（机械电子工程专业论文）采用储能电容的机车柴油机启动系统仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路内燃机车柴油机的启动、公路车辆发动机的启动都是以蓄电池拖动 发动机来实现的。而蓄电池又很容易受到外界因素的影响参数变化，如内阻 增大，端电压降低，容量变小。在这种情况下，启动成功率很低，给人们造 成诸多不便。为了提高启动的成功率和启动系统的性能以及提高蓄电池的使 用寿命，人们直在寻找各种办法。 随着科技的进步，近年来出现了一种超大容量电容器。这利一新型的电子 器件有若比蓄电池高1 0 倍以上的功率密度和1 0 0 倍以上的充放电速率。本文 采用了超大容量电容器来提高柴油机启动系统性能。 本文对现有的机车柴油机启动系统应用超大容量电容器前后的性能进行 了研究和定量的分析。因为超大容量电容器在放电结束时端电压等于当时的 蓄电池端电压，所以还剩余很大一部分能量。为了充分利用这部分能量，我 们试图采用d c d c 变换器，将超火容量电容器贮存的能量经过升压变换后向 外输出。在此过程中找到了解决同类问题的一个有力的工具：s i m u l i n k 工具 箱晕的s j m p o w e r s y s t e m s 模块。 本文以东风4 型内燃机车为例，通过研究了机车车辆柴油机的启动原理、 过程，超大容量电容器在车辆柴油机启动中的作用和升压型d c d c 变换器的 工作原理及其在m a t l a b 里面的仿真模型，得出以下结论： 1 ) 在现有的内燃机车柴油机启动系统中应用超大容量电容器以后能极 大地提高系统的性能：可以提高启动时蓄电池的最低端电压；可以极 大地减小启动时蓄f 乜池的最大放电电流。从而可以有效地保护蓄电 池，延长蕈电池的使用寿命。 2 ) 使用超大容量电容后，明显地提高了系统的房动成功率。 3 ) 在现有的内燃机车启动系统中应用的超大容量电容器的最佳容量值 为6 0 f 。 4 ) 使用超大容量电容后，莆电池的容量与原先容量相比可以降低4 0 左右。 5 ) 使用了d c d c 变换器后超大容量电容器的放电效率由6 5 提高到 9 4 ，我们更大限度地利用了超大容量电容器内贮存的能量。蓄电池 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 组的最低端电压提高了1 2 5 ，碱小了蓄电池的负担，进少延长了 它的使用寿命。 关键词：柴a t l n , 启动超大容射l 乜容器i ) c d c 变换器仿真 西南交通大筝硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t t h es t a r t i n go ft h ed i e s e l e n g i n eo fl o c o m o t i v ei s d r i v e nb yt h es t o r a g e b a t t e r y - p o w e r c dm o t o r b u tt h ep a r a m e t e r so fs t o r a g eb a t t e r i e sa r ce a s i l ya f f e c t e d b ys u r r o u n d i n g s f o re x a m p l e ，t h er e s i s t a n c ew o u l dr i s e ，t h et e r m i n a lv o l t a g ea n d t h ec a p a c i t yo ft h es t o r a g eb a t t e r i e sw o u l dr e c e d e a sar e s u l t ，t h ed i e s e le n g i n eo f l o c o m o t i v ew o u l d n tb es t a r t e ds u c c e s s f u l l y e n g i n e e r sa r el o o k i n gf o rt h ew a yt o i n c r e a s et h es u c c e s sr a t eo ft h es t a r t i n go ft h ed i e s e le n g i n ea n dt h ew a yt o p r o l o n gt h el i f e o ft h es t o r a g eb a t t e r i e s a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t h es u p e rc a p a c i t o ri s p r o d u c e d t h i sn e w k i n do fe l e c t r o n i cc o m p o n e n th a so v e rt e nt i m e so fp o w e rd e n s i t ya n dm o r et h a na h u n d r e dt i m e so fc h a r g ea n dd i s c h a r g ev e l o c i t yt h a n s t o r a g eb a t t e r i e s i nt i f f s t h e s i s ，s u p e rc a p a c i t o ri su s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs t a r t i n go fr a i l w a y d i e s e l ，i h es t a r t i n gp r o c e s so ft h ed i e s e lw i t ha n dw i t h o u ts u p e rc a p a c i t o ri s d i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h es u p e rc a p a c i t o rp r e s e r v e dm u c he n e r g ya f t e rs t a r t i n g ， s ow eu s ed c d cc o n v e r t o rt oi n c r e a s et h eo u t p u tv o l t a g es ot h a tt om a k eb e s t u s eo ft h ee n e r g yr e s t o r e di nt h es u p e rc a p a c i t o r i nt h ec o u r s eo fs t u d y ，w ef o u n d ap o w e r f u lt o o lt os o l v et h es i m i l a rp r o b l e m ，t h em o d e lo fs i m p o w e r s y s t e m si n s i m u l i n kt o o l b o x t a k ed f 4l o c o m o t i v ef o re x a m p l e ，t h r o u g hs t u d y i n go ft h ep r i n c i p l ea n dt h e p r o c e s so fs t a r t i n go ft h ed i e s e l ，t h ef u n c t i o no fs u p e rc a p a c i t o ri nt h es t a r t i n g s y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo ft h ed c d cc o n v e y o ra n dt h es i m u l a t i o nm o d e li n m a t a l a b ，w ec o n c l u d e da sf o l l o w s f i r s t l y ，s t o r a g eb a t t e r i e scanb ep r o t e c t e de f f e c t i v e l y ，a n dt h es u c c e s s f u lr a t e o fs t a r t i n gcanb ei m p r o v e dg r e a t l ya f t e ru s i n g s u p e rc a p a c i t o r s e c o n d l y ，t h eb e s t c a p a c i t a n c eo ft h ec a p a c i t o ri n s t a r t i n gs y s t e m i s6 0 f a f t e r u s i n gi t ，t h e c a p a c i t a n c eo fs t o r a g eb a t t e r i e sc a nb er e d u c e db y4 0 t h i r d l y ，a f t e ru s i n g d c d cc o n v e r t o r ，t h ed i s c h a r g e de f f i c i e n c yo fs u p e rc a p a c i t o rg r o w sf r o m6 5 t o9 4 a n dw em a k eb e t t e ru s eo ft h es u p e rc a p a c i t o r t h ei o w e s tt e r m i n a i 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 v o l t a g eo f s t o r a g eb a t t e r i e si n c r e a s e d1 2 5 a n dt h i sp r o l o n g e di t sl i f e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n es l a r t in g ：s u p o rc a p a c it o f ：d ( d c ：s i m u a t , i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 问题的提出 第一章绪论 铁路内燃机车柴油机的启动、公路车辆发动机的启动都是以蓄电池拖动 来实现的，启动原理如图卜1 所示。 d f 4 内燃机车柴油机启动时是由启动发电机来拖动的。启动时，蓄电池 向启动电机供电。这些蔷电池电源主要是供应机车柴油机启动时用电，以及 柴油机停机时机车辅助用电( 指车内仪表照明、司机风扇、车体通风机等) 。 蓄电池组经过逆流装簧与启动发电机输出线相连接；当柴油机未运转、启动 发电机不发电时，机车的辅助用电由蔷电池组供应。但是，蓄电池存在着各 种各样的不足：高低温状态下很可能要会出现各种各样的故障，比如容量减 小、内阻增大：蓄电池组的维护工作量也很大，一个蓄电池失效往往导致别 的蒿电池发生连锁反应，以至整个蔷电池组报废，营电池寿命很短。如果蓄 电池由于种种原因失效或者参数变坏时内燃机车柴油机就很难启动成功。 汽车用的蓄电池除由以上不足外，因为受体积的限制，容量很小，更容 易出现故障：司机经验不足时，在宿动汽车时，不问断地使用启动机会导致 蓄电池因过度放电而损坏；人们停车时因为孝且心没有关摔照明灯，而使蓄电 池亏电严重电压降低、内阻升高；在冬天时，因气温降低，蓄电池参数变坏， 很难启动成功，影响人们的出行。 人们一直在寻求一种可靠的解决办法。 图1 1车辆柴油机汽油机电启动原理图 匿南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外对内燃机车柴油机启动问题的研究情况 1 2 1国外的研究情况 俄罗斯铁道运输科学研究院内燃机车和机务研究室曾经将储能器应用在 地面水阻台、干线机车、调车机车上。特别是在双节和多节内燃机车连挂时， 其内燃机车的柴油机启动性能大大提高1 2 l 【6 l 。 文献 3 中提到，与调车内燃机车柴油机相比，要使干线内燃机车柴油机 的曲轴转动起来需要更多的能量。因此，仅用来蓄集能量的电容器就用了3 个电容量为2 3 f 的电容器。其它元器件的功能以及它们在电容器充电和柴油机 启动过程中的柑互作用机理，在文献 2 中已提及。通过对干线内燃机车利用 蓄能器( 由3 个高能量的电容器组成) 启动柴油机的电路以及对比试验的结果 ( 示波图形) 的叙述说明利用蓄能器可以在启动接触器闭合的瞬问使电机的 启动电流增大，而蓄电池组提供的电流却减小了5 0 ，蓄电池电压的降低也有 所减小。从而大大提高了柴油机启动的可靠性，减轻了蓄电池的工作负担， 延长了誉电池的使用期限。 图卜2 、卜3 分别为蓄电池组利用蓄能器的原理电路和电容器充电控制的 原理电路。在柴油机启动之前，。应该完成许多辅助操作。如图卜3 ，在装有柴 油机启动电容器系统的内燃机车上启动任何一台柴油机之前，首先应该闭合 接通丌关k 6 1 1 k 2 ，使所有各节内燃机车的辅助燃油泵电动机工作起来。此时， 继电器j 吸合，电容器- 丌始沿图1 2 虚线箭头开始充电。松丌k i 之后，j 释放， 其触点断开( 但晶闸管t 仍保持导通状态) ，因为图1 3 中的二极管d l 不允许启 动控制回路的电流经电阻r 流过j 线圈。给电容充电结束后按下启动按钮后q c 吸合，电容器和蓄电池一起沿图1 2 所示实线箭头给电机m 供电，电机带动柴 油机达到点火转速点火成功。 文献【2 】指出，使用蓄能器即使在蓄电池组大量放电的情况下也能启动柴 油机，此时如没有蕾能器，柴油机的启动是不可能的。在完成上述启动后， 为了证实这种情况，使蓄电池组放电，并使其剩余容量约等于额定值的3 0 。 此时，试图在断丌蓄能器的情况下启动柴油机，但没有成功，柴油机启动不 了。待接上蓄能器后，柴油机就启动成功了，图1 - 4 列出了这次启动的示波 图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 2 蓄电池组利用蓄能器的原理电路 图1 3电容器充电控制的原理电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 圈卜4 蓄能秣辅助已放电的蓄电池组启动柴油机的示波图 蓄电池组由于放电其初始电压从1 0 3 v 下降到9 4 v 。电流，的最大值 仍与没有接上蓄能器用充电到额定值的蓄电池组进行第一次启动时的一样 ( 1 7 0 0 a ) 。此时，电流，。总计为6 9 0 a ，而电流i ，为1 0 1 0 a ，也就是说，电容 器的 【l 流最大值约为蓄电池组电流最大值的1 5 倍。使用蓄能器和已充电的 莆f 乜池组时，这一比值约为l ：1 。因此，蓄电池组的技术状态越差，蓄能器 效果就越佳。 山于当时的科技水平，他们虽然使用的是高能量电容作为储能器，但是 其重量、体积都较大。 1 2 2 国内的研究情况 随着科技的进步，一种超大容量电容器已经研制成功，并投入批量生产。 超大容爵电容器，也称为双电层电容器或超大容量也容器，为被动式静电双 层储能器件。超大电容容量是同等体积下的普通电容器容量的2 0 0 0 - - - - 6 0 0 0 倍，可从几法拉到几百法拉，放电电流可达几千安培，能量密度高于传统电 容器近百倍，瞬时放电功率比蓄电池高十倍以上。 国内已经有人对超大容量电容器在车辆启动方面的应用作了研究。文献 【7 】指出，在内燃机车的电启动系统中采用超大容量电容器辅助启动装置，显 示了较突出的优势，其表现在： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 j ) 启动功率增加，缩短了柴油机的启动时间。柴油机旋转加速度增加， 提高了燃油点燃质量。 2 ) 降低了启动时蓄电池组的最大电流负荷，有助于延长蓄电池的使用 寿命。 3 ) 确保了启动的可靠性，特别是在低温以及蓄电池组亏电或参数变坏 时尤为明显。 4 ) 在现有蓄电池技术状况下，可以有效减小蓄电池容量。 文献【8 】对现有内燃机车柴油机在使用超大电容后的启动过程进行了理 论分析，并利用s i m u l i n k 仿真软件，对d f 4 型内燃机车柴油机启动电路 和使用超大容最电容后的启动电路进行了详细的分析与比较，为进一步改善 内燃机车柴油据启动过程的性能提供了可靠的理论依据和实现手段。 到目f i 为止，国内外对超大容量电容器作用在机车、汽车等装备上还仅 仅是定性的研究，简单地把电容充电后和蓄电池并联在一起对启动发电机供 电，辅助蓄电池启动柴油机。随着电池电压的回升，电容器的作用过程在没 有达到柴油机点火转速时就已经结束。但是，此时电容器还有剩余电压，它 等于电容器放f 乜结束时的蓄屯池和端电压。电容器内贮存的容量还未得到充 分的利用。 1 3 本文研究的主要内容、目标和方法 为了进一步探讨超大容量电容器在车辆发动机启动系统中的作用，以及 为了充分利用超大容量电容器内贮藏的能量、提高超大容量电容器的放电效 率本文拟运用仿真的方法对现有的内燃机车柴油机启动过程和使用超大电 容后的启动过程以及加一个d c d c 转换模块的启动过程进行理论分析。 通过这些工作，我们可以： 1 ) 找出使系统性能达到最优的超大容量电容的容量值。 2 ) 在现有蓄电池技术状况下，降低蓄电池的容量，从而减少系统的成本， 并且可以进一步得出超大容量电容与蓄电池的最佳匹配关系。 3 ) 找出d c d c 电压变换电路各元件的参数值，探讨如何尽可能多地利用 电容器内存储的能量，同时又能够充分保护蓄电池，延长蓄电池的使用 寿命。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章车辆柴油机启动系统分析 2 1 内燃机车柴油机启动原理 尔风4 内燃机车柴油机启动系统如翻2 1 所示。门动发电机山嚣电池组 供电，通过减速箱带动柴油机，当柴油机达到点火转速时电路断，r ，启动过 程结束。电路方程如下： 图2 - 1内燃机车柴油机i 乜启动原理刚 u = e r ，i ， e r ，f ，= r 。+ ( d i i d t ) + e 。 e v = c f 中 q m 。= c 。中f 。= 9 5 5 c 。中f 。 k m 。一m ，= ( 2 玎6 0 ) ，( d n l d t ) + 扣 ( 2 1 ) 月= ( 1 i k ) ”。 式中，i ，、f 。分别为蓄电池、电机的电流，a ； 尺，、r 。分别为蓄电池内阻及外电路和启动发f l ：l 机的电阻之 和，q ： 为启动发电机绕组及线路电感，h ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 e 、u 、c 。分 j i j 为帮电池电势、蔷电池端乜妪咒 动发乜机 反电动势，y ： 、n 分剐为启动发电机转述和柴油机转速，r m i n ； m 。、m ，分别为启动发电机电磁转矩和柴油机静摩擦力矩， n ，”： ，柴油机粘性摩擦系数，n m m i n r ； j 折算到柴油机轴上的转动惯聚，k 。m 2 ； 女= 一i j 变速籁传动比；d i 。础、驯d t 分别表示对f 乜流、柴油 机转速的微分。 图2 2 使用超大容量电容后的内燃机车柴油机电启动系统简化i u 路图 加入超犬容量电容后的d f 4 型内燃机车柴油机启动电路的简化模型如 图2 2 所示。其简单工作原理：按下启动按钮后，绝缘栅双极i 体管i g b t 触发电路： 作i g b t 丌通，蓄电池通过i g b t 和充电电阻r 2 向电容c 充电。 通过合理设计充电电阻r 2 的值，使电容c 在柴油机润滑的延时时j 口j 内( 4 5 s 一6 0 s ) 接近或达到誉电池电雁。延时结束时，切断i g l 3 t 触发电路，i g b t 关 断。q c ( 启动接触器) 主触头接通启动电机供电回路，蓄电池与电豁冀同向电 机供电。当r 乜容放电结束后，电容上的电压达到最低。启动时 乜路方程为： u = e r ，f 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 e r 。i 。= 一r ：i ：七u ： e r s i ，= r 。i 。+ l ( d i 。，d t ) + e q e q = c ，o n q i 。= i 。+ i ， i 。c ( d u 。曲) m 。= c 。巾j 。= 9 5 5 c 。中j 。 k m 。一m ，= ( 2 x 6 0 ) t ，( a n _ ，a t ) + 乃 打= ( 1 他) 孵。 式中，c 超大容量电容器容量f ： t r 电容的电流，a ；u 。为电容两端电压，v ； 尺、r ，分别为电容放电时和充 乜时的限流l 1 阻，q ； 图2 3 加入d c d c 模块后的内燃机车柴油机电启动原理图 为了充分利_ j 电容器存贮的容量在系统中加入了d c d c 转换模块。 如图2 3 所示。其简单工作原理：按下启动按钮后，绝缘栅双檄品体符i g b t 触发电路工作，i g b t 歼通，蔫电池通过继电器j 的常闭触点3 c 、1 g b t 和充 电电阻r 2 向电容c 充电。通过合理设计充电 乜阻r 2 的值。使 b 容c ( j - 柴油 机润滑的延时时间内( 4 5 s 6 0 s ) 接近或达到蓄电池电压。延时结束时，切断 i g b t 触发l u 路t g b t 关断。q c ( 启动接触器) 主触头接通启动发电机供电回 路，继电器j 主线圈得电，常闭触点j c 断丌，电容器通过d c d c 模块和蓄 屯池起l l ：l 机供电。当柴油机达到点火转速时，q c 断丌。电路放电时的方 程为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 u = e r x i ， e r ，i ，= - r 。i 。+ u 。m e rx i x = r u i o + l l d i 。 d t 、+ e q e = c 。o n q i 。= i + i 。 f 。= 一( ( d u 。f d t ) m 。= c 。q ) f 。= 9 5 5 e 中f 。 k m 。一m ，t = ( 2 疗6 0 ) t ，。( d n d t ) + ，加 1 7 = ( 1 i k ) ”。 式中，m ，一d c d c 变换器的输入电压与输出电眍的比值。 下l f l j 时系统q ，出现的祷电池、超大容量f 乜容器、扇动发i u 机柴油机、 d c 0 c 模块等作简要的介绍。 2 2 铅蓄电池的特性 4 i 类型的帮l u 池，之们的l 乜气t i ：能足不嗣的，川r | 必须撤捌f l 己的使 用条什年要求来选择适宜的蓄电池类型。 2 2 1 铅蓄电池的电动势 铅莆i b 池的f 乜动辨就足蓄i u 池在无负绒状态下测搿的端r t ! j i ；( 格蜕， 铅莆l u 池的i b 动势为花外电路颊路时誉f u 池两极蚓的 乜位差依) ，即丌路电 压。 锚蕾i 乜池的电动势，决定于f 、负极性活性物质的电位跨。当允电刚刚 完毕时u ，达到2 3 v 。f 【i 稍停一段时l l j 蕾电池的f 也动势将降到2 1 v ，n 稳定 下来。电动势与电解液的比重有关w 用下面的经验公式2 - 2 米表示： e = 0 8 5 + d( 2 2 ) 式i = 卜，d - - 电解液比重，d 在1 1 5 1 3 0 范围内比较准确。 山二j = | 极性活性物质细孔的作用，所以蓄电池在放r u 的时时，活性物质变 为硫酸镪平水，水不能立即跑“j 细孔，因此细孔内的电解液的密度要比细孔 外的为低。当充电时, c , l t l j l 内形成的硫酸，其比重较f 1 l ：f l j l , 的i u 解液比重为 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 高，所以，放电终止时，电压低于2 i v ，而充电终止时，则高于2 i v 。 此外，温度对铅蓄电池的电动势也有影响。只是每变化一度，电动势的 变化甚微，( 约在0 2 x1 0 。3 至0 4 x1 0 3 之问) ，因而一般可忽略不计。 2 2 2 铅蓄电池的内电阻 当铅鬻电池在充放电时所显示的电阻为锚蓄电池的全内阻， ，= r o + 拿= r o + 。 体+ 亍2 + o ( 2 3 ) 式中，e 极化电动势： ，。电流： 厂n 欧姆电j 驵； ，- 极化电阻。 严格说，铅蓄电池在充放电时，正、负极板的材料组成、电解液浓度、 温度等都在变化着。因此，0 应是这些元素的函数，并不完全符合欧姆定律， 它是极板的电阻，电解液的是电阻，隔板的电阻等几方面的电阻之和。0 为 极化电阻，当锚蓄电池在充放电时正、负电极电位在改变，因此极化电阻也 称假电阻。其值与电流强度有关，并不遵从欧姆定律。 极板的面积越大，正、负极板间的距离越小，则内电阻越小。所以，一 般来讲容量大的蓄电池要比容量小的蓄电池体积要大，所以它的内阻要小 一些。同时j 下、负极板的有效物质( 所谓有效物质则是铅蓄电池中实际参加 变化作用的物质) ，电解液比重、温度的高低等都能影响蓄电池的内电阻。当 铅薷电池充放电时，电解液的比重发生变化，极板的有效物质发生变化，因 此铝蓄电池的内电阻也随之变化在充电后内电阻变小，放电后内电阻变大。 这是因为极板细孔内的电解液在放电时比重减小，接触电阻和电解液的电阻 系数增大：随放电时间的增长、特别到放电终了，有效物质转变为硫酸铅， 电阻系数大增加。温度对铅蓄电池的内电阻的影响也是比较明显的。当铅蓄 电池的温度下降时，导电率减小，因此内电阻增加温度自+ 2 5 以下，大 致每降低1 ，内电阻增加1 7 2 0 。 铅蓄电池充放电时的内电阻可出下式求出： 铲等 t ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 ，。生堕 i 敞 式中e 电动势( 伏特) ； u 艘、u 光端电压( 伏特) ； i 艘、i 兜电流( 安培) 2 3 超大容量电容器概述 ( 2 - 5 ) 超大容量电容器是近年来出现的一种新型器件，兼有常规电容器功率密 度大、充电电池能量密度高的优点，可快速充放电，且寿命长，很有希望发展成 为一种新型、高效、实用的能量储存装嚣。 超大容量电容器，是一种具有高能量密度同时可提供超大功率并具有超 长寿命的新型电子元件。该产品在各种快速、大功率启动、保护系统，无人 值守与移动能源系统上具有及其重要的应用价值。2 7 v 的工作电压使超大容 量电容器可以提供任何同等体积和重量的电容器产品所无法比拟的能量密度 和功率密度。具有如下的优点和特色。 高容量 。 超大容量电容器具有高比容量和低重量的特点，如s u 2 4 0 0 p 0 0 2 7 v - i r a 型产品的能量密度可以达到4 o 粉k g 和4 4 9 胁l 。高比容量是超大容量电容 器产品的典型特点。 高功率 超大容最电容器具有蓄电池无法比拟的重量比功率和体积比功率，当外 部负载需要时，超大容量电容器极低的等效串联电阻可以保证电容器在瞬间 产生极高的功率峰值。 + 优异的低温工作性能 超大容量电容器在一4 0 c 低温工作时仍可保有9 5 的电容量丽其他种类 电容器在该条件下容量往往已衰减至常温条件下的6 0 - 7 0 。 对环境无污染，操作安全，免维护 超大容蠡电容器的所有原材料都是无毒的，所有的生产过程和工艺不会 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 对环境产生污染。为避免产品失效和使用过程中的损坏，所有产品都经过了 严格的密封处理。全新的生产工艺使超大容量电容器在具有优异性能的同时 还具有极富竞争力的性格，超大容量电容器在具有高容量特性和高功率特性 的同时具有体积小、重量轻、对环境无污染以及使用安全、免维护等一系列 的优点。 2 3 1 超大容量电容器基本性能参数 工作电压：电容器能够连续长期保持的最大电压。 电流( ，l ) ：对电容器进行充电后，为使电容器在某一电压处于稳定态 而从外部施加的一个电流。 时间常数( r c ) ：如采一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一 个电阻的简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时间常数。其单位 为秒，相当于将电容器僵压充电至满充容量的6 3 2 时所需的时间。 等效串联电阻：当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效 模拟电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。等效串联电阻可以利 用交流阻抗技术或电流阶越技术测试得到。 放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法 是将放电过程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。 理想存贮能量：电容器存贮能量的理想值。对于一个简单的电化学电 容器，其理想存贮能量值可以通过o 5 c 嵋来计算，其中c 为电容器的 容量，w 为电容器的工作电压。 平均放电功率：平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功 率。 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最 大输出功率，计算公式为y 2 ( 4 r 、i h ：j g l - y 为电容器的初始电压，而r 为 电容器的等效串联电阻。 放电效率：在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入的 能量的百分比。 + 超大容量电容器的结构参数： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 表2 - i 超大容量电容器的电压、容量 序号型号电压容量备注 1 h v 0 0 1 p - 0 0 5 5 5 51 f 标准单体 2s u 0 0 2 0 p - 0 0 2 7 v 。i c a2 7 v2 0 f 标准单体 3s u 0 0 5 0 p 一0 0 2 7 v i c a 2 7 v 5 0 f标准单体 4s u o l 0 0 p 0 0 2 7 v i c a2 7 vi o o f标准单体 5s u 0 2 0 0 p 0 0 2 7 v 一1 c a 2 7 v 2 0 0 f标准单体 6s u 0 3 0 0 p 0 0 2 7 v l r & 2 7 v3 0 0 f 标准单体 7 s u 0 6 0 0 p 一0 0 2 7 v l r s 2 7 v6 0 0 f 标准单体 8s u l 2 0 0 p 一0 0 2 7 v 一1 r s2 7 v1 2 0 0 f 标准单体 9s u l 8 0 0 p 0 0 2 7 v l r s2 7 v1 8 0 0 f标准单体 1 0s u 2 4 0 0 p 0 0 2 7 v i r a 2 7 v 2 4 0 0 f标准单体 其中，h v o o i p - 0 0 5 5 ，5 5 v 、i f 的超大容量电容器的尺寸、重量、体 积如下： 表2 - 2 某型号电容的具体参数 h v 0 0 l p 一0 0 型号 功率质量比x w l k g 1 0 o 5 5 电容量( 2 5 cf )1 功率体积比k w l 1 5 2 电容偏差率 一1 0 k 2 0 6 , 6 直流最大内阻( 6 5 a 赫q ) 2 4 额定电压( v ) 5 5 交流最大内阻( 1 0 0 k h z ，m q ) 1 9 浪涌电压( v )6 0最大漏电流( r n a ) 1 2 额定电流( a ) 2 7 尺寸( 研删) 长宽高 1 6 8 5 9 最大电流( a )6 5质量( g )3 0 最大储能( w h )0 0 0 4工作温度范嗣( ) 一5 0 7 0 能最质量比 1 3 储存温度范围( ) - 5 0 8 0 ( 酬磁) 能量体积比 ( 剜) 2 0 循环寿命( 2 5 c ) 5 0 0 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 超大容量电容器与蓄电池的性能对比 超犬梅量 u 容器最县潜力的应用为莆电池的性能增强和补充。l l i 于物理 化学特性的限制，即使最先进技术水平研制的商性能蓄电池在放电功率和连 续充放电寿命等特性方面也存在较大的限制和不足。超火容量电容器因其具 有优舛的功率特性可以有效克服蓄电池的上述缺点。 与同体积的蓠电池相比超大容摄电容器具有1 0 倍以 ：的功率密度和 1 0 0 倍以。l 的充放电速率。该特性足超大容量电容器作为赢功；簪i 乜源和蓄电 池辅助装戳的坂凶。此外超大容量电容器却不像蓄电池那样仅具有有限的 工作寿命，较差的低温工作特性和较低的充放电速率。 2 4 启动发电机柴油机动态分析 2 4 1 启动发电机简介 稿动发f e s j l 足一种直流电机。它在机车上有两个用途：在柴油机运转前 11 0 v 直流l 乜源 串励绕红门l t 乜 l 1 。j 、概 外訾窜丫豢 起动发电 机的绕组 发电机起动 时的励磁方 式 u o 。 电 l i ：i b 枢。j 、枢 豢u o ，- l ”2 j l 端组 u j l 7 7 组 o 。一l ) 一、o 一l 发电机发电 时的励磁方 式 图2 - 4 启动发电机的励磁线路 作为串励电动机。用以启动柴油机；柴油机运转后它又作为他励发电机， 经 _ l 压润整器调节后发出1 1 0 伏恒定的直流电，向机车上的辅助设备、控制 回路t 照明l 包路供电，并对蓄电池充电。启动发电机的励磁线路如翻2 - 4 所 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l5 页 示。 2 4 2 直流电动机的勖磁方式 在直流电机中，由磁极的励磁磁通单独建立的磁场是电机的主磁场，也 称为励磁磁场。励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通而建立主 磁场的问题按励磁方式的不同，直流电机可分为： 1 ) 他励直流电机一 2 ) 并励直流电机 3 ) 串励直流电机 4 ) 复励直流电机 本文主要研究直流电机在串励情况下的特性。串励直流电机的励磁绕组 与电枢绕组串联，如图2 - 4 所示这种直流电机的威磁电流，就是电枢电流 ，。，若有调节电阻与励磁绕组并联，则为电枢电流l 的一部分。气隙主磁通 m 随，而变化，这是串励电动机的特点。因此，串励电动机的电动势平衡方 程式、转矩平衡方程式、电动势公式以及转矩公式为： u = e o + l r 。+ ，r 。= c 。n o + ，。( 置。+ r 。) ( 2 6 ) g o = e h o = c o i i = h l ( 2 - 7 ) l = 瓦+ 瓦 ( 2 - 8 ) 乙= c u 吖。= c l , ，l = c l , ，； ( 2 9 ) 式中。e 。电枢绕组反电动势； c 一电动势常数，e = n p ( 6 0 口) 是一个仅与电机结构有关的常 数，其中是电枢绕组总的导体数，即匝数，p 为极对数，a 为支路对数； 转矩常数，c 。：婴c 。； e = e k 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 吒；k i ；k ，表示主磁通与励磁电流的比例系数( 如果不计 饱和影响，磁通。与励磁电流i ，的关系可表示为o = k ，) ； r 。串励绕组电阻； r 。电枢电路的电阻( 其中包括电刷与换向器的接触电阻) l 电抠电流； ，。融磁电流： 乙、t 、瓦分别是电磁转矩、负载制动转矩与空载损耗转矩。 从式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 解出n 胪u e - i 。, r , = 万u 一虿1 屯( 2 - 1 0 ) 式中，r ：= 心+ r 。 按式( 2 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 画出的串励电动机的转速特性n = f ( 1 。) 和转矩特 性t 。= t f f 。) 如图2 5 所示。串励电动机的转速特性与并励电动机迥然不同。 串励电动机的转速随着负载的增大而迅速降低，变化很大具有这种特性的 原因是出于串励电动机的励磁电流就是电枢电流当输出功率只增大时，电 枢电流，。亦增大，。的增大必然使气隙磁通巾增大，电枢回路的压降也增大。 从式( 2 1 0 ) 可看出。这两种作用都促使串励电动机的转速降低。在相反的 情况下，空载时电权电流很小，气隙磁通审及压降l 疋很小，要产生一定的 反电动势 e o = c f ? 中 与电源电压相平衡电动机的转速将很高。在理论上，如果电枢电流趋于零， 气隙磁通也将趋近于零，则电动机转速将趋近于无限大，可能导致转子破坏。 因此，串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。串励电动机的转 矩特性与并励电动机的转矩特性也有所不同。由于串励电动机的转速，随输 出功率最的增加而迅速下降。而由式( 2 8 ) 得 乙= 五+ 瓦= 6 0 p 2 ( 2 r t 盯) + 瓦 所以转矩乙随着b 的增大、n 的下降而迅速增大。这也可从i i = l 的特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 来说明：当磁路不饱和时 = k f i r = k ，j 。 7 _ = c u m e ； 当磁路高度饱和时，中接近不变， 乙= c o o ，： 故随着输出功率尸2 以及，。的增加，串励电动机的电磁转矩乙将以高于电流 一次方的比例增加。这种转矩特性很有价值，它保证了同样大小的启动电流 下能得到比井威电动枫更大的启动转矩。 n 转 速 电枢电流l a电抠电流i a 图2 5 串励电机转速和转矩特性 2 4 3 柴油机与启动有关的主要技术数据 柴油机主要参数见附录l 。 2 4 4 启动发电机的参数 启动发电机的主参数见附录2 。 启动发电机通过前变速箱带动柴油机及所相连的机械传动，要精确写出 各部分力学关系十分困难，通常可用下列公式描述： k m q m f = ( 2 n 1 6 0 ) j 。( d n d r ) + 办 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 盯= ( 1 k ) r 。 式中，j 所有折合到柴油机轴上的转动惯霆，彤。m 2 m ，摩擦力矩，n 删； ，粘性摩擦系数，n - m m i n r ； ”柴油机转速，r m i n ； _ j 齿轮传动比。 摩擦力矩m ，主要是指柴油机和相连机械的静态和动态摩擦力矩，对于 确定的柴油机而言，其静态摩擦扭矩是可以测定的，它随温度、润滑条件和 装配情况略有变化。动态摩擦系数一般比静态摩擦系数低2 个数量级，基本 上是个常值。粘性摩擦系数，可近似地利用柴油视的空载油耗曲线和恒功 率特性曲线上的油耗量，在各个转速值下进行比较，求得在不同转速时的空 载阻力矩曲线，其曲线的斜率即为f 值1 9 】( 圈2 6 ) 折算到柴油机轴上的转 动惯量j ，可以由计算求得，也可通过降速法求得，实际上对带有曲轴、连 秆的柴油机来说，转动惯量不是一个常数，而是一个在平均值附近作周期性 变化的值。在启动过程中，启动电流变化范围很大，电机在串励状态下工作， 磁通。也随着在较大范围内变动，在一些计算中，常将。与i 的关系看成是 线性的，或用一段或两段直线来代替，事实证明，在输入信号大范围变化时， 这种方法存在着较大的误差，对于中与i 曲线辨识的精确程度，将直接关 系到仿真计算的正确性。但这样处理，问题会变得过分复杂。 图2 - 6内燃机车柴油机不同转速时的阻力矩曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 5d c i d c 模块分析 超大容量电容器在放电后它还有比较高的剩余电压，因此还剩余了较多 的能量。为了充分利用这部分能量，进一步减轻蓄电池在启动时的负担，我 们给系统增加了一个d c d c 转换模块。 2 5 i d c d c 变换器的分类 d c d c 变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流 斩波器。 其原理框图如图2 7 所示。 图2 7d c d c 变换器的原理框图 d c - d c 变换器可分为两种基本类型：非隔离型( 在工作期间输入源和输 出负载共用一个共同的电流通路) 和隔离型( 能量转换是用一个相互耦合磁 性元件来实现的) 。 从结构上讲，d c d c 变换器又可分以下几种类型： 1 ) 降压型变换器( b u c k ) ，它使直流电压减小，转换率为m ( d ) = d 。 旦：d 吆 式中，d 占空比。 2 ) 升压变换器( b o o s t ) 与降压变换器有相似的结构，只是开关和电感 的位簧互换。它的输出电压v o 比输入电压v i n 商，转换率为 肼( d ) = 击。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 圪 1 1 一d 3 ) 升降压变换器( b u c k - b o o s t ) ，它的开关通过功率输入电压连接电感 到输出改变了电压的极性，同时使电压增加或降低，转换率为 m ( d ) - 击 k d 1 一d 4 ) c u k 变换器，在输入和输出问串联电感，开关通过电容连接输入和输 出，转换率m ( d ) 与升降型一样。 ，吒d 圪 1 一d 5 ) s e p i c ( s i n g l e e n d e dp r i m a r yi n d u c t a n c ec o n v e r t e r ) 同样也可 以使电压大小增加或减小，但是它不改变电压的极性i 其转换率 m ( d ) = 啬。 k d l d 2 5 2d c d c 变换器的调制方式 d c d c 变换器的调制方式有三种工作方式：一种是脉宽调制方式 ( p w m ) ，周期( t 。) 不变，t 。( 导通时间) 可改变；另一种是频率调制 方式( p f m ) ，+ f 。不变，周期t 可改变；第三种是混合调制方式。它们具有 某些共同之处： 1 ) 用时问比率控制( t r c ) 的稳压原理。无论是改变开关导通时间( f 。) 还是开关周期( t ) ，最终调节的都是脉冲占空比。因此，尽管它们 采豫的方式不同，但控制目标一致。 2 ) 负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、提高 频率的方法，使输出电压保持稳定。 下面将分别介绍d c d c 变换器不同调制方式的基本原理和特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 5 2 1p m 方式 p w m 变换器由半导体开关、整流二极管、平滑滤波电抗器与电容器等基 本元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可以采用变压器，把高频 方波电压( 电流) 通过变压器传送到输出侧。p w m 变换嚣构