超級電容用于地鐵應急牽引的分析

馬迎春 王藝男

摘 要：當列車處于應急牽引狀態，地鐵車輛牽引系統就需要超級電容供電?；诖?，本文分析了超級電容在地鐵應急牽引中的應用，從地鐵應急牽引技術參數、超級電容工作原理、散熱分析等方面進行了分析。

關鍵詞：超級電容;地鐵;應急牽引

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

1 地鐵應急牽引技術參數分析

探析列車應急牽引的主要技術參數，應包括DC90V的應急牽引最小電壓、500A的應急牽引最大電流、1.1515kWh的應急牽引能耗、0-4km·h-1的應急牽引運行速度。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，就需要設置兩組超級電容，分別為兩個動車供電，以保證列車在應急牽引狀態中的穩定運行。

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，列車若進行應急牽引，對相應的能耗值也有所要求。由此，為保證列車在應急牽引狀態中的穩定運行，應選擇技術成熟度高、可批量生產、各類容量配置齊全的超級電容器。經過超級電容器市場的調查研究，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，具有顯著的優勢，具象體現于儲能密度、放電強度等方面[1]。在地鐵應急牽引中，若采用7500F電容器，就應明確該電容器相應的技術參數。簡而言之，探析7500F電容器的主要技術參數，應包括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的直流內阻、≤15mA的漏電流、6000A的短路電流、450A的最大持續電流、≤1.3kg的質量、79mm×56mm×231mm的外形尺寸等。

2.2 容量計算

探析列車在應急牽引狀態中的技術參數，應考慮列車運行能耗、超級電容能耗、應急牽引電流、超級電容供電方式等方面的技術參數。具體而言，在應急牽引狀態中，若列車運行100m，相應能耗即為1.1515kWh，由此可知每個超級電容的能耗，即為0.758kWh。在應急牽引狀態中，由于列車應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揮，相應供電方式可選擇電容單體2并的方式。依據超級電容尺寸、數量等數據，可將之劃分為電容模組，每個模組應包含16個電容單體，并同時采用2并8串的供電方式。依據上述參數，可分別計算2并8串模組的電壓約為21V，其容量為1875F。假設2并8串模組的數量為n，依據公式，可得n約為14，其最高電壓為294V，其容量為134F。依據1個超級電容箱能耗為0.75kWh，經過計算可知超級電容的最大電壓應為294V，其最低電壓應為90V，其容量應為134F。如此，對于1個超級電容箱而言，其組成應包括2并112串共計2247個電容單體。

2.3 結構及充電分析

依據電容單體外形尺寸，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、接線端子及銅排應與外部相連，且箱體內應均勻安裝散熱風扇，并于箱體側板設置進風口。依托電源管理系統，即為CMS，不僅可對超級電容進行控制檢測、故障信息發送及存儲，還可實現超級電容與調試上位機、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，應通過電源管理系統，即CMS實現。簡而言之，若超級電容的電壓低于設定值，該系統就會自動報警，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，模組會產生發熱現象，其發熱原因應從電容內阻消耗產生熱量、接觸電阻產生熱量、銅排電阻產生熱量等方面分析。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，其重點應在于電容單體的溫升。當列車處于應急牽引狀態，經過超級電容發熱功率的估算，可知主要發熱因素為電容單體內阻。故而，在散熱分析中，應為超級電容提供冷卻風使其溫升不超過13K，且單體表面溫度應保持在40℃左右。在實際情況下，由于電容模組工作屬于周期循環工作，且具有大電流放電、小電流充電的工作特性，應配備通風散熱措施，使接觸面溫升始終小于7K，并保證連接銅排的科學設計。

3.2 超級電容散熱分析

經過仿真分析，并計算超級電容總發熱功率，就可確定電容模塊工作時的高溫度近似值。當列車處于應急牽引狀態中，依托超級電容單體初始內阻、電路電流通路部分內阻、銅排與單體正負極接線柱的接觸內阻等方面的統計及計算，就可得出112串2并電容模組的總內阻值，即為10.6176mΩ。當列車處于應急牽引狀態中，依托放電電流情況，并假設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，可計算內阻在一個放電及充電周期的平均發熱功率，即分別約為546W、17W。運用DC/DC轉換均衡法及電阻均衡法，可對放電發熱功率進行估算，其估算值約為220W。隨之，對于采樣電路及主控制電路，可統計相應的消耗功率，約為60W。如此，電路的總發熱功率即為280W。經過以上分析，當列車在應急牽引狀態中，其超級電容處于放電狀態，總的平均發熱功率應為826W。由此，對于超級電容，其散熱方式可選擇強迫風冷方式，以帶走超級電容單體表面的熱量，并在電容模組內設置絕緣隔離件，以形成通風縫隙。

4 結論

綜上所述，為保證地鐵的安全運行，相關人員應在地鐵應急牽引仿真及實驗過程中探究超級電容的應用舉措。經過以上分析可得，立足于列車應急牽引的主要技術參數，應選擇儲能密度、放電強度的超級電容器，并探析超級電容的供電方式，以保證電容模組構成的科學性，并明確超級電容箱的結構及充電控制方式;應計算超級電容在放電狀態中總的平均發熱功率，并合理設置散熱方式、絕緣隔離件、通風口位置。

參考文獻：

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