浅析节能技术在地铁车辆制动系统中的应用

寇良朋 上海轨道交通设备发展有限公司

浅析节能技术在地铁车辆制动系统中的应用

寇良朋 上海轨道交通设备发展有限公司

介绍了地铁车辆制动系统的发展，对制动系统中的节能技术进行了阐述，指出通过降低制动初速度、对制动能量回收和优化制动系统可以降低制动能耗，并指出新的制动技术可以进一步降低能耗，节约能源。

地铁；制动；节能

Abstract: The article introduces metro train braking system development and energy saving technology of braking system. The author points out reducing braking energy consumption through lowering braking initiative velocity, recycling braking energy and optimizing braking system. New braking technology can reduce energy consumption and save energy further more.

Key words: Metro, Braking, Energy Saving

伴随着中国城镇化的进程，中大城市的人口越来越多、越来越密集，城市交通问题也越来越突出。地铁由于具有运量大、速度快、安全性高等特点已成为城市中重要的公共交通工具。地铁用电能来驱动，是城市用电大户，能源消耗总量过大是目前城市轨道交通面临的主要问题，据统计，目前我国城市轨道交通系统能耗支出占运输能耗总支出的比例高达 35%，因而降低地铁能耗是一个必须要解决的问题[1]。地铁车辆运行站间距一般较小，运行过程中需要频繁的启停。为保证地铁车辆安全、稳定可靠的停下，就需要制动系统可靠的工作。所谓制动就是人为地、有控制地对运行着的列车施加阻力，以使列车减速、停车，或阻止列车加速。制动的实质是能量的转化，即列车的动能转化为其它形式的能量。

除牵引系统外，制动系统所消耗的能量占了较大比例。

1 制动系统种类

自从1863年第一条地下铁路在伦敦诞生以来[2]，地铁列车的制动技术随着干线列车的制动技术的发展而不断改进，优化。列车制动形式的发展详见表1。

表1 列车制动形式

早期的制动是人工操作：司机搅动刹车钢丝，使闸瓦紧贴车轮踏面。用摩擦力使车轮减速直至停止，列车的动能通过闸瓦与车轮的摩擦，以热能的形式散发出去。这种原始的制动形式既不安全也不节能。空气制动机出现后，代替原来的机械式制动，用压缩空气推动闸瓦贴合在车轮踏面或制动盘上。在安全性和可靠性上都有了极大的提高，广泛应用于铁路、地铁及其它轨道交通车辆上。随着电子技术的发展，20世纪30年代，出现了以电信号来传递制动指令的制动控制系统，由于采用电信号进行传递制动信息，传输速度得到较大提高，全列车的制动信号一致性好，制动时的冲击较小，制动距离也有所减小，提高了列车上车钩、闸片等部件的寿命[3]。

随着电机技术的发展，列车牵引系统由原来的集中式向分散式发展，“火车跑得快，全靠车头带”在地铁车辆的牵引系统中已经很少；更多的是采用了分布式动力系统。如图1所示为上海地铁6号线车辆牵引动力分布，四辆编组的列车中，中间两节为动车（每个车轴上安装有牵引电机），两边各一节为拖车（无牵引电机）。这种分布式的牵引系统为电制动在地铁车辆中的应用提供了前提条件。目前在地铁车辆中制动系统采用电制动+空气制动的电空联合制动形式。

2 制动过程中使用的节能技术

制动本质上就是将列车的动能转化出去，直至动能为零，列车静止。目前采用的节能措施有：

a）降低所需的制动能量，使所需转化的能量最少；b）对列车动能进行回收再利用；

c）对制动中关键部件进行优化,降低制动系统本身的能耗。

2.1 挖掘列车惰行潜能 降低制动初速度

在主城区内，地铁站间距一般在1.5 km左右，距离较短，列车实际运行过程中一直处于启动—加速—制动—进站停车的循环状态，这种运行模式使牵引和制动都消耗大量的能量。经过充分论证、试验后对列车运行的控制算法进行优化，列车运行过程优化为启动—加速—惰行—制动—进站停车的循环状态。在保证站与站之间运行时间不变的情况下，优化列车速度与时间的关系，详见图2。由图2可看出，优化之后，列车运行的最大速度降低，牵引所需能量减少；优化之后惰行时间延长为（t3-t1）,对应的制动初速度由Ve降为Vc，制动所需转化的动能由。另外，闸瓦的磨耗也有所减轻，使用寿命更长，降低更换频率。根据广州地铁某线路统计结果表明：采用优化控制策略后能降低能耗7%左右。

图1 上海地铁6号线动力分布

图 2 控制策略优化前后 列车速度与运行时间的关系对比

2.2 制动能量回收

在电空制动系统中除了由压缩空气控制的摩擦制动外，还有动力制动（电制动），基本原理是：在制动时牵引电机转变为发电机，将列车的动能转化为电能。

根据对电能的不同处理方式又分为再生制动和电阻制动。再生制动是把电能通过变流器逆向变换，返回电网，实现能量的回收。电阻制动是把电能直接消耗在制动电阻上转变为热能耗散出去。早期的地铁线路曾广泛使用电阻制动来代替空气摩擦制动，使地铁列车能够充分使用电制动，降低制动闸片的磨耗，使列车动能尽量通过电阻发热转移出去。

再生制动出现以后，一般是与电阻制动联合使用。再生/电阻制动原理框图如图3所示。当列车控制系统发出制动指令后，列车进入再生制动模式，牵引电机转化成发电机，将产生的电能反馈回电网。当处于再生制动状况的列车回馈出去的电流不能完全被其它车辆或用电设备所吸收时，吸收装置投入工作，吸收掉多余的回馈电流，使其消耗在吸收电阻（R）上，从而防止制动列车向电网回馈能量而使电网电压升高，超出正常范围，这样可使车辆最大限度地发挥电制动功能。吸收装置采用斩波器（VT）和吸收电阻配合，根据线网电压的变化状态调节斩波器导通比，从而改变吸收功率，将线网电压维持在某一设定值范围内，以保证车辆的安全运行[4]。上海1号线直流车进行交流化改造后，其优良的性能可使电能的再生率达到40%左右，节约了大量电能。

2.3 优化制动系统 降低能耗

虽然列车大部分动能被电制动吸收，但还是有部分动能要靠空气制动系统的摩擦制动来消耗。由于列车在低速时（一般在3～8 km/h）会切换到空气制动模式，另外紧急制动一般也是纯空气制动，因此制动系统对空气的消耗和摩擦闸片的消耗也是不少的。在电空制动系统中，所需要的压缩空气是由安装在车上的空压机组件供给的，空压机把电能转化为电机的动能再转化为压缩空气的压力能，由于经过了电能—动能—压力能的转化，能量利用率不高，活塞式空压机效率在50%左右[5]，随着空压机技术的发展，螺杆式和涡旋式空压机在列车上也已应用，提高了能源利用效率。在制动系统中，闸片属于消耗品，更换频率较高，增加了维修成本。为降低更换频率，主要是从两方面进行改进：第一，在保证安全的情况下，尽量采用电制动，降低使用空气制动时的列车速度，这样可以减少需要通过闸片转移的动能，从而减小闸片的磨耗 ，延长闸片使用寿命；第二，更换闸片材质，早期的摩擦材料主要是铸铁，由于其价格低廉、导热性好在铁路车辆上曾广泛使用，但因磨损较快，更换频繁[6]。有机合成材料是将金属粉末、酚醛树脂和摩擦调节剂等经充分混炼而成，耐磨性性好，使用寿命可达铸铁的4倍以上，目前在一些车辆上应用，效果比较显著。

图3 再生/电阻制动原理

3 节能新技术的展望

在电制动过程中，由于电网网压的限制，会有一部分能量通过吸收电阻发热以热能的形式散发出去。如果能够把这些能量也暂时储存起来，在随后的列车启动、加速或照明、通风等过程中加以利用，也是能量的回收，对降低能耗、节约成本有重要意义。

目前储能形式主要有：电容储能和飞轮储能电池[7]。电容储能主要是在车辆制动过程中，牵引电机转化为发电机，将动能转化为电能，并以化学能的形式储存在电容中。当列车需要启动或加速时再将存储的能量转化为列车运行的动能。储能器既有布置在车下作为车下设备的形式，也有随车布置以车载设备的形式进行安装的。传统的飞轮储能广泛应用于汽车和冲床上，用来暂时储存能量，以顺利通过传动装置的“死点”，但传统飞轮的作用几乎都是暂时存储，现存先用。飞轮储能电池是一种机电能量转换和储存装置，且能够在一定时间内维持能量、衰减很小。具有能量密度高、重量轻、寿命长等特点。能在较短时间内储存制动过程列车的动能，并满足车辆启动时能量的需要提高列车的动力性能。电容储能和飞轮储能目前在地铁车辆上应用的还较少；随着技术的发展，未来在地铁车辆上会有广泛的应用。

[1]李超. 地铁用电系统节能设计浅析[J]. 铁道建筑技术, 2010(s2)：148-151.

[2]王月明. 城市轨道交通列车制动[M]. 北京:科学出版社,2014.

[3]殳企平. 城市轨道交通车辆制动系统[M]. 北京:知识产权出版社,2011.

[4]曾建军等. 地铁再生制动能量吸收装置[J]. 城市轨道交通,2008(6)：44-47.

[5]孙晓明等. 动力用空气压缩机能源效率探讨[J].流体机械，2013,41(11)：44-47.

[6]栾大凯. 铁道车辆用铜基粉末冶金制动闸片的研制及应用[D].北京交通大学,2006.

[7]张新宾等. 飞轮储能系统关键技术[J].储能科学与技术,2015 ,4(1)：55-60.

Study on Energy Saving Technology Applied in Metro Train Braking System

Kou Liangpeng Shanghai Railway Transportation Equipment Development Co,,Ltd

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.012

寇良朋：助理工程师，主要从事地铁车辆制动系统设计与开发。