超級電容電源緊急升弓設(shè)計(jì)方法

林月

摘 要：為解決現(xiàn)有受電弓應(yīng)急升弓電源適用機(jī)型單一、剩余電量無法監(jiān)測、使用壽命短、充電速度慢、安全性低等導(dǎo)致資源浪費(fèi)的問題，本文提供一種電源設(shè)計(jì)方法，采用超強(qiáng)電容作為儲(chǔ)能元件，以DSP為控制核心，以PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。利用合理的控制策略實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定提供電能，使其具有較好的動(dòng)態(tài)特性，保證受電弓的升弓需求。

關(guān)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(fā)展，動(dòng)車組行業(yè)相應(yīng)的輔助設(shè)備也發(fā)展迅速，現(xiàn)在國內(nèi)已有公司研發(fā)了一款蓄電池應(yīng)急啟動(dòng)電源，在動(dòng)車組車載蓄電池虧空的情況下，作為受電弓升弓應(yīng)急啟動(dòng)電源[1]。工作狀態(tài)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(jìn)行連續(xù)放電10小時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，受電弓應(yīng)急升弓裝置需要長時(shí)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(xiàn)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(shí)與對應(yīng)容量減少量的關(guān)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(shí)，其容量會(huì)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(guān)，其剩余容量很難通過測量蓄電池的端點(diǎn)壓進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，而作為應(yīng)急起動(dòng)電源的蓄電池對其容量的檢測又是一個(gè)不小的難題。

而超級電容器的電荷量Q與電壓U構(gòu)成簡單的函數(shù)：

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(zhǔn)確的判斷。

1 電源整體設(shè)計(jì)思路

這款電源是一款采用超級電容作為系統(tǒng)電源和DSP28335作為控制核心的受電弓應(yīng)急升弓裝置，超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，可以實(shí)時(shí)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(dāng)不滿足時(shí)，接通充電回路進(jìn)行充電，直到電量符合要求為止，該裝置具有啟動(dòng)、停止功能、超級電容組電壓、工作電流、運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流限值報(bào)警和過流、短路、欠壓等保護(hù)功能。在電源運(yùn)行過程中，運(yùn)行時(shí)間、電流電壓參數(shù)、故障信息等都會(huì)被自動(dòng)記錄下來。控制系統(tǒng)應(yīng)用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)以MOS功率管和主控芯片、觸摸屏等主要部件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對空氣壓縮機(jī)直流電機(jī)全壓啟動(dòng)或軟啟動(dòng)[3]。該裝置采用便攜式設(shè)計(jì)，備用在車上，使用方便快捷。系統(tǒng)框圖如圖3所示：

2 充電方式設(shè)計(jì)

采用恒定電流轉(zhuǎn)為恒定電壓的充電模式進(jìn)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(shí)間。在允許的最大充電電流范圍內(nèi)充電，充電電流越大，充電時(shí)間越短。但如果在充電后期仍保持充電電流大小不變，就會(huì)造成電解液析出過多的氣泡而呈現(xiàn)沸騰狀態(tài)，既浪費(fèi)電能，又容易使蓄電池產(chǎn)生過高的溫升，從而導(dǎo)致蓄電池的蓄電量下降而提前報(bào)廢。因此，當(dāng)充電電壓達(dá)到額定電壓的80%時(shí)，就轉(zhuǎn)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(shè)定的參數(shù)包括：恒定電流停止電壓，恒定電流充電狀態(tài)寄存器，恒定電壓充電狀態(tài)寄存器，充電機(jī)充電狀態(tài)寄存器。

工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是：比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，它的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一[4]，由于本課題對精度要求不高，可采用PI調(diào)節(jié)器。控制流程圖如圖4所示：

3 超級電容選型

受電弓應(yīng)急升弓裝置的技術(shù)參數(shù)如下：

標(biāo)稱電壓：DC100V；

標(biāo)稱容量：10Ah；

持續(xù)工作電流：20A；

最大電流：50A

工作電壓：109.2V-78V；

放電保護(hù)截止電壓：78V；

工作時(shí)間：t≤12min。

假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中串聯(lián)有m只超級電容，并聯(lián)有n組超級電容；則儲(chǔ)能系統(tǒng)的端電壓為，放電電流為，超級電容組系統(tǒng)放電功率設(shè)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(tǒng)的來表示：

對于實(shí)際應(yīng)用來說，功率和儲(chǔ)能都有特定的要求，系統(tǒng)的成本、體積、質(zhì)量和可靠性都必須考慮到需要多少個(gè)超級電容串并聯(lián)才能滿足要求。儲(chǔ)能陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tǒng)儲(chǔ)存的總能量考慮，忽略超級電容器內(nèi)部等效串聯(lián)內(nèi)阻的影響，假設(shè)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(nèi)變化），放電電流為ic，超級電容的額定容量為CF，其有效的儲(chǔ)能WC可以表示為：

假設(shè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能量為W，可知整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)串并聯(lián)組合規(guī)律，端電壓為mUC，整個(gè)系統(tǒng)的等效電容值為，則總儲(chǔ)能量可表示為：

由上式可計(jì)算的所需超級電容的個(gè)數(shù)

由受電弓應(yīng)急升弓裝置輸出參數(shù)可知，系統(tǒng)所需儲(chǔ)能量W為：

選取2.7V 3000F的超級電容，需要的超級電容個(gè)數(shù)為：

如果考慮到系統(tǒng)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種理想平衡條件，原則上是將負(fù)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(lián)內(nèi)阻上。

在超級電容器組和負(fù)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(wěn)定的電壓，假設(shè)采用恒功率方式放電，系統(tǒng)最大輸出功率為Pmax，最長放電時(shí)間為t，即超級電容在t秒后停止放電，此時(shí)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(zhuǎn)換器的輸入電壓也達(dá)到了Umin的最低限定值，從而起到了作用。在系統(tǒng)輸出功率為Pmax的情況下，應(yīng)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(shí)刻電壓、電流的關(guān)系：

而在t秒時(shí)刻，超級電容實(shí)際內(nèi)部電壓關(guān)系表達(dá)式可為：

由超級電容儲(chǔ)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(jù)不等式關(guān)系當(dāng)Umin與等效串聯(lián)內(nèi)阻上的壓降相等時(shí)，UC（t）有最小值。

這種情況下，單體超級電容器最大有效儲(chǔ)能量為：

將一個(gè)超級電容器與一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器之間的效率設(shè)定為η，則這個(gè)效率與單體超級電容器之間最大有效的能量儲(chǔ)存和功率輸出關(guān)系表達(dá)為：

根據(jù)功率約束法得到設(shè)計(jì)中超級電容器數(shù)量的表達(dá)式：

由公式

如果考慮到系統(tǒng)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(shù)要求如下：

取n=5則N=m×n=40×5=200

4 總結(jié)語

針對以上問題本裝置選取荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單函數(shù)的超級電容作為儲(chǔ)能器件，在動(dòng)車組啟動(dòng)后對其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)其電壓不滿足要求時(shí)，接通充電回路，對其進(jìn)行充電，這樣就可減少大量的人力與物力資源，并且能夠準(zhǔn)確保證應(yīng)急升弓裝置的正常工作。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]純電動(dòng)汽車蓄電池-超級電容復(fù)合能源系統(tǒng)研究[J]. 張衛(wèi)，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(huán)控制策略[D].東北石油大學(xué)，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(diào)節(jié)的交流電力機(jī)車斬波控制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2019，53（05）：31-34.