地铁车辆节能设计方案

刘川++罗敏

摘 要：地铁列车的能耗主要是列车通过受电弓或集电靴从接触网或接触轨获得并消耗掉的电能，为列车牵引能耗和列车辅助能耗两部分之和。因此，从降低列车牵引能耗和降低列车辅助能耗两方面进行考虑，通过对国内地铁车辆项目的研究，分析并总结地铁车辆在各系统的节能设计，以及应用并推荐的前沿节能技术。

关键词：节能；轻量化；车体；辅助能耗；永磁直驱

中图分类号：TE08 文献标识码：A

一、概述

随着中国经济的发展，对能源的需求日益增加，这就对各行业提出了更高的要求，尤其是在系统节能的方案设计选择上尤为重要，同样地铁车辆的节能设计也显得尤为突出。

地铁列车的能耗主要是列车通过受电弓或集电靴两类方式从接触网或接触轨上获得并消耗电能，列车能耗包括了列车牵引能耗和列车辅助能耗两部分之和。因此，列车的节能就要能够从降低列车牵引能耗和降低列车辅助能耗两方面入手进行考虑，通过对国内地铁车辆项目的研究，分析并总结出地铁车辆在各方面进行的节能设计，以及应用并推荐的前沿节能技术。

二、降低列车牵引能耗

1.提高牵引系统效率

牵引传动系统应采用VVVF交流传动技术。牵引逆变器效率不宜低于0.97，牵引电机效率不宜低于0.9，齿轮传动效率不宜低于0.97。目前交流异步电机牵引系统的效率已经达到该项技術的较高水平，要提高牵引系统的效率，可采用永磁直驱同步牵引电机（图1）加碳化硅变流器技术。使用永磁直驱同步牵引电机后，减少了齿轮箱，提高了效率；使用碳化硅变流器，可使逆变器输出近似完美的正弦波电流来控制电机，从而减少电机的铜损和铁损，进一步提高效率。使用碳化硅变流器，在降低电机铜损和铁损的同时，大大降低了电机的发热，使得永磁直驱电机可从水冷转变为走行风冷，可减少地铁底架的水冷箱及水冷泵，减少整车自重量，也减少能耗。

2.制动过程中的能量利用

当前国内所采用的地铁列车普遍具备了电制动功能，常用制动情况下电制动优先，电制动时优先采用再生制动。为了减少空气制动系统闸瓦的磨耗，建议在AW0-AW3载荷范围内，电制动的起始速度应为80km/h，电制动的结束速度应为3km/h～0km/h，即实现整个速度范围内的全电制动。

电制动时优先采用再生制动，当再生能量不能被电网吸收时会施加电阻制动。列车再生制动时，电流会反馈回电网，被邻近的列车吸收用于牵引；当相邻列车吸收的电能小于再生制动的电能时，列车就会通过制动电阻将多余的电能消耗掉。因此，电制动过程中的节能在于尽量多的吸收再生制动的能量，这与在同一线路上的行车组织有关联；同时将原制动电阻损耗的能量利用起来，安装地面再生制动吸收装置。下面简单介绍国内的几种能量吸收方案。

（1）地面再生制动吸收装置

地面再生制动吸收装置分类：电阻能耗型、电容储能型、电阻+逆变器回馈型。

在国内的应用案例：

电阻消耗型能量吸收装置：广州4号线、天津1号线、重庆轻轨等项目。

电容或飞轮储能型能量吸收装置：北京5号线等项目。

电阻+逆变器回馈型能量吸收装置：郑州1号线等项目。

（a）电阻能耗型地面再生制动吸收装置

如图1和图2所示：吸收装置控制系统采集到直流母线电压及电流信号及整流变压器一次侧的交流电压信号，综合判断列车牵引、制动情况，吸收装置根据判断来确定斩波器的导通比和吸收支路的投入数量，控制线网电压维持在某一设定范围之内，确保车辆的安全运行。4个独立的吸收电阻支路，每个支路由IGBT斩波器与吸收电阻组成，构成四相不重恒压吸收控制系统。

（b）电阻+逆变器回馈型地面再生制动吸收装置

如图3所示：当电阻+逆变混合型制动能量吸收装置启动。逆变器率先投入，将再生电能逆变成三相交流电并馈入车站400 V 配电网，给AC400 V负载使用。当列车制动能量较大，再生能量超出逆变器容量时（表现为线网电压升高至某一限值）电阻投入，与逆变器共同吸收再生能量。当再生能量下降至逆变器吸收范围内时（表现为线网电压下降到某一限值）电阻退出，仍由逆变器独自吸收再生能量。

（c）电容储能型地面再生制动吸收装置

采用IGBT逆变器，将列车的再制动能量吸收到电容或飞轮电机中，当供电区有其他车牵引时，装置将储存的电能释放并进行再利用。

对于以上3种地面能量吸收方案，个人的认识为：

（1）发车密度小则制动电阻容量需求大，间隔大于6min时，再生制动能量被其他列车吸收的概率几乎为零。

（2）不同线路区间，列车运行方式及线路特征不同，再生制动能量回馈值差异很大，因此各变电站内地面再生制动能量吸收装置设置应根据列车在该区段的运行特性分别进行考虑。

（3）能量吸收装置控制系统应能对车辆状态进行快速、准确的判断，具有完善的保护措施，如过压、过流、过热、短路保护等。

（4）具有远程与本地监控系统，能实时监测能量吸收装置的工作状态。

（5）地面能量吸收装置的安装方式、散热问题等需要慎重考虑。

3.轻量化节能

车辆的轻量化设计，将直接降低牵引能耗，实现节能。

（1）轻量化的车体

在满足车体静强度、碰撞及疲劳要求的情况下，目前国内的铝合金车体重量已经做到Tc车6.5t，M1和M2车6.3t，车辆AW0状态下重量为：Tc车29.8t、M1车31.3、M2车31.7t。这个重量比地铁招标模板规定的Tc车33t、M车35t轻很多。

若按照50%的电制动能量反馈被使用情况，在AW2状态下，使用轻量化列车的一条线路一年能够节省约500多万千瓦时电量，带来非常可观的电能节省。

（2）部件的轻量化设计

采用稀土耐蚀光亮铝合金材质的铝合金扶手，在满足乘客抓扶和冲击工况的前提下，一辆车的铝合金扶手比不锈钢扶手轻约100kg。采用新型非铝合金及铝蜂窝结构的风道和铝蜂窝地板，也能带来每辆车减轻约200kg的重量。

三、降低列车辅助能耗

1.空调系统节能

对于需要使用客室座椅下电加热的城市，建议使用热泵空调，热泵空调机组由于采用逆卡诺循环，通过四通换向阀将空调系统的制冷循环转换成制热循环，热泵空调机组的能效比可以达到2.4以上；而电加热由于采用电阻丝的方式，通过电加热丝将电能转化成热能输出。由于电加热丝属于物理制热转化，效率最大能达到0.9。

2.在提高列车自身的隔热、隔音性能方面可以采用如下设计：

（1）在车体内表面，车顶、侧墙、端墙上粘贴性能优良的防寒材。

（2）车门门页采用铝蜂窝夹层结构。

（3）车窗和车门玻璃均采用双层中空结构。

（4）贯通道棚布采用双层结构，提高其隔热隔音性能。

（5）地板采用5层夹层结构，内贴防寒材，提高其隔热隔音效果。

四、新技术推荐

永磁直驱地铁车辆应是地铁发展的一个方向。

单个异步系统转向架重量与单个永磁直驱系统转向架重量的对比，拖车转向架重量可减重0.5t，动车转向架重量可减重0.4t。从这组数据可以看出，转向架的减重为每个拖车减重1t，每个动车减重0.8t，如整车为4动2拖的6编组车辆，则整列车可减重5.2t，又能够降低牵引能耗，节省电能。

结论

通过降低牵引能耗、减少辅助能耗能够为地铁车辆带来非常可观的节能，随着科技的发展，预计国内以后会在地面能量吸收及永磁直驱车辆方面进行更多的尝试，进一步降低能耗，实现节能。

参考文献

[1]连鹏飞.深圳地铁2号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究[J].铁道工程学报，2007，24（6）：85-89.

[2]周永刚. 地铁永磁直驱牵引系统设计方法[J].机车电传动，2015（6）：34-37.endprint