电力电子变换器（包括低温部分）开始励磁，励磁完成后虚线部分恢复成几乎或完全零电阻，最后关断电池或电源或电力电子变换器，电流在闭合线圈里流动。

闭环运行和现有技术2超导线圈闭环励磁技术相似，只是由传统可插拔的电流引线变为带有电力电子变换器的电流引线（变为带有电力电子变换器的电流引线后也可选择采用可断开/可插拔模式，断开位置可以在较大电流电流引线处也可在较小电流电流引线处和/或信号线处，以此进一步减少闭环运行时的漏热）。如果为其他有电阻的导体线圈（如铜线圈等），则优选为开环运行。其中，电力电子变换器优选为直流-直流转换器。

直流-直流转换器可选为单个或多个并联的电路拓扑结构，如为多个并联结构优选为采用交错并联（interleave）技术，交错并联可以采用两相或者多相并联，其中如图17所示为一种两相交错并联，多相交错并联可以以此类推。交错并联电路可用来替换图5中的双向Buck-Boost电路。其中输入输出是小电流且有可能不适合在低温环境中工作的电路器件（下面简称为相对高温电路部分），如控制电力电子变换器的数字控制器（例如DSP、FPGA、MCU、以ARM核为基础的CPU等），电路中全控型功率半导体器件的驱动等优选为放置在相对高温中，如室温或独立放置在真空当中由冷头或冷媒模块（如冷媒容器壁）或杜瓦壁或冷氦气排管或冷屏或低温线圈进行散热；但也可放置在冷媒模块或真空模块中，处于和低温线圈或二级制冷机的一级冷头或其他热沉相近或相同的温度。

低温中的主要电路为含有大电流的全桥式电路（对应于图4（a）-（c）中电力电子变换器中部分电路），此电路中的功率半导体器件可选为全控型功率半导体器件。全控型功率半导体器件优选为MOSFET，IGBT，宽禁带半导体（SiC/GaN）等，并且每个全桥臂优选为并联多个全控型功率半导体器件。其中由MOSFET组成的单个双向直流-直流转换器电路拓扑结构如图5或图6所示（图5或图6实线框中的部分为放置在低温环境中的部分）。

图5电路由双向Buck-Boost电路和桥式直流变换器组成，而图6电路由桥式直流变换器组成。低温电路部分和相对高温电路部分中信号传输易受干扰的线路优选为通过一对或多对双绞线（twisted pair）进行连接。

本发明中较大电流电流引线可选用单根或多根超导材料，使其在励磁或能量回馈时发热量几乎为零。为防止超导电流引线上可能存在的温度梯度所造成超导材料临界电流的减少（温度越高，超导材料临界电流越低），使用超导材料时优选为多层堆叠或多股绞线或超导复合缆线（如CORC等）等的结构以增加超导作为较大电流电流引线时的载流能力，防止失超的发生，优选的层数或股数应多于低温线圈单匝的层数或者股数，多层堆叠结构层间优选通过焊锡进行连接加固。此较大电流电流引线也可为良导体材料，或良导体材料和超导材料的混合电流引线（如一段是良导体材料，一段是超导材料或者整体为良导体材料和超导材料堆叠在一起）。良导体材料如：铜、铝或银引线，这些材料处于低温时，其电阻率变小（20 K时，铜（RRR=50）电阻率约为室温的0.02倍，铝电阻率约为室温的0.012倍，银电阻率约为室温的0.004倍），再通过优化良导体引线的长度和截面积，使得良导体材料的总发热量进一步减少，因此低温中较大电流侧良导体引线的发热量也非常小。相对高温的较小电流侧可以通过控制输入低温电力电子变换器的电压大小，使得较小电流侧电流可以变得非常小。

如图5实线框所示的低温电力电子变换器部分电路可以放置在真空中，可通过冷头或冷媒容器壁或冷氦气排管或冷屏或低温线圈降至所需低温；也可以如图4（b）放置在冷媒模块中（可通过冷媒或冷媒容器内壁或低温线圈降至所需低温）。冷媒可根据低温线圈的不同工作温度选择液氮、固氮、液氖、固氖、液氢、液氦、冷氦气、液氧、液化天然气等。图4（a）-（c）的方案也可变化为类似图7（a）-（c）的方案，其不同之处是处于低温的电力电子变换器部分电路变为如图5虚线框所示（包含了双向Buck-Boost电路中的全控型功率半导体器件和高低电压母线间的电感等更多的电路），图5虚线框中的双向Buck-Boost电路也可由全桥式电路代替。

第二组实施例

如图11所示，电力电子变换器可以选择为带有变压器的交流-直流转换器，如半波全控整流电路或全波全控整流电路或单相半桥全控整流电路或单相全桥全控整流电路，本实施例的其他部分（如数字控制器位置，双绞线，大电流引线，全控型功率半导体器件可用类型等等）和第一组实施例基本相同。半波全控整流电路和桥式直流变换器示意图如图12所示，全波全控整流电路和桥式直流变换器示意图如图13所示，单相半桥全控整流电路和桥式直流变换器示意图如图14所示，单相全桥全控整流电路和桥式直流变换器示意图如图15所示。图12、图13、图14、图15中变压器输入端优选为逆变器或交流电源。如果需要将变压器原边电路和副边电路通过真空隔开，则优选为松耦合变压器。将有变压器的电力电子变换器中部分电路1（如图11（a）-（d）所示，对应的电路拓扑结构示意图如图12或图13或图14或图15虚线框所示）降温至与低温线圈温度相同或相近（如低温线圈系统使用二级制冷机或有其他热沉，也可降温至一级冷头或其他热沉温度附近），通过变压器耦合的方式进行电能传输。有变压器的电力电子变换器中部分电路2（如图11（a）、（b）和（d）所示）和有变压器的电力电子变换器（如图11（c）所示）包含了松耦合变压器的原边部分。有松耦合变压器的电力电子变换器和低温容器的相对摆放位置如图11（a）-（d）所示。在真空中且不和较大电流电流引线接触的电路，热量可以通过选用冷头或冷媒容器壁或杜瓦壁或冷氦气排管或冷屏或低温线圈连接将热量带走。需注意如松耦合变压器原副边隔有容器壁时（如图11（a）、（c）），这部分容器壁优选为非金属材料和/或非铁磁材料。

如为紧耦合变压器，则如图12所示的半波全控整流电路和桥式直流变换器可冷却至低温或桥式直流变换器冷却至低温或除变压器以外的电路冷却至低温；如图13所示的全波全控整流电路和桥式直流变换器可冷却至低温或桥式直流变换器冷却至低温或除变压器以外的电路冷却至低温；如图14所示的单相半桥全控整流电路和桥式直流变换器可冷却至低温或桥式直流变换器冷却至低温或除变压器以外的电路冷却至低温；如图15所示的单相全桥全控整流电路和桥式直流变换器可冷却至低温或桥式直流变换器冷却至低温或除变压器以外的电路冷却至低温。当上面四种情况中桥式直流变换器冷却至低温时，图12中的半波全控整流电路，图13中的全波全控整流电路，图14中的单相半桥全控整流电路，图15中的单相全桥全控整流电路中的全控型功率半导体器件可由二极管和/或半控型功率半导体器件代替。这里的低温定义为与低温线圈温度相同或相近（如低温线圈系统使用二级制冷机或有其他热沉，也可降温至一级冷头或其他热沉温度附近）。低温电路的位置如图4（a）-（c）电力电子变换器中部分电路所示。

在本组的其他实施例中，图5、图6、图10、图12、图13、图14、图15中的桥式直流变换器部分均可由图8（a）的全桥式电路形式简化为图8（b）的半桥式电路形式；且如图9（实线框中的部分为放置在低温环境中的部分），是把图5的双向Buck-Boost电路由Buck电路代替，优选的桥式直流变换器可由半桥电路代替。图5、图6、图9、图10中电池和/或电源也可以包括如电容、电感等其他储能器件和/或整流器和/或隔离变压器。

带有隔离变压器的电路有反激式、正激式、推免式、半桥式、全桥式等多种多样，如双向正激式转换器(forward converter)和桥式直流变换器的拓扑结构示意图如图10所示，此电路中的正激式转换器与桥式直流变换器的位置摆放关系如图4（a）-（c）所示，图中电力电子变换器部分电路可以包含图10实线框所示部分（全桥）或者虚线框所示部分（双向正激式转换器电路的副边，但不包括变压器绕阻）。

在前述实施例中，根据情况可选择在图4、图7、图11低温线圈和电力电子变换器中部分电路或有变压器的电力电子变换器中部分电路1中连接的较大电流电流引线处和/或超导闭合线圈闭合处（如图4（d）虚线处）多加一个低温电感用于控制励磁和/或去磁电流的纹波波动，低温电感优选为超导线圈。

在本发明的前述实施例中，本发明所述的具有低温线圈的能量转换装置还包括释能保护模块，释能保护模块可由正反并联的二极管对和/或电阻构成，连接于内部能量模块（低温线圈和/或超导线圈）的两端，用于释放能量、保护低温线圈和/或持续电流开关等。

在本发明的另一个实施例中，如图16所示，低温电力电子变换器可以输出直流配合带有铁芯的电磁铁提供的外加交变磁场相互作用，在超导线圈闭合处产生动态电阻，进行磁控励磁（磁通泵），相对于现有的低频整流型磁通泵重量更轻、能量泵入更快、控制更简单。和现有技术相比，本发明所述的具有低温线圈的能量转换装置能带来的优点和有益效果主要包括：

（1）相较于现有技术1低温线圈开环励磁技术，如果低温线圈开环运行，本发明励磁时电流引线上的发热量大为减少，因此制冷机所需功率变小，低温线圈系统整体重量大为减轻。本发明由于解决了电流引线上漏热较大的问题，使得原本超导线圈只能闭环运行的场合可以使用开环运行，开环运行可以让高温超导材料（如REBCO等）绕制的线圈更易进行快速释能。同时，相较于现有技术2和现有技术3超导线圈闭环励磁技术，避免了对超低阻或无阻接头的依赖。超导线圈开环运行较闭环运行可以获得更高的运行电流，这就意味着相同情况下超导线圈产生相同磁感应强度所需要的超导材料更少，减少了线圈系统的材料成本或在相同超导材料用量的情况下，提高运行温度，使得超导线圈系统获得更多的冷却功率。

（2）相较于现有技术1低温线圈开环励磁技术和现有技术2超导线圈闭环励磁技术，由于本发明在线圈励磁的时候电流引线上的发热功率低，如为现有技术2，励磁时带有电力电子变换器的电流引线可以避免或减少在连接处的接口接触热阻产生的热功率，因此可以在相同励磁条件下获得更低的温度，进而获得更高的电流裕度或更高的励磁电流。

（3）相较于现有技术2超导线圈闭环励磁技术，如果超导线圈闭环运行，本发明可使热控超导持续电流开关励磁时电流引线上的总发热量降低。超导持续电流开关可以选用由热控开关变为流控开关，较大程度上简化了闭合线圈的内部结构和省去了一些外部配套设备（如温控仪等）。或可以热控配合流控开关使用，降低开关处形成热岛的风险。

（4）相较于现有技术3超导线圈闭环励磁技术，本发明中的电力电子变换器可以输出直流配合带有铁芯的电磁铁提供的外加交变磁场相互作用，在线圈闭合处产生动态电阻，进行磁控励磁（磁通泵），相对于低频整流型磁通泵重量更轻、能量泵入更快、控制更简单。

（5）相较于现有技术3超导线圈闭环励磁技术，本发明中的电力电子变换器可以做到对超导线圈更快的励磁速度和/或更方便的能量回馈。

（6）相较于现有技术2和3超导线圈闭环励磁技术，本发明可用于低温线圈开环运行，此时，不仅限于超导线圈，同时适用于其他良导体低温线圈。

综上，本发明中低温线圈能量馈送单或双向转换装置鲁棒性强；漏热少；充放电快慢均可；功率密度高；能量回馈方便并且由于制冷系统功率可以变小很多，如冷头和压缩机，低温线圈系统重量大为减轻。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。