双碳背景下城轨车辆绿色低碳技术应用与研究

李 梁，张卓杰，孙 瑶，刘亚妮，马喜成

（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001）

1 概述

交通运输是社会经济发展的重要组成部分，也是我国用能的重要领域，其能源消耗和二氧化碳排放占有较大比重。在“碳达峰、碳中和”的国策下，“公交优先”上升为国家策略，“绿色出行”已成为行业共识[1]，交通领域碳减排对全社会“碳达峰、碳中和”目标的实现至关重要。而车辆能耗是其核心组成部分，以1辆地铁A型车为例，每车公里的电能消耗约为2.5 kW · h，每辆车每年运行12万～15万km，每辆车每年能耗为30 万～37.5万kW · h。据统计，截止2021年底，我国城市轨道交通的运行里程达到8 708 km，“十四五”期间，城轨车辆总数将达到数十万辆，其电能消耗量巨大，因此，进一步研究降低城轨车辆碳排放具有重大意义。

交通领域长期以来都是碳排放的重要领域之一，虽然全球各个国家和地区在减少交通领域碳排放、促进交通领域向绿色发展转型方面做出积极努力，也取得了一定的效果和成效，但节能减排之路依然任重道远[2]。 “双碳”背景和目标下，城市轨道交通绿色可持续发展需要不断推进。近来我国对交通领域的绿色发展十分重视，如2021年中共中央国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》中特别指出“加快推进绿色低碳发展，交通领域二氧化碳排放尽早达峰，降低污染物及温室气体排放强度，注重生态环境保护修复，促进交通与自然和谐发展”[3]。

由此可见，从国家战略层面出发，要实现交通领域“双碳”目标，就必须加快形成绿色低碳交通运输方式，加快绿色基础设施建设，开发并广泛运用新能源、新材料以及高效、节能的交通装备，使交通出行更加环保、低碳。

城市轨道交通作为绿色环保的交通工具，在实现交通行业碳中和过程中被委以重任，城轨车辆虽然是采用电气驱动，但在节能降耗方面仍有诸多方面可进一步探究。城轨车辆降低碳排放具体路径主要从四大方面实施，一是提高能源利用转换效率，如选择效率高的系统及部件；二是降低车辆重量，如车辆轻量化技术的应用；三是节能环保技术，如采用氢能源、环保型制冷剂等；四是新技术的应用。下面介绍降低城轨车辆碳排放的具体实施路径。

2 提高能源利用转换效率

2.1 碳化硅功率器件 + 永磁电机 + 高频辅助逆变器的牵引、辅助系统

随着我国城市轨道交通技术的发展，节能技术大量应用于城轨车辆牵引系统中。近年来，随着材料制造和生产工艺的快速进步，大电流、高电压的碳化硅（SiC）功率器件逐步得到应用，达到更高频、高效、低能耗、轻量化、高可用性和低噪声的效果。城轨车辆形成以SiC功率器件和永磁牵引电机为特征的主牵引系统，并搭配高频辅助逆变器的辅助系统，从而最终达到节能目的。在国内某地铁项目中，通过车辆某种场景下的运行数据分析，采用SiC功率器件和永磁电机的组合方式，其效率达到最佳，在列车自动运行（ATO）惰行状态下节能近20%[4]。表1是 SiC功率模块与既有的绝缘栅双极晶体管（IGBT）功率模块的对比。

表1 SiC功率模块与既有的IGBT功率模块对比 %

对于采用永磁电机牵引的车辆，其节能主要体现在效率上，由于城市轨道交通车站间距小，停站多，车辆频繁启停，永磁电机相对异步电机全路段效率较高[5]，永磁电机采用永磁体励磁，与异步电机电流励磁相比消除了电流励磁的热损耗，提高了电机效率，目前传统异步电机的效率在92%左右，而永磁电机的效率在96%左右。根据国内某地铁线路的试验数据，永磁电机相对于异步电机车辆的节能效果如表2所示。

表2 永磁电机与异步电机列车能耗

对于永磁驱动系统，更为节能和轻量化的方案是永磁直驱传动技术，该方案省去齿轮箱和联轴节，其重量、体积都大幅缩小，体积减少近30%（其中电机约占10%，齿轮箱和联轴节约占20%），1台转向架重量也将减轻约700 kg。由于尺寸缩小，其转向架轴距也可缩短，以西门子研发的地铁车辆永磁直驱转向架为例，其轴距由2 500 mm缩短到了1 600 mm，图1和图2分别是西门子的永磁直驱电机和其装配的转向架图。另外，由于无齿轮箱，相比带有齿轮箱驱动的结构，其噪声也将降低了近10 dB，且减少了部件的维护和检修成本，其全寿命周期成本更低[7]。

图1 西门子永磁电机

图2 西门子直驱转向架

城轨车辆采用小型化、轻量化和高性能的高频开关辅助逆变器势在必行。高频辅助逆变器相比工频辅助逆变器，其开关频率大幅提升，可达到10～20 kHz。高频隔离方式采用软开关技术提高开关频率，使辅助逆变器得以向小型化、轻量化和高性能化方向发展，从而达到节能目的。表3是部分厂家高频辅助逆变器与常规辅助逆变器的对比表。

表3 部分厂家高频辅助逆变器与常规辅助逆变器参数

2.2 高压直流变频空调

城轨车辆由于载客量大，空调负荷大，空调能耗是车辆能耗的主要组成部分，目前城轨车辆上的变频空调机组多采用交-直-交变频器，先将工频AC380V 整流成直流电压，再经逆变单元转变成频率可调的交流电输出，存在结构复杂、能量转换效率较低问题，而如果采用高压直流变频空调，可省去中间整流环节，还可以降低AC380V 逆变电源的设计容量，减小了设备的质量和体积，实现了辅助电源系统的小型化及轻量化[8]。高压直流变频空调主要原理拓扑如图3、图4所示。

图3 DC1500V网压高压直流变频空调拓扑图

图4 DC750V网压高压直流变频空调拓扑图

对于传统空调，采用辅助逆变器AC380V供电的技术方案，系统的总体能量转换效率约为87%，而采用高压直流变频空调，其效率约为94%，总体能量转换效率提升7%。车辆重量和设备布置也得到了减轻和优化。对于采用DC1500V的城轨车辆，1列6节编组的列车，其重量可以减少1 t左右。对于采用DC750V的车辆，无需通过辅助逆变器或逆变电源对空调进行供电，则重量减轻更多，每列车减重1.5 t左右。

3 车辆轻量化技术

3.1 轻量化的车体、转向架、内装材料

在满足使用车辆各项要求的前提下降低列车重量，可有效降低运营能耗和全寿命周期成本。对于车辆轻量化，目前常用方法为采用新材料、新工艺等实现整车的节能。如车体材料采用铝合金或碳纤维材料，以国内地铁6节编组B型车为例，采用不同材料的减重效果如表 4所示。

表4 3种不同车体材质重量 t

转向架构架采用碳纤维材料，齿轮箱采用铝合金齿轮箱等也可减轻重量。如铝合金齿轮箱相比铸铁材质单个箱体可减重70 kg，1列6节编组（4动2拖）的地铁列车可以减重1 120 kg；碳纤维、镁铝合金，聚碳酸酯、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）夹芯材料、芳纶蜂窝等材料也可以应用于城轨车辆内装部件中，其主要应用和减重效果如表5所示。

表5 主要轻型材料应用和减重情况 %

3.2 电机械制动 + 铝合金制动盘

对于城轨车辆，应用成熟的制动系统的制动力一般由空气或液压施加，列车上需要配置主风缸和空气压缩机等设备。目前正在研制一种新的制动力施加方式，即通过电施加，采用电子机械制动方式，该种方式从制动系统单方面考虑，可以减少列车上制动管路的布置，取消主风缸和空气压缩机等设备。但如果列车上有其他用风设备如空气弹簧等，空气压缩机则不能取消。从整车角度考虑，由于列车制动管路减少，整车重量可略微降低。

另外，部件材料的选型方面，可以采用更轻的材料，如制动盘采用铝合金制动盘，目前铝合金制动盘在城轨车辆上已经得到大量应用。单个铝合金制动盘相对常规的铸铁盘可减轻54 kg，单辆车可减重432 kg。以1 列6节编组的地铁列车为例，整列车可以减重2 592 kg，其轻量化和节能效果显著。铝合金制动盘在采用轮盘制动的地铁车辆上应用广泛，如上海地铁16 号线、深圳地铁11号线等项目。电机械制动目前还处于研发阶段，尚未进行实际装车应用。

4 节能环保技术

4.1 氢燃料动力电池

氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，从20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能源研究。氢作为新兴能源崭露头角，在绿色清洁、提高能源利用效率等方面的优势越发明显。氢燃料动力被视为未来的发展方向[9]。

氢燃料电池技术是通过氢与氧的直接电化学反应发电，是电解水的逆过程，能量密度高、噪声低、无污染，发电反应最高温度不超过100 ℃，不产生氮氧化合物，唯一的排放物质只有水，是真正的“零排放”。

氢燃料电池技术则是氢能源技术的重点研究方向。在轨道交通领域，氢气主要结合燃料电池一起构成动力系统，不仅可替代传统内燃动力系统，而且可使车辆摆脱线路牵引供电系统，降低对线路的投资，同时具有噪声小、污染低、以及使用寿命长等特点。

针对采用无网供电技术的车辆，氢燃料具有较好的适应性，如有轨电车。应用于城轨车辆的氢燃料电池主要由氢燃料电池模块、散热冷却系统和车载储氢系统构成，图5是某有轨电车氢燃料电池系统结构组成。

图5 有轨电车氢燃料电池系统结构组成

以某有轨电车为例，氢燃料动力系统参数表配置如表6。

表6 某有轨电车氢燃料动力系统参数配置表

4.2 二氧化碳制冷剂

传统的空调制冷剂氟利昂是一种人工合成的制冷剂，不但会破坏臭氧层，而且会造成地球暖化。通过换算，使用1 t的氟利昂相当于3 900 t左右的二氧化碳排放。目前城轨车辆使用的R410、R407等类型空调制冷剂同样存在温室效应问题，不能够满足长期的环保要求[10]。城轨车辆空调采用CO2制冷剂，具有环境友好，安全无毒、制冷性能好等一系列优势，但目前使用成本较高。与现有R407C制冷剂空调相比，名义工况下能效比（COP）约低15%，随着环境温度的下降，能效比的差距缩小。表7是在城轨车辆上使用R407C、R410A制冷剂与CO2制冷剂的对比表。

通过表7可以看出，目前，相对R407C、R410A制冷剂，CO2制冷剂的额定制冷量和能效比都相对较低，未来还需要通过技术突破，提高其制冷量和能效比，使其在城轨车辆领域获得更加广泛的应用。

5 新技术的应用

5.1 列车在线解编连挂技术

在线解编联挂是针对客流具有明显潮汐特征的地铁线路的一种优化解决方案。它是指在客流高峰时段，组织列车联挂上线，增加客流运输能力；在客流低谷时段，又可解编列车，这样既能实现节能减排，又能根据客流需要灵活组织运能。以上海地铁16号线“3+3”在线解挂编的行车为例，在客流较少的情况下，可以将1列6节编组列车在线路上解编为2列3节编组列车，再分别投入运营。而在客流高峰期，解编的2列3节编组列车也可以在正线上连挂为1列6节编组地铁列车投入运营，提升运能。这种方案能在满足线路载客量和服务质量等方面最大程度地节约能耗。根据国内某条高铁长期运行情况统计，不同客流条件下2种编组方案比较，灵活编组列车能耗相比固定编组能耗降低34.84%[11]。采用2列8节编组重联运行的高铁列车与2列3节编组重联运行的地铁列车在系统架构上一致，但由于车辆形式、动拖比、最高运行速度等不一致，2列车3节编组重联运行的地铁列车相比6节编组固定运行列车的具体节能数值还需要通过长期运行进行详细的数据分析才能得到。

5.2 全自动驾驶技术

以地铁列车为例，全自动驾驶技术可以实施多列车的自动、实时、协调控制，如合理安排列车交会，避免列车交会中的启停，防止列车同时启动，避免负载集中等，实现列车、车站机电设备节能优化运行；通过列车运行策略的优化，可最大限度实现再生制动能量的吸收，从而达到节能目的。从法国地铁公司多年运营数据分析，全自动驾驶列车可降低系统整体能耗15%左右。列车运行策略主要有3种，即节时运行策略、定时节能运行策略以及节能运行策略。如列车在高峰期运行，此时运输需求量较大，最需要的是在较短的时间内将乘客进行转运，宜采用节时运行策略；列车在非高峰运行，对于运输的需求量不高，此时可以牺牲一部分时间，减少列车的能耗，可采取定时节能优化策略；节能运行策略一般是最大限度地减少制动操作，通过多次惰行+牵引交替的方式到达终点，这种方法会增加运行时间，难以满足运行时刻表的要求，实际运行过程中较少采用。这3种策略可根据实际运行需要进行选择。全自动驾驶技术可根据实际情况选择最佳的运行策略，从而达到节能的目的。

通过国内某条地铁线路运行比较，经过数据分析比对，相比未作优化时的总牵引能耗，采取优化运行策略列车的节能效率达到11.74%[12]。

6 结语

在“碳达峰、碳中和”目标之下，城市轨道交通如何实现降低碳排放及进一步节能优化是需要不断探索的重要课题，当前城轨车辆正在面临一场低碳技术的革命，其主要路径聚焦在提高能源利用转换效率、车辆轻量化、采用节能环保的动力电源和环保型媒介，以及新技术的应用等，车辆的研发、改进将主要围绕节能高效、绿色环保、新型能源等方面实施，至于车辆具体采用哪项节能降碳措施或技术方案，还需要结合成本、应用情况、全寿命周期、车辆适应性等方面综合考虑与选择，从而更加科学合理地推动城市轨道交通行业“双碳”目标的实现，真正意义上实现城市轨道交通绿色低碳发展，为我国“双碳”目标的实现贡献力量。