超級電容用于地鐵應(yīng)急牽引的分析

馬迎春 王藝男

摘 要：當列車處于應(yīng)急牽引狀態(tài)，地鐵車輛牽引系統(tǒng)就需要超級電容供電?；诖耍疚姆治隽顺夒娙菰诘罔F應(yīng)急牽引中的應(yīng)用，從地鐵應(yīng)急牽引技術(shù)參數(shù)、超級電容工作原理、散熱分析等方面進行了分析。

關(guān)鍵詞：超級電容;地鐵;應(yīng)急牽引

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.056

1 地鐵應(yīng)急牽引技術(shù)參數(shù)分析

探析列車應(yīng)急牽引的主要技術(shù)參數(shù)，應(yīng)包括DC90V的應(yīng)急牽引最小電壓、500A的應(yīng)急牽引最大電流、1.1515kWh的應(yīng)急牽引能耗、0-4km·h-1的應(yīng)急牽引運行速度。探析列車編組，即為-Tc+Mp+M=M+Mp+Tc-。在牽引時，由于動車是兩個B車，即2M4T，就需要設(shè)置兩組超級電容，分別為兩個動車供電，以保證列車在應(yīng)急牽引狀態(tài)中的穩(wěn)定運行。

2 超級電容工作原理分析

2.1 單體選型

在特殊緊急情況下，列車若進行應(yīng)急牽引，對相應(yīng)的能耗值也有所要求。由此，為保證列車在應(yīng)急牽引狀態(tài)中的穩(wěn)定運行，應(yīng)選擇技術(shù)成熟度高、可批量生產(chǎn)、各類容量配置齊全的超級電容器。經(jīng)過超級電容器市場的調(diào)查研究，可知相較于其他超級電容器，7500F超級電容器，亦可簡稱為電容單體，具有顯著的優(yōu)勢，具象體現(xiàn)于儲能密度、放電強度等方面[1]。在地鐵應(yīng)急牽引中，若采用7500F電容器，就應(yīng)明確該電容器相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。簡而言之，探析7500F電容器的主要技術(shù)參數(shù)，應(yīng)包括7500F的額定容量、2.7V的額定電壓、2.85V的浪涌電壓、0%-5%的電容方差、≤0.15mΩ的直流內(nèi)阻、≤15mA的漏電流、6000A的短路電流、450A的最大持續(xù)電流、≤1.3kg的質(zhì)量、79mm×56mm×231mm的外形尺寸等。

2.2 容量計算

探析列車在應(yīng)急牽引狀態(tài)中的技術(shù)參數(shù)，應(yīng)考慮列車運行能耗、超級電容能耗、應(yīng)急牽引電流、超級電容供電方式等方面的技術(shù)參數(shù)。具體而言，在應(yīng)急牽引狀態(tài)中，若列車運行100m，相應(yīng)能耗即為1.1515kWh，由此可知每個超級電容的能耗，即為0.758kWh。在應(yīng)急牽引狀態(tài)中，由于列車應(yīng)急牽引的最大電流值為500A，就需要探析超級電容的供電方式。簡而言之，為保證超級電容特性的充分發(fā)揮，相應(yīng)供電方式可選擇電容單體2并的方式。依據(jù)超級電容尺寸、數(shù)量等數(shù)據(jù)，可將之劃分為電容模組，每個模組應(yīng)包含16個電容單體，并同時采用2并8串的供電方式。依據(jù)上述參數(shù)，可分別計算2并8串模組的電壓約為21V，其容量為1875F。假設(shè)2并8串模組的數(shù)量為n，依據(jù)公式，可得n約為14，其最高電壓為294V，其容量為134F。依據(jù)1個超級電容箱能耗為0.75kWh，經(jīng)過計算可知超級電容的最大電壓應(yīng)為294V，其最低電壓應(yīng)為90V，其容量應(yīng)為134F。如此，對于1個超級電容箱而言，其組成應(yīng)包括2并112串共計2247個電容單體。

2.3 結(jié)構(gòu)及充電分析

依據(jù)電容單體外形尺寸，可計算電容模組的外形尺寸。在電氣連接層面，超級電容箱的控制單元、接線端子及銅排應(yīng)與外部相連，且箱體內(nèi)應(yīng)均勻安裝散熱風(fēng)扇，并于箱體側(cè)板設(shè)置進風(fēng)口。依托電源管理系統(tǒng)，即為CMS，不僅可對超級電容進行控制檢測、故障信息發(fā)送及存儲，還可實現(xiàn)超級電容與調(diào)試上位機、車輛等的通信。探析超級電容的充電方式，可分為手動及自動充電方式，均需依托配套充電機進行。對于超級電容充電控制，應(yīng)通過電源管理系統(tǒng)，即CMS實現(xiàn)。簡而言之，若超級電容的電壓低于設(shè)定值，該系統(tǒng)就會自動報警，做出超級電容電壓過低的提示。

3 散熱分析

3.1 電容模組溫升分析

在電容模組工作中，模組會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，其發(fā)熱原因應(yīng)從電容內(nèi)阻消耗產(chǎn)生熱量、接觸電阻產(chǎn)生熱量、銅排電阻產(chǎn)生熱量等方面分析。對于電容單體而言，其使用壽命會受到溫度的影響。故而，探析電容模組的溫升，其重點應(yīng)在于電容單體的溫升。當列車處于應(yīng)急牽引狀態(tài)，經(jīng)過超級電容發(fā)熱功率的估算，可知主要發(fā)熱因素為電容單體內(nèi)阻。故而，在散熱分析中，應(yīng)為超級電容提供冷卻風(fēng)使其溫升不超過13K，且單體表面溫度應(yīng)保持在40℃左右。在實際情況下，由于電容模組工作屬于周期循環(huán)工作，且具有大電流放電、小電流充電的工作特性，應(yīng)配備通風(fēng)散熱措施，使接觸面溫升始終小于7K，并保證連接銅排的科學(xué)設(shè)計。

3.2 超級電容散熱分析

經(jīng)過仿真分析，并計算超級電容總發(fā)熱功率，就可確定電容模塊工作時的高溫度近似值。當列車處于應(yīng)急牽引狀態(tài)中，依托超級電容單體初始內(nèi)阻、電路電流通路部分內(nèi)阻、銅排與單體正負極接線柱的接觸內(nèi)阻等方面的統(tǒng)計及計算，就可得出112串2并電容模組的總內(nèi)阻值，即為10.6176mΩ。當列車處于應(yīng)急牽引狀態(tài)中，依托放電電流情況，并假設(shè)充電時間及充電電流，可考慮超級電容電流在放電情況下的散熱。同時，依托超級電容放電時間、其間列車運行距離及最大速度，可計算內(nèi)阻在一個放電及充電周期的平均發(fā)熱功率，即分別約為546W、17W。運用DC/DC轉(zhuǎn)換均衡法及電阻均衡法，可對放電發(fā)熱功率進行估算，其估算值約為220W。隨之，對于采樣電路及主控制電路，可統(tǒng)計相應(yīng)的消耗功率，約為60W。如此，電路的總發(fā)熱功率即為280W。經(jīng)過以上分析，當列車在應(yīng)急牽引狀態(tài)中，其超級電容處于放電狀態(tài)，總的平均發(fā)熱功率應(yīng)為826W。由此，對于超級電容，其散熱方式可選擇強迫風(fēng)冷方式，以帶走超級電容單體表面的熱量，并在電容模組內(nèi)設(shè)置絕緣隔離件，以形成通風(fēng)縫隙。

4 結(jié)論

綜上所述，為保證地鐵的安全運行，相關(guān)人員應(yīng)在地鐵應(yīng)急牽引仿真及實驗過程中探究超級電容的應(yīng)用舉措。經(jīng)過以上分析可得，立足于列車應(yīng)急牽引的主要技術(shù)參數(shù)，應(yīng)選擇儲能密度、放電強度的超級電容器，并探析超級電容的供電方式，以保證電容模組構(gòu)成的科學(xué)性，并明確超級電容箱的結(jié)構(gòu)及充電控制方式;應(yīng)計算超級電容在放電狀態(tài)中總的平均發(fā)熱功率，并合理設(shè)置散熱方式、絕緣隔離件、通風(fēng)口位置。

參考文獻：

[1]王虎高，屈海洋，陳中杰.儲能電源應(yīng)用于地鐵車輛應(yīng)急牽引的設(shè)計研究[J].電力機車與城軌車輛，2016，39（01）：50-53.