史艳博 林胜辉 陈大杰 徐益宝
摘要：为了优化高频电磁阀动态响应特性，提高高频电磁阀开启速度，通过控制两个开关管（Q1和Q2）的通断，为电磁阀建立高压驱动回路、能量回收回路及续流回路，实现将高频电磁阀的释放能量临时存储在电容中并重复利用，将电容与直流电源串联实现高压驱动电磁阀，并同步实现节能。该设计利用单一低压电源实现了高压电源的驱动效果。
关键词：高频电磁阀；
动态响应；
高压驱动；
储能
中图分类号：TH35 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）12-0011-03
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.003
0 引言
高频电磁阀适用于液态介质或气态介质管路传输流量的柔性控制，电磁阀的开关频率越高，介质传输流量控制越平滑、越稳定。70 MPa储氢系统安全应用的关键环节就是对高频瓶口电磁阀的精确控制。现阶段驱动电磁阀广泛使用单电源，基于Peak-Hold模式[1-2]，采用PWM（Pulse width modulation）大占空比调制电磁阀Peak电流短时间强激电磁阀启动，电磁阀启动后，小占空比调制Hold电流长时间维持电磁阀的启动状态。典型的意大利OMB生产的OTV-70 MPa高频电磁阀采用Peak-Hold模式驱动，Peak电流为3.2 A/800～3 000 ms，Hold电流为1.1 A。但单电源驱动方案中电磁阀动态响应特性较差，为优化电磁阀的开启响应速度，可采用双电源驱动高频电磁阀，在开启阶段，控制高边开关管导通，采用高压电源对电磁阀线圈施加高电压强激启动[3]，在维持阶段，控制高边开关管导通，采用低压电源对电磁阀线圈施加低电压维持电磁阀启动状态[4-5]。但该方案系统结构复杂，需要一个高压电源及一个低压电源。为优化电磁阀的动态响应特性，本文基于单电源设计高频电磁阀驱动电路，通过将电磁阀的释放电能回收再利用，利用低压电源实现高压电源驱动效果，并同步实现节能。
1 拓扑结构
高频电磁阀的驱动结构为导线线圈缠绕磁芯组成，其驱动线圈可以等效为电阻R和电感L串联。高频电磁阀单电源驱动电路拓扑如图1所示，高频电磁阀单电源驱动电路由直流电源、电磁阀、两个开关管（Q1和Q2）及三个钳位二极管（VD1、VD2、VD3）构成。通过控制两个开关管（Q1和Q2）的通断，形成不同工作模态。
高频电磁阀单电源驱动电路的电压及电流波形理论分析如图2所示，其中，开关管Q1和开关管Q2的触发脉冲一致，流过的电流相同。
通过控制两个开关管（Q1和Q2）的通断，为高频电磁阀建立高压驱动回路、能量回收回路及续流回路。当两个开关管（Q1和Q2）同时关断时，建立电磁阀能量回收回路，将电磁阀的释放电能存储在电容中；
当两个开关管（Q1和Q2）同时开启时，建立电磁阀高压驱动回路，电容与直流电源串联，共同驱动电磁阀。钳位二极管VD1将电容电压钳位至直流电源电压，防止电容电压过充，并通过钳位二极管VD1为高频电磁阀提供续流回路。
2 工作模态研究
高频电磁阀单电源驱动电路具有三种工作模态，分别是：高压驱动模态、能量回收模态、续流模态。在一个驱动周期内，三种工作模态交替运行。
2.1 高压驱动模态
如图2所示，在0—t1时刻，高频电磁阀单电源驱动电路处于高压驱动模态，电路运行模态如图3所示，此时脉冲触发开关管Q1和开关管Q2同时导通，开关管Q1、开关管Q2、电容C1、高频电磁阀及直流电源构成电气回路，电容和直流电源串联共同为高频电磁阀提供驱动电能，电容电压逐渐下降，高频电磁阀线圈电流快速上升，高频电磁阀线圈存储电能。高频电磁阀线圈电压uOTV为：
uOTV=ui+uc （1）
式中：ui为直流电源电压；
uc为电容两端电压。
2.2 能量回收模态
如图2所示，在t1—t2时刻，高频电磁阀单电源驱动电路处于能量回收模态，电路运行模态如图4所示，此时开关管Q1和开关管Q2均关断，迫使钳位二极管VD2、电容C1、钳位二极管VD3、直流电源及高频电磁阀构成电气回路，直流电源和高频电磁阀共同释放电能为电容充能，高频电磁阀线圈电流逐渐下降，电容电压逐渐上升至直流电源电压。高频电磁阀线圈电压uOTV为：
ui=uOTV+uc （2）
2.3 续流模态
如图2所示，在t2—t3时刻，高频电磁阀单电源驱动电路处于续流模态，电路运行模态如图5所示，此时开关管Q1和开关管Q2均关断，高频电磁阀线圈电流继续逐渐下降。在能量回收模态，电容电压逐渐上升至直流电源电压，由于钳位二极管VD1的钳位作用，电容电压被钳位至直流电源电压，停止为电容继续充电，钳位二极管VD1为高频电磁阀线圈提供续流回路。钳位二极管VD2、钳位二极管VD1及高频电磁阀共同构成电气回路。
3 实验研究
为验证理论的正确性及方法的可行性，在Matlab/
Simulink中搭建模型进行仿真实验研究。直流电源电压为24 V，高频电磁阀等效电阻为5 Ω，等效电感为3 mH。采用Peak-Hold模式驱动高频电磁阀，仿真波形如图6～11所示，图中模态1为高压驱动模态，模态2为能量回收模态，模态3为续流模态。高压驱动模态时高频电磁阀的初始驱动电压为48 V，是直流电源电压的2倍。钳位二极管VD1将电容电压钳位至24 V。图12为高频电磁阀在0～0.1 s时间内的线圈电流波形图，与传统驱动电路相比，本设计可以利用单一低压电源实现高压电源的驱动效果，并同步实现节能。
4 结论
本设计通过优化控制两个开关管（Q1和Q2）的通断，为高频电磁阀建立高压驱动回路及能量回收回路，做到了采用低压电源实现高压电源的驱动效果。当两个开关管（Q1和Q2）同时关断时，建立电磁阀能量回收回路，将电磁阀的释放电能存储在电容中；
当两个开关管（Q1和Q2）同时开启时，建立电磁阀高压驱动回路，电容与直流电源串联，共同驱动电磁阀。实验证明了理论的正确性及方法的可行性。
[参考文献]
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[5] 施颖，潘艺园.温度对电磁阀驱动影响的计算分析[J].机电信息，2022（20）：48-51.
收稿日期：2024-02-23
作者简介：史艳博（1995—），男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，工程师，研究方向：电力系统调度优化、储氢系统控制技术。
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