超级电容用于地铁应急牵引的分析

马迎春 王艺男

摘 要：当列车处于应急牵引状态，地铁车辆牵引系统就需要超级电容供电。基于此，本文分析了超级电容在地铁应急牵引中的应用，从地铁应急牵引技术参数、超级电容工作原理、散热分析等方面进行了分析。

关键词：超级电容;地铁;应急牵引

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

1 地铁应急牵引技术参数分析

探析列车应急牵引的主要技术参数，应包括DC90V的应急牵引最小电压、500A的应急牵引最大电流、1.1515kWh的应急牵引能耗、0-4km·h-1的应急牵引运行速度。探析列车编组，即为-Tc+Mp+M=M+Mp+Tc-。在牵引时，由于动车是两个B车，即2M4T，就需要设置两组超级电容，分别为两个动车供电，以保证列车在应急牵引状态中的稳定运行。

2 超级电容工作原理分析

2.1 单体选型

在特殊紧急情况下，列车若进行应急牵引，对相应的能耗值也有所要求。由此，为保证列车在应急牵引状态中的稳定运行，应选择技术成熟度高、可批量生产、各类容量配置齐全的超级电容器。经过超级电容器市场的调查研究，可知相较于其他超级电容器，7500F超级电容器，亦可简称为电容单体，具有显著的优势，具象体现于储能密度、放电强度等方面[1]。在地铁应急牵引中，若采用7500F电容器，就应明确该电容器相应的技术参数。简而言之，探析7500F電容器的主要技术参数，应包括7500F的额定容量、2.7V的额定电压、2.85V的浪涌电压、0%-5%的电容方差、≤0.15mΩ的直流内阻、≤15mA的漏电流、6000A的短路电流、450A的最大持续电流、≤1.3kg的质量、79mm×56mm×231mm的外形尺寸等。

2.2 容量计算

探析列车在应急牵引状态中的技术参数，应考虑列车运行能耗、超级电容能耗、应急牵引电流、超级电容供电方式等方面的技术参数。具体而言，在应急牵引状态中，若列车运行100m，相应能耗即为1.1515kWh，由此可知每个超级电容的能耗，即为0.758kWh。在应急牵引状态中，由于列车应急牵引的最大电流值为500A，就需要探析超级电容的供电方式。简而言之，为保证超级电容特性的充分发挥，相应供电方式可选择电容单体2并的方式。依据超级电容尺寸、数量等数据，可将之划分为电容模组，每个模组应包含16个电容单体，并同时采用2并8串的供电方式。依据上述参数，可分别计算2并8串模组的电压约为21V，其容量为1875F。假设2并8串模组的数量为n，依据公式，可得n约为14，其最高电压为294V，其容量为134F。依据1个超级电容箱能耗为0.75kWh，经过计算可知超级电容的最大电压应为294V，其最低电压应为90V，其容量应为134F。如此，对于1个超级电容箱而言，其组成应包括2并112串共计2247个电容单体。

2.3 结构及充电分析

依据电容单体外形尺寸，可计算电容模组的外形尺寸。在电气连接层面，超级电容箱的控制单元、接线端子及铜排应与外部相连，且箱体内应均匀安装散热风扇，并于箱体侧板设置进风口。依托电源管理系统，即为CMS，不仅可对超级电容进行控制检测、故障信息发送及存储，还可实现超级电容与调试上位机、车辆等的通信。探析超级电容的充电方式，可分为手动及自动充电方式，均需依托配套充电机进行。对于超级电容充电控制，应通过电源管理系统，即CMS实现。简而言之，若超级电容的电压低于设定值，该系统就会自动报警，做出超级电容电压过低的提示。

3 散热分析

3.1 电容模组温升分析

在电容模组工作中，模组会产生发热现象，其发热原因应从电容内阻消耗产生热量、接触电阻产生热量、铜排电阻产生热量等方面分析。对于电容单体而言，其使用寿命会受到温度的影响。故而，探析电容模组的温升，其重点应在于电容单体的温升。当列车处于应急牵引状态，经过超级电容发热功率的估算，可知主要发热因素为电容单体内阻。故而，在散热分析中，应为超级电容提供冷却风使其温升不超过13K，且单体表面温度应保持在40℃左右。在实际情况下，由于电容模组工作属于周期循环工作，且具有大电流放电、小电流充电的工作特性，应配备通风散热措施，使接触面温升始终小于7K，并保证连接铜排的科学设计。

3.2 超级电容散热分析

经过仿真分析，并计算超级电容总发热功率，就可确定电容模块工作时的高温度近似值。当列车处于应急牵引状态中，依托超级电容单体初始内阻、电路电流通路部分内阻、铜排与单体正负极接线柱的接触内阻等方面的统计及计算，就可得出112串2并电容模组的总内阻值，即为10.6176mΩ。当列车处于应急牵引状态中，依托放电电流情况，并假设充电时间及充电电流，可考虑超级电容电流在放电情况下的散热。同时，依托超级电容放电时间、其间列车运行距离及最大速度，可计算内阻在一个放电及充电周期的平均发热功率，即分别约为546W、17W。运用DC/DC转换均衡法及电阻均衡法，可对放电发热功率进行估算，其估算值约为220W。随之，对于采样电路及主控制电路，可统计相应的消耗功率，约为60W。如此，电路的总发热功率即为280W。经过以上分析，当列车在应急牵引状态中，其超级电容处于放电状态，总的平均发热功率应为826W。由此，对于超级电容，其散热方式可选择强迫风冷方式，以带走超级电容单体表面的热量，并在电容模组内设置绝缘隔离件，以形成通风缝隙。

4 结论

综上所述，为保证地铁的安全运行，相关人员应在地铁应急牵引仿真及实验过程中探究超级电容的应用举措。经过以上分析可得，立足于列车应急牵引的主要技术参数，应选择储能密度、放电强度的超级电容器，并探析超级电容的供电方式，以保证电容模组构成的科学性，并明确超级电容箱的结构及充电控制方式;应计算超级电容在放电状态中总的平均发热功率，并合理设置散热方式、绝缘隔离件、通风口位置。

参考文献：

[1]王虎高，屈海洋，陈中杰.储能电源应用于地铁车辆应急牵引的设计研究[J].电力机车与城轨车辆，2016，39（01）：50-53.