超級電容電源緊急升弓設計方法

林月

摘 要：為解決現有受電弓應急升弓電源適用機型單一、剩余電量無法監測、使用壽命短、充電速度慢、安全性低等導致資源浪費的問題，本文提供一種電源設計方法，采用超強電容作為儲能元件，以DSP為控制核心，以PI調節器進行輔助調節。利用合理的控制策略實現穩定提供電能，使其具有較好的動態特性，保證受電弓的升弓需求。

關鍵詞：受電弓 超級電容 DSP PI

Design Method of Emergency Pantograph Raising for Super Capacitor Power Supply

Lin Yue

Abstract：In order to solve the problem of resource waste caused by the single applicable model of the existing emergency pantograph raising power supply， the inability to monitor the residual power， short service life， slow charging speed， and low safety， this paper provides a power supply design method， which uses super capacitors as energy storage elements， DSP as the control core， and PI regulators as auxiliary regulators. Reasonable control strategy is used to achieve stable power supply， which makes it have better dynamic characteristics and ensure the demand of pantograph raising.

Key words：pantograph; super capacitors; DSP;PI

近些年，隨著中國鐵路的迅猛發展，動車組行業相應的輔助設備也發展迅速，現在國內已有公司研發了一款蓄電池應急啟動電源，在動車組車載蓄電池虧空的情況下，作為受電弓升弓應急啟動電源[1]。工作狀態良好的蓄電池（單體2.2V），其端電壓在蓄電池放電過程中其端電壓不是線性變化的，如圖1所示是進行連續放電10小時的電流的放電特性曲線，由圖可知在蓄電池放電過程中其端電壓不是線性變化的。

在實際應用中，受電弓應急升弓裝置需要長時間放置，必須要始終保持蓄電池容量充足，由于蓄電池存在自放電現象，需要定期檢查蓄電池容量是否滿足需求，蓄電池在其端電壓降低時與對應容量減少量的關系圖如圖2所示，分析此圖可知，在蓄電池端電壓減小量很小時，其容量會大幅度減少[2]。圖中b-c段：電壓從2.2V降到1.9V，其容量從100%降到70%左右；a-b段：電壓從1.9V降到1.7V，其容量從70%左右降低到5%左右。由于蓄電池的剩余容量與多種因素有關，其剩余容量很難通過測量蓄電池的端點壓進行準確判斷，而作為應急起動電源的蓄電池對其容量的檢測又是一個不小的難題。

而超級電容器的電荷量Q與電壓U構成簡單的函數：

由公式可知，超級電容的端電壓與電荷量成正比，其剩余的電荷量可以通過對超級電容的端電壓的檢測而得到準確的判斷。

1 電源整體設計思路

這款電源是一款采用超級電容作為系統電源和DSP28335作為控制核心的受電弓應急升弓裝置，超級電容器的荷電狀態（SOC）與電壓構成簡單的函數，可以實時檢測其端電壓，判斷超級電容組的電量是否能夠滿足升弓需求，當不滿足時，接通充電回路進行充電，直到電量符合要求為止，該裝置具有啟動、停止功能、超級電容組電壓、工作電流、運行時間、電壓、電流限值報警和過流、短路、欠壓等保護功能。在電源運行過程中，運行時間、電流電壓參數、故障信息等都會被自動記錄下來。控制系統應用PWM脈寬調制技術以MOS功率管和主控芯片、觸摸屏等主要部件構成，實現對空氣壓縮機直流電機全壓啟動或軟啟動[3]。該裝置采用便攜式設計，備用在車上，使用方便快捷。系統框圖如圖3所示：

2 充電方式設計

采用恒定電流轉為恒定電壓的充電模式進行充電。充電過程中始終保持充電電流不變的方式稱為恒定電流充電方式，這種方式可以縮短電池的充電時間。在允許的最大充電電流范圍內充電，充電電流越大，充電時間越短。但如果在充電后期仍保持充電電流大小不變，就會造成電解液析出過多的氣泡而呈現沸騰狀態，既浪費電能，又容易使蓄電池產生過高的溫升，從而導致蓄電池的蓄電量下降而提前報廢。因此，當充電電壓達到額定電壓的80%時，就轉換為恒壓充電，直至將電源充滿為止。

控制過程如圖4所示，需要在程序中設定的參數包括：恒定電流停止電壓，恒定電流充電狀態寄存器，恒定電壓充電狀態寄存器，充電機充電狀態寄存器。

工程實際中，應用最廣泛的調節器控制規律是：比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節，它的結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，成為工業控制的主要技術之一[4]，由于本課題對精度要求不高，可采用PI調節器。控制流程圖如圖4所示：

3 超級電容選型

受電弓應急升弓裝置的技術參數如下：

標稱電壓：DC100V；

標稱容量：10Ah；

持續工作電流：20A；

最大電流：50A

工作電壓：109.2V-78V；

放電保護截止電壓：78V；

工作時間：t≤12min。

假設儲能系統中串聯有m只超級電容，并聯有n組超級電容；則儲能系統的端電壓為，放電電流為，超級電容組系統放電功率設定為P0，單體超級電容放電功率為PC，單體超級電容的放電功率：

其放電功率P0可以用超級電容器組系統的來表示：

對于實際應用來說，功率和儲能都有特定的要求，系統的成本、體積、質量和可靠性都必須考慮到需要多少個超級電容串并聯才能滿足要求。儲能陣列的優化設計一般有兩種，一種是能量束縛法，另一種是功率束縛法（PowerControl）。

（1）能量約束法

能量約束法，即從系統儲存的總能量考慮，忽略超級電容器內部等效串聯內阻的影響，假設超級電容單體額定工作電壓為UC，工作電壓的下限值為Umin（超級電容的端電壓一般在最大電壓50%～100%的范圍內變化），放電電流為ic，超級電容的額定容量為CF，其有效的儲能WC可以表示為：

假設系統的儲能量為W，可知整個系統根據串并聯組合規律，端電壓為mUC，整個系統的等效電容值為，則總儲能量可表示為：

由上式可計算的所需超級電容的個數

由受電弓應急升弓裝置輸出參數可知，系統所需儲能量W為：

選取2.7V 3000F的超級電容，需要的超級電容個數為：

如果考慮到系統電壓要求，最高電壓為110V，額定電壓為100V，單體2.7V的超級電容，使其最高電壓為2.5V，以保證安全

（2）功率約束法

功率約束法是利用功率守恒法進行優化設計的一種理想平衡條件，原則上是將負載所需功率與超級電容器組放電功率的相等減去功率消耗在等效串聯內阻上。

在超級電容器組和負載之間配置了功率變換電路，可以使超級電容組在放電過程中輸出穩定的電壓，假設采用恒功率方式放電，系統最大輸出功率為Pmax，最長放電時間為t，即超級電容在t秒后停止放電，此時超級電容組的端電壓降為限定值mUC（t），超級電容組的輸出電流為niC（t），功率轉換器的輸入電壓也達到了Umin的最低限定值，從而起到了作用。在系統輸出功率為Pmax的情況下，應該以單電容提供的PC來表示為：

由上式可知最大輸出功率與t秒時刻電壓、電流的關系：

而在t秒時刻，超級電容實際內部電壓關系表達式可為：

由超級電容儲能方程可知，超級電容放電截止電壓越低，其能量利用率就越高，根據不等式關系當Umin與等效串聯內阻上的壓降相等時，UC（t）有最小值。

這種情況下，單體超級電容器最大有效儲能量為：

將一個超級電容器與一個功率轉換器之間的效率設定為η，則這個效率與單體超級電容器之間最大有效的能量儲存和功率輸出關系表達為：

根據功率約束法得到設計中超級電容器數量的表達式：

由公式

如果考慮到系統電壓要求，選擇額定電壓為100V的超級電容組，其中單體電壓為2.7V，使其最高單體電壓為2.5V，才能保證安全。則參數要求如下：

取n=5則N=m×n=40×5=200

4 總結語

針對以上問題本裝置選取荷電狀態（SOC）與電壓構成簡單函數的超級電容作為儲能器件，在動車組啟動后對其狀態進行監測，當其電壓不滿足要求時，接通充電回路，對其進行充電，這樣就可減少大量的人力與物力資源，并且能夠準確保證應急升弓裝置的正常工作。

參考文獻：

[1]羅中才，柯少強. 一種應急升弓電源裝置[P]. 四川：CN205871760U，2017-01-11.

[2]純電動汽車蓄電池-超級電容復合能源系統研究[J]. 張衛，楊玨，張文明，馬飛.電測與儀表.2019（03）.

[3]張曉瑩. 三相電壓型PWM整流器的雙閉環控制策略[D].東北石油大學，2021.DOI：10.26995/d.cnki.gdqsc.2021.000284.

[4]牛劍博，李巖，于森林，王龍剛.基于PI調節的交流電力機車斬波控制策略研究[J].電力電子技術，2019，53（05）：31-34.