高速列車節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研究

孫幫成，李明高，安　超，馬紀(jì)軍，于金朋

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

高速列車節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研究

孫幫成，李明高，安超，馬紀(jì)軍，于金朋

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

隨著高速鐵路快速發(fā)展，大量高速列車投入運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了能源消耗與環(huán)境保護(hù)等一系列問題。本文系統(tǒng)闡述了高速列車的能耗組成、權(quán)重及影響因素，進(jìn)一步詳細(xì)論證了高速列車節(jié)能降耗的關(guān)鍵技術(shù)。從低阻力技術(shù)、高能效牽引技術(shù)和能量回收再利用與綜合管理等方面詳細(xì)論證了節(jié)能降耗效果，有力推動(dòng)我國(guó)高速列車的綠色、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展，持續(xù)提高我國(guó)高速列車高能效水平。

高速列車；節(jié)能降耗；高能效

1　前言

《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》、《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》（國(guó)務(wù)院）、《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》和《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等突顯了節(jié)能減排已成為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。

截至2014年10月，我國(guó)高速鐵路“四縱四橫”干線基本成型，總開通里程13 597 km，其中250km/h線路6952km，350km/h線路6645km[1～3]，運(yùn)營(yíng)里程占世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的50%，居世界高鐵里程榜首，橫跨高寒、高風(fēng)沙、高濕熱等不同地域環(huán)境；已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)高速列車共計(jì)1 352列/1 660組[3]，其中250 km/h動(dòng)車組606列/674組（8輛編組），350 km/h動(dòng)車組746列/986組（8輛編組）；累計(jì)運(yùn)行里程2.38×109km，其中250km/h運(yùn)行里程1.05×109km，250 km/h運(yùn)行里程1.33×109km。隨著全球資源日益匱乏、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重和氣候變化影響日漸深刻，伴隨著高速列車廣泛投入運(yùn)營(yíng)，高速鐵路的能源消耗與環(huán)境保護(hù)給運(yùn)營(yíng)企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，也給日益緊缺的能源和環(huán)境保護(hù)工作帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，原鐵道部改革后以企業(yè)形式進(jìn)行市場(chǎng)化經(jīng)營(yíng)運(yùn)作，提高車輛運(yùn)能，降低運(yùn)營(yíng)成本，經(jīng)濟(jì)效益最大化也成為其首要目標(biāo)之一。這些大力促進(jìn)了我國(guó)高速鐵路運(yùn)輸向節(jié)能、環(huán)保和更加安全的方向發(fā)展。

世界各國(guó)主要采用低氣動(dòng)阻力設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、高效牽引系統(tǒng)、低能耗輔助設(shè)備和能量綜合管理等技術(shù)措施來(lái)降低列車能耗，提高列車單位能效。龐巴迪基于能源、效率、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的ECO4理念，通過(guò)氣動(dòng)阻力優(yōu)化，減阻12%；采用高效智能化空調(diào)以及廢排余熱利用，節(jié)約能源率達(dá)26%；采用司機(jī)智能化輔助駕駛系統(tǒng)，提高牽引與電制動(dòng)的效率，節(jié)能高達(dá)15%；整車材料回收率超過(guò)95%，整車綜合節(jié)能高達(dá)50%。我國(guó)CRH3系列動(dòng)車組在整車減阻設(shè)計(jì)優(yōu)化、車輛輕量化、長(zhǎng)大車體以及高效牽引等方面也進(jìn)行了積極嘗試和工程化應(yīng)用，整車綜合節(jié)能高達(dá)28%。但與國(guó)外相比，我國(guó)高速列車綜合節(jié)能提升空間巨大，節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)的研究與綜合應(yīng)用需要系統(tǒng)深入的研究。

2　高速列車能耗構(gòu)成與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1高速列車全壽命周期能耗組成分析

通過(guò)對(duì)既有高速鐵路運(yùn)營(yíng)能耗綜合統(tǒng)計(jì)分析（見圖1）可知，從能量消耗主體來(lái)看，與高速列車運(yùn)行相關(guān)的能耗占整個(gè)高速鐵路能耗的80%以上[4，5]。高速列車全壽命周期內(nèi)的能耗貫穿于設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和報(bào)廢等各個(gè)階段，如圖2所示。從圖2可知，運(yùn)營(yíng)過(guò)程能耗在全壽命周期內(nèi)所占比重最大，是高速鐵路節(jié)能降耗的重點(diǎn)階段。高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的能耗主要包括牽引運(yùn)行能耗和輔助能耗兩大部分，與車輛的環(huán)境特性、線路特性、供電特性、牽引特性、電制動(dòng)特性、速度特性、編組特性、運(yùn)行圖、客流量、操縱特性以及車載輔助設(shè)備等密切相關(guān)[6，7]。

圖1　高速鐵路運(yùn)營(yíng)能耗比例Fig.1　Energy consumption proportional of high-speed railway

圖2　列車全壽命周期能耗分布Fig.2　Energy consumption distributing of whole-life cycle

2.2高速列車運(yùn)營(yíng)能耗組成分析

高速列車運(yùn)營(yíng)能耗主要是電能消耗，由牽引能耗、制動(dòng)能耗、輔助能耗、傳動(dòng)能耗組成。其中，牽引能耗主要取決于動(dòng)能損耗、運(yùn)行氣動(dòng)阻力、牽引效率；制動(dòng)能耗主要是剎車熱能損耗；輔助能耗主要包括輔助設(shè)備負(fù)載能耗及列車溫度調(diào)節(jié)能耗；傳動(dòng)能耗主要包括輪軌關(guān)系引起的能耗及摩擦磨損造成的能耗。列車運(yùn)營(yíng)能耗模型如圖3所示。

圖3　列車運(yùn)營(yíng)能耗模型Fig.3　Energy consumption model of vehicle

牽引能耗[8，9]約占列車總能耗的60%以上。其中，氣動(dòng)阻力能耗占比重最大，其次是牽引設(shè)備能耗。氣動(dòng)阻力能耗主要是運(yùn)行阻力中克服空氣阻力引起的能耗，主要與車輛外形、車頭長(zhǎng)細(xì)比、車輛截面積、列車編組等因素密切相關(guān)。對(duì)于高速列車而言，氣動(dòng)阻力在運(yùn)行阻力中占主導(dǎo)地位，所引起的能耗與速度平方呈線性增長(zhǎng)，不同速度下氣動(dòng)阻力能耗占牽引系統(tǒng)能耗比重為70%（200 km/h）、80%（300 km/h）、85%（350 km/h）。牽引設(shè)備能耗主要是由于各種電氣元件和機(jī)械元件效率低導(dǎo)致部分能量以熱量形式耗散。

輔助能耗主要是滿足乘客服務(wù)功能的輔助設(shè)備所引起的能耗，主要包括照明、取暖及通風(fēng)等功能。輔助能耗約占列車總能耗的20%。

傳動(dòng)能耗主要是因傳動(dòng)系統(tǒng)部件的工作效率及其摩擦磨損所造成的能耗，主要包括制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)和受電弓等，其能耗約占列車總能耗的10%。

另外，列車能耗還包括電力供應(yīng)系統(tǒng)損耗是由懸鏈線電阻和變電站能量轉(zhuǎn)換損耗造成，在忽略列車特性和給定供電電壓下，其能耗為定值。

根據(jù)列車運(yùn)營(yíng)能耗模型，通過(guò)能量路徑和能量消耗特征的分析，可以預(yù)見各能耗對(duì)象采取相應(yīng)節(jié)能技術(shù)措施后對(duì)列車節(jié)能的貢獻(xiàn)率情況，如圖4所示。

圖4　高速列車節(jié)能貢獻(xiàn)率Fig.4　Energy efficiency contribution ratio of high-speed trains

2.3高速列車能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)上述列車運(yùn)營(yíng)能耗模型，選取人均能耗作為高速列車能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估其能耗水平。人均能耗指標(biāo)主要由列車運(yùn)用總能耗和列車定員決定，數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5　列車人均能耗模型Fig.5　The model of energy consumption per capita

通過(guò)既有時(shí)速300 km/h動(dòng)車組在京津交路正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)營(yíng)能耗統(tǒng)計(jì)分析以及列車定員情況，得到了當(dāng)前高速列車的每百千米能耗和人均每百千米能耗，如表1所示[10]。

表1　CRH3C動(dòng)車組百千米能耗分析表Table 1　Analytical table of energy consumption per hundred kilometers of CRH3C electric multiple unit(EMU)

由圖3和圖5可知：需要從大定員、低阻力、高效牽引和能量回收再利用與綜合管理等方面開展節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)的研究，降低高速列車能耗水平，提高能量利用效率，降低單位定員能耗。

3　高速列車大定員技術(shù)

3.1影響大定員技術(shù)主要性能指標(biāo)

大定員是在一定技術(shù)條件下，通過(guò)車體和列車布局的綜合優(yōu)化，最大限度地增加車廂內(nèi)的乘座面積，提高車輛載客數(shù)量。一般為車廂內(nèi)座位數(shù)和站位數(shù)之和，是衡量車輛載客能力的基本技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前主要是通過(guò)車體加長(zhǎng)、車體加寬、車體加高（雙層）和車輛布置優(yōu)化等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)列車大定員，提高列車載客能力，以顯著降低人均能耗。同時(shí)，這些技術(shù)措施的實(shí)施過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮要與建筑限界、曲線通過(guò)能力、軸重、模態(tài)等相互協(xié)調(diào)匹配，確保車輛運(yùn)行安全。

3.1.1與限界協(xié)調(diào)

由于列車高速運(yùn)行以及輪軌自導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，車輛運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生橫向、垂向以及滾擺運(yùn)動(dòng)，應(yīng)保證車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線與建筑限界之間有一定的安全裕量。大車體結(jié)構(gòu)可充分利用既有建筑限界，使車輛具有最大的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線與建筑限界相匹配，提高列車載客能力。影響動(dòng)態(tài)限界的因素分為與線路和制造有關(guān)的隨機(jī)因素Z和與車輛設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)的非隨機(jī)因素NZ。通常對(duì)隨機(jī)因素采用平方和開根號(hào)的疊加原則，對(duì)非隨機(jī)變量直接相加，車體最大橫向或垂向偏移量公式可表示為

式（1）中，m為非隨機(jī)因素?cái)?shù)個(gè)數(shù)；n為隨機(jī)因素?cái)?shù)個(gè)數(shù)。

3.1.2與曲線協(xié)調(diào)

通過(guò)曲線時(shí)車體整體向曲線外側(cè)移動(dòng)，在曲線上的內(nèi)側(cè)偏移量減小，而在曲線上的外側(cè)偏移量增加，通過(guò)幾何計(jì)算公式即可得出車端伸出量dga和車內(nèi)伸出量dgi，如圖6所示。與此同時(shí)，輪軌垂向載荷也發(fā)生變化，曲線內(nèi)軌車輪減載，外軌車輪增載[11]。因此，長(zhǎng)大車體曲線通過(guò)校核要重點(diǎn)評(píng)估輪對(duì)橫向位移、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對(duì)橫向力和車體未被平衡離心加速度，以保證車輛曲線通過(guò)時(shí)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。

圖6　曲線線路上伸出量計(jì)算示意圖Fig.6　The sketch map of bit stick-out calculation on curved track

曲線線路上伸出量

3.1.3與模態(tài)協(xié)調(diào)

高速列車高速運(yùn)行使得輪軌激勵(lì)頻率加快，以及車輛輕量化水平提高，高速列車彈性振動(dòng)較為突出，影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性，大車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車輛布置應(yīng)避免車輛振動(dòng)與輪軌激勵(lì)之間產(chǎn)生諧振，應(yīng)保證車輛整備狀態(tài)下的一階垂彎頻率大于10 Hz，或滿足TB/T 3115中要求的車體一階彎曲自振頻率與轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭、浮沉自振頻率的比值大于1.4倍。

圖7　車體垂向振動(dòng)模型Fig.7　Vertical vibration model of car-body

高頻激勵(lì)時(shí)，當(dāng)設(shè)備的激勵(lì)頻率p偏離車體系統(tǒng)固有頻率ωn一定數(shù)值后，車體的振幅響應(yīng)迅速下降。對(duì)于車輛振動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，避免車體和設(shè)備發(fā)生諧振的頻率范圍為

3.1.4與軸重協(xié)調(diào)

長(zhǎng)大車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車輛布置在滿足《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》的輪重差、軸重差同時(shí)，還應(yīng)考慮軸重的增大對(duì)既有線路軌道與橋梁的損傷與維護(hù)、車輛部件安全、制動(dòng)距離以及車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。軸重增加使輪軌間的動(dòng)態(tài)力增加、加速對(duì)線路和橋梁的損壞、加快輪軌磨耗；增加車輛制動(dòng)距離。

3.2國(guó)外高速列車定員水平

日本的E4型8輛編組雙層列車定員為817人，比同編組數(shù)量的E2型單層列車定員增加了45%，每米座位數(shù)和單位重量定員分別比E2增加了0.91和0.19（見表2）。

德國(guó)采用動(dòng)力分散、合理車輛布局等措施增加列車定員。如ICE3比動(dòng)力集中型的ICE1定員增加了20%，每平方米座位數(shù)從1.9增加到2.3個(gè)，運(yùn)營(yíng)時(shí)具有更好的每座位-千米經(jīng)濟(jì)效益（見表2）。

法國(guó)AGV通過(guò)車內(nèi)布局優(yōu)化，可節(jié)省20%的空間，增大定員數(shù)量，單位重量定員從1.01增加到2.07（見表2）。

表2　國(guó)外動(dòng)車組載客能力Table 2　Passenger capacity of the domestic and foreign EMUs

3.3CRH3型系列高速列車定員水平

通過(guò)車體結(jié)構(gòu)、列車布局以及客室空間優(yōu)化的再創(chuàng)新，研制了適應(yīng)不同交路運(yùn)行、不同客運(yùn)量需求、不同旅客出行等需求的大定員CRH3型系列動(dòng)車組，其定員水平如表3所示。從表3可知，在每平米座位數(shù)方面，CRH3型系列高速列車的單位面積載客能力處于較高水平，與Velaro E相比，列車定員大幅提高，顯著降低列車人均能耗，列車能效比提高。唐山軌道客車有限責(zé)任公司新研發(fā)的CJ160單位載客能力最大，單位重量定員和每米座位數(shù)分別為3.37和3.16，人均能耗約為CRH3C和CRH380BL的1/3。

表3　CRH3型系列高速列車定員水平Table 3　The seating capacity of 3 type series high-speed trains

4　高速列車降耗關(guān)鍵技術(shù)

4.1低阻力技術(shù)

隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車運(yùn)行阻力主要與列車的氣動(dòng)性能和重量密切相關(guān)，降低高速列車運(yùn)行能耗主要集中于氣動(dòng)減阻技術(shù)和輕量化。

4.1.1氣動(dòng)減阻技術(shù)

1）車輛外形設(shè)計(jì)技術(shù)。CRH3型系列動(dòng)車組車輛斷面呈鼓形，各部件之間圓弧過(guò)渡，同時(shí)采用與車身橫斷面形狀相吻合的裙板封閉車下設(shè)備，減小空氣阻力，有利于緩解列車交會(huì)壓力波及橫向阻力、側(cè)滾力矩的作用。通過(guò)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)、流固耦合分析及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，CRH380BL動(dòng)車組相對(duì)于CRH3C動(dòng)車組實(shí)現(xiàn)減阻8%，CRH380B-002綜合檢測(cè)列車相對(duì)于CRH380BL動(dòng)車組有減阻6%的持續(xù)減阻效果[12]。圖8、圖9為車輛外形減阻，圖10為CRH3系列運(yùn)行阻力對(duì)比。

圖8　CRH380BL車輛外形減阻Fig.8　Vehicle shape drag reduction of CRH380BL

圖9　CRH380-002車輛外形減阻Fig.9　Vehicle shape drag reduction of CRH380-002

圖10　CRH3系列運(yùn)行阻力對(duì)比Fig.10　The running resistance comparison of CRH3

2）表面改形及改性減阻技術(shù)。高速列車的空氣阻力由壓差阻力和粘性阻力構(gòu)成。其中，壓差阻力可通過(guò)車頭的流線型設(shè)計(jì)控制，粘性阻力可以通過(guò)列車表面的微結(jié)構(gòu)改形和改性的設(shè)計(jì)控制。

采用仿生學(xué)開展車頭流線型設(shè)計(jì)是常用的方法。以8輛編組、車長(zhǎng)200 m，高4.185 m，寬3.26 m，截面積14.019 m2、流線型長(zhǎng)度約為7.453 m的列車為研究對(duì)象，車頭經(jīng)仿生學(xué)流線型減阻分析后工程化模型如圖11～圖13所示，仿生頭型工程化結(jié)果如表4所示[13]。

圖11　海豚Fig.11　Dolphin

圖12　工程化模型頭車壓力云圖Fig.12　Stress nephogram of the head vehicle

圖13　工程化模型尾車壓力云圖Fig.13　Stress nephogram of the tail vehicle

表4　海豚型列車氣動(dòng)性能（350 km/h）Table 4　Aerodynamic performance of dolphin vehicle（350 km/h）

列車表面微結(jié)構(gòu)改形減阻是通過(guò)在列車車身表面布置凸起、凹坑、肋條等微結(jié)構(gòu)，改善列車表面的空氣流動(dòng)情況，降低列車表面的粘性阻力，而且不至于過(guò)大增加列車的壓差阻力，從而達(dá)到列車減阻的效果。

通過(guò)不同形狀和尺寸的微結(jié)構(gòu)及布置方式的對(duì)比計(jì)算，初步得出減阻效果較好的微結(jié)構(gòu)形狀，尤其以尾車運(yùn)用效果為最佳，如圖14和表5所示[14]。

圖14　微結(jié)構(gòu)形狀及布置位置Fig.14　Microstructure shape and location

表面改性減阻則是在列車表面涂覆一層特種（低表面能、疏水/超疏水性能）涂層，流體流經(jīng)分子涂層時(shí)產(chǎn)生了滑移，邊界層厚度增加、速度梯度減小，使湍流轉(zhuǎn)捩點(diǎn)后移，從而減小了壁面摩擦阻力，以達(dá)到減阻降噪的效果[15]。

Watanable等利用丙烯酸樹脂改性的氟烷烴制備疏水材料，研究了管道內(nèi)壁涂覆疏水涂層的減阻效果[15]。

張維鈺等采用溶膠-凝膠法制備SiO2顆粒，將其添加于聚偏二氟乙烯中，噴涂于試件表面形成SiO2疏水涂層，改變SiO2顆粒用量，減阻效果也會(huì)隨之改變[16，17]。

表5　阻力構(gòu)成（壓差阻力、粘性阻力）Table 5　Resistance composing（pressure resistance，viscous resistance）

4.1.2輕量化技術(shù)

車輛重量與運(yùn)行阻力中的滾動(dòng)阻力成線性關(guān)系，車輛的輕量化對(duì)于降低機(jī)械阻力效果明顯，并可降低坡道阻力。由于動(dòng)能與速度的平方及質(zhì)量成正比，輕量化能抑制隨高速化而增大的制動(dòng)吸收能。如速度從220 km/h提高到270 km/h，動(dòng)能增加1.5倍左右，但是，如果質(zhì)量降低30%，則動(dòng)能僅增加5%。

1）零部件輕量化。車內(nèi)設(shè)備如門、窗、座椅等約占列車總重量的20%，選用輕合金和高分子材料部件重量將大大減輕。如雙人座椅采用鋁-鋼合制或全鋁制，重量由原鋼制56 kg分別降為32 kg和24 kg；車窗采用聚碳酸脂（PC）材料，重量約為同厚度玻璃的1/15。

2）輕量化新型復(fù)合材料應(yīng)用。復(fù)合材料部件立足于復(fù)合材料的高性能和可設(shè)計(jì)性，有效實(shí)現(xiàn)部件的韌性與剛度、減重與強(qiáng)度、環(huán)保與隔熱的性能匹配，結(jié)構(gòu)安全、輕量化、減振降噪、隔熱等綜合性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)部件的綠色環(huán)保。目前，已成功研制了纖維復(fù)合材料零部件，部分部件及性能如圖15和表6所示[18]。

圖15　復(fù)合材料部件Fig.15　Composite material components

表6　復(fù)合材料性能指標(biāo)分析Table 6　Performance index analysis of composite material

內(nèi)飾約占列車總重量的13%。天然的無(wú)機(jī)膨化蛭石復(fù)合材料具有輕質(zhì)、耐高溫、防火、防凍、耐候性好、不易老化、絕熱、保溫、隔音、綠色環(huán)保等優(yōu)良特性，國(guó)內(nèi)已經(jīng)采用新型蛭石復(fù)合材料成功研制了部分零部件。與既有膠合板、玻璃鋼的部件相比采用蛭石復(fù)合材料的內(nèi)裝飾件，可以有效提高部件性能指標(biāo)，如表7所示[19]。

表7　蛭石復(fù)合材料部件性能分析Table 7　Performance analysis of vermiculite composite material components

4.2高效牽引系設(shè)計(jì)技術(shù)

4.2.1大功率動(dòng)力包集成技術(shù)

高速列車既有動(dòng)力系統(tǒng)主要由變壓器、變流器、電機(jī)組成且獨(dú)立安裝，變壓器和變流器配置獨(dú)立的冷卻單元，重量占整車電氣設(shè)備的60%以上，安裝空間占整個(gè)車輛底部的15%以上。根據(jù)車輛變流原理（見圖16），通過(guò)功能、結(jié)構(gòu)和性能的接口匹配研究，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出動(dòng)力包集成（見圖17），與既有動(dòng)力系統(tǒng)相比可節(jié)省安裝空間約20%，減輕重量約5%，提高系統(tǒng)工作效率約2%，降低采購(gòu)成本約8%。

圖16　車輛變流原理Fig.16　Vehicle variable flow principle

圖17　動(dòng)力包集成Fig.17　Integrated power package

4.2.2高效能牽引部件

1）電力電子變壓器。動(dòng)力分散動(dòng)車組的牽引變壓器一般布置在拖車，對(duì)輪軌粘著力不起作用，但其重量及其效率卻影響運(yùn)行能耗。隨著電力電子器件和高頻變換技術(shù)的發(fā)展，新型高頻電力電子變壓器已研制成功，其工作原理如圖18所示，與傳統(tǒng)牽引變壓器相比，重量減少了50%，節(jié)省了安裝空間10%以上，效率提高了3%。中國(guó)科學(xué)院電工研究所已成功研制出3 MW電力行業(yè)用電力電子變壓器，北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、南車株洲電力機(jī)車研究所等單位也已完成軌道行業(yè)用電力電子變壓器工程化樣機(jī)的開發(fā)。國(guó)外阿爾斯通公司及ABB公司已將電力電子牽引變壓器應(yīng)用于軌道交通車輛中（如圖19所示）。

圖18　電力電子變壓器原理Fig.18　The principle of power electronic transformer

圖19　ABB電力電子變壓器樣機(jī)Fig.19　The sample of power electronic transformer machine ABB

圖20　永磁電機(jī)樣機(jī)Fig.20　The sample of permanent-magnet

2）永磁同步電機(jī)。隨著永磁材料性能的提高以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展步入了新階段，永磁電機(jī)樣機(jī)如圖20所示，與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的效率對(duì)比如圖21所示。與傳統(tǒng)的異步牽引電動(dòng)機(jī)相比，結(jié)構(gòu)更緊湊，節(jié)省安裝空間約10%；質(zhì)量更輕，減重約30%；效率更高，攻率因數(shù)接近于l，高出3%；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)；不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，降低了對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)的影響[20，21]。株洲所研制了新一代高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)，近日已成功通過(guò)國(guó)家鐵道檢測(cè)試驗(yàn)中心的地面試驗(yàn)考核。首輛裝有永磁牽引系統(tǒng)的高速列車（速度350 km/h）已經(jīng)在南車整車下線（如圖22所示），采用齒輪傳動(dòng)，電機(jī)功率為600 kW，功率質(zhì)量比大于1，效率為97.7%，最大轉(zhuǎn)速為5 800 r/min。

圖21　永磁電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)效率對(duì)比Fig.21　The efficiency contrast of permanent-magnet machine and induction-motor

圖22　高鐵永磁同步牽引系統(tǒng)及原理圖Fig.22　Permanent magnetism traction system and principle of high-speed trains

4.2.3節(jié)能司控系統(tǒng)

高速列車節(jié)能運(yùn)行控制對(duì)高速列車節(jié)能降耗至關(guān)重要，其與列車的技術(shù)特性、編組形式、運(yùn)行工況、線路條件、自然環(huán)境及運(yùn)行圖等密切相關(guān)[22]?；谧罴芽刂圃瓌t（如圖23所示），研究運(yùn)行過(guò)程中列車牽引力和制動(dòng)力的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)匹配管理和控制，輔助列車司機(jī)確定列車的速度、加速度、減速度，實(shí)現(xiàn)列車在定時(shí)約束條件下最小能耗[23～25]。

目前，國(guó)內(nèi)已完成高速列車節(jié)能司控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室軟硬件開發(fā)及其相關(guān)測(cè)試工作，即將進(jìn)行系統(tǒng)的半實(shí)物聯(lián)調(diào)聯(lián)試及裝車驗(yàn)證。以京津城際列車為例，采用節(jié)能司控系統(tǒng)的列車運(yùn)行能耗如圖24所示，其能耗比試驗(yàn)測(cè)試值降低了約14%[26]。

圖23　最佳控制原則示意圖Fig.23　The optimal control principle

圖24　京津城際動(dòng)車組運(yùn)行能耗Fig.24　Energy consumption of Beijing—Tianjin intercity EMUs

4.3能量回收再利用與綜合管理

4.3.1電制動(dòng)技術(shù)

動(dòng)力分散高速列車驅(qū)動(dòng)軸多，基于電制動(dòng)優(yōu)先策略，制動(dòng)基本由電制動(dòng)負(fù)擔(dān)。電制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕娔埽祷亟佑|網(wǎng)或向其他輔助設(shè)備供電，減少基礎(chǔ)制動(dòng)磨損，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)節(jié)能。

我國(guó)目前采用的電制動(dòng)一般在15 km/h開始電制動(dòng)力卸載，8 km/h完全切除，并將再生電能反饋電網(wǎng)，如圖25所示。日本N700系電制動(dòng)向拖車輔助供電設(shè)備供電（如圖26所示），避免了再生能量污染電網(wǎng)供電品質(zhì)。圖27為車內(nèi)流場(chǎng)自適應(yīng)控制示意圖。另外，國(guó)內(nèi)在積極開展低速區(qū)再生制動(dòng)技術(shù)研究，拓展再生制動(dòng)運(yùn)行區(qū)間，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)到零，電制動(dòng)運(yùn)用最大化，降低基礎(chǔ)制動(dòng)磨耗。風(fēng)道布置優(yōu)化如圖28所示。

圖25　能量反饋電網(wǎng)Fig.25　Energy feedback power grid

圖26　能量向拖車供電Fig.26　Supply energy to the trailer

圖27　車內(nèi)流場(chǎng)自適應(yīng)控制Fig.27　Vehicle flow adaptive control

圖28　風(fēng)道布置優(yōu)化Fig.28　Duct layout optimization

4.3.2高能效空調(diào)系統(tǒng)

輔助供電系統(tǒng)能耗主要包括空調(diào)、照明、設(shè)備通風(fēng)冷卻等耗能[6]，而空調(diào)系統(tǒng)能耗占整個(gè)輔助供電系統(tǒng)能耗的一半以上?？照{(diào)系統(tǒng)能耗主要與人員、車內(nèi)流場(chǎng)、綜合傳熱系數(shù)、氣候環(huán)境、滲透風(fēng)、運(yùn)行速度等因素相關(guān)，如表8所示[27]。

表8　各因素改變時(shí)能耗的變化比率Table 8　Change ratio of energy consumption when factors change

基于運(yùn)行條件、運(yùn)行速度、車輛結(jié)構(gòu)、定員等關(guān)系動(dòng)態(tài)跟隨車內(nèi)所需供冷/熱量，采用變制冷劑流量（VRV）/變風(fēng)量（VAV）實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷自適應(yīng)控制技術(shù)，尚處于理論研究與技術(shù)驗(yàn)證階段。CRH3系列高速動(dòng)車組主要采用：優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)布置，合理分配及優(yōu)化控制不同環(huán)境和時(shí)間段下機(jī)組功率，降低空調(diào)輸入能量；采用新型阻尼材料、冷橋熱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化車輛隔熱結(jié)構(gòu)(見圖29)，提升車輛綜合隔熱系數(shù)，可提高車體隔熱性能約10%，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗約3%[25，26]。

圖29　隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.29　Heat insulation structure optimization

廢排余熱再利用是通過(guò)熱交換系統(tǒng)利用廢排空氣預(yù)熱/預(yù)冷。這方面國(guó)外已成功應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。龐巴迪公司空調(diào)系統(tǒng)預(yù)熱原理及效果分別如圖30和表9所示，實(shí)現(xiàn)節(jié)能約26%。國(guó)內(nèi)正在積極開展飲用水預(yù)熱原理及其技術(shù)可行性驗(yàn)證，如圖31所示。以25G型KLD35空調(diào)機(jī)組為例，廢排熱量預(yù)熱飲用水（20 L）至中品位（25℃升至60℃），12節(jié)車廂，運(yùn)行18 h/天，可節(jié)省電量為97.2 kW·h，一年（按200天）可以節(jié)省電能為194 440 kW·h/輛[28]。

圖30　空調(diào)系統(tǒng)預(yù)熱Fig.30　Preheat of air conditioning system

表9　空調(diào)系統(tǒng)余熱節(jié)能效果Table 9　Waste heat and energy saving effects of air conditioning system

圖31　飲用水系統(tǒng)預(yù)熱Fig.31　Preheat of drinking water system

5　結(jié)論與展望

5.1結(jié)論

基于CRH3系列高速列車技術(shù)的引進(jìn)消化吸收，積極開展了氣動(dòng)減阻優(yōu)化、輕量化、高效牽引系統(tǒng)、電制動(dòng)能量反饋再利用、空調(diào)系統(tǒng)綜合熱管理等關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新與工程化應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果。CRH380BL動(dòng)車組與CRH3相比，運(yùn)用能耗降低了約6%。但與國(guó)外高速列車綜合節(jié)能水平相比還有一定的差距。這主要是因?yàn)楣?jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究尚不夠深入系統(tǒng)，同時(shí)各系統(tǒng)綜合節(jié)能技術(shù)的集成度、適配性等未最優(yōu)化，說(shuō)明我國(guó)高速列車綜合節(jié)能技術(shù)有待進(jìn)一步深入研究。

5.2展望

低碳環(huán)保理念深入人心，節(jié)能與降耗、綠色與環(huán)保已成為高速鐵路可持續(xù)發(fā)展的主題。結(jié)合中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)際，借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，開展高速列車綜合節(jié)能技術(shù)的系統(tǒng)研究，綜合降低高速列車全壽命周期內(nèi)的能耗，實(shí)現(xiàn)人-車-環(huán)境-社會(huì)的和諧發(fā)展?？蓮囊韵?個(gè)方面開展系統(tǒng)、深入的研究。

1）全壽命周期節(jié)能技術(shù)：高速列車節(jié)能降耗是貫穿于列車的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維和報(bào)廢等整個(gè)壽命周期的各個(gè)階段，通過(guò)產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的能耗系統(tǒng)分析識(shí)別各階段影響人均能耗與人均成本的基本要素，運(yùn)用系統(tǒng)論推進(jìn)高速列車的全壽命周期節(jié)能降耗。

2）大定員高能效技術(shù)：開展雙層車體、長(zhǎng)大車體和列車布局統(tǒng)籌優(yōu)化的研究，實(shí)現(xiàn)列車定員比現(xiàn)有車型提高約30%，定員人均采購(gòu)價(jià)格降低約30%～40%，顯著降低高速列車人均能耗，提高車輛運(yùn)用經(jīng)濟(jì)效益。

3）能量綜合管理與應(yīng)用技術(shù)：積極開展全速度域再生能量回收優(yōu)化、基于運(yùn)行環(huán)境自適應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)及其能量循環(huán)利用等關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備開發(fā)，提高能源利用效率，可實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能約10%。

4）可變靈活編組技術(shù)：基于電力電子變壓器、既有牽引系統(tǒng)設(shè)備等大功率包集成以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)配置，開展動(dòng)力相對(duì)集中型動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)列車在4 h內(nèi)靈活、便捷的解編和換掛，可在僅增加10%～15%制造成本的情況下，提高45%運(yùn)能，車輛檢備率降低10%，節(jié)省運(yùn)用維護(hù)成本15%，人均能耗降低約20%。

5）智能化運(yùn)維技術(shù)：借鑒工業(yè)CT經(jīng)驗(yàn)，研制列車“CT”系統(tǒng)，對(duì)高速列車進(jìn)行快速“體檢”，避免過(guò)維護(hù)和欠維護(hù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)維護(hù)，降低運(yùn)維成本。

[1]孫幫成.高速動(dòng)車組技術(shù)現(xiàn)狀與研究方向[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2013.

[2]鐵路網(wǎng)規(guī)劃[EB/OL].http：//baike.baidu.comview3119844.htm.

[3]龔明.高速列車整車技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)向報(bào)告[R].青島：南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，2014.

[4]胡輝.我國(guó)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能問題的研究分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（6）：73-79.

[5]孫忠國(guó).鐵路運(yùn)輸節(jié)能減排技術(shù)[M].北京：化工工業(yè)出版社，2009.

[6]陳濤.高速列車運(yùn)行能耗測(cè)算方法及其影響因素量化分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[7]薛艷冰，王烈，陳志榮.廣深客運(yùn)專線動(dòng)車組能耗計(jì)算與分析[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2011（7）：39-42.

[8]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.高速列車運(yùn)行阻力的能耗影響因素分析及節(jié)能措施分析報(bào)告[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2014.

[9]周新軍.鐵路節(jié)能現(xiàn)狀及技術(shù)改進(jìn)路徑[J].鐵路工程學(xué)報(bào)，2011（11）：1-5.

[10]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.既有動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)能耗分析報(bào)告[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2013.

[11]王小文.準(zhǔn)高速、高速鐵路緩和曲線線型選擇研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2001，23（2）：81-85.

[12]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.高速列車運(yùn)行阻力的能耗影響因素分析及節(jié)能措施分析報(bào)告[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2014.

[13]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.仿生學(xué)應(yīng)用于高速列車頭型設(shè)計(jì)調(diào)研報(bào)告[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2014.

[14]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.基于高速列車表面微結(jié)構(gòu)改形氣動(dòng)性能分析報(bào)告[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2013.

[15]Watanable K，Udagawa H.Drag reduction of Newtonian fluid in a circular ripe of highly water repellent wall[J].Journal of Fluid Mechanics，1999，381：225-238.

[16]張維鈺.納米二氧化硅/聚偏幾氟乙烯疏水涂層的制備及減阻性能研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[17]張維玨，熊黨生.二氧化硅疏水涂層的水下減阻性能研究[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2012（9）：20-22.

[18]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道車輛上應(yīng)用技術(shù)分析[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2013.

[19]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.無(wú)機(jī)膨化蛭石復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)分析[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2013.

[20]鞏思茜.高速列車永磁牽引電機(jī)同步控制建模與仿真研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[21]黃繼維.高速列車兩種牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[22]王自力.列車節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化操縱的研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（6）：58-62.

[23]張家棟，陳海雷，朱彥恒，等.關(guān)于建立機(jī)車經(jīng)濟(jì)操縱評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].中國(guó)鐵路，1997（8）：32-33.

[24]馮曉云，何鴻云，朱金陵，等.列車優(yōu)化操縱原則及其優(yōu)化策略的數(shù)學(xué)描述[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2001（4）：13-16.

[25]金煒東，王自力.列車節(jié)能操縱優(yōu)化方法研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，1997（6）：58-62.

[26]劉建強(qiáng)，魏遠(yuǎn)樂，胡輝.高速列車節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化控制方法研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2014（10）：7-12.

[27]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.基于運(yùn)行環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)研究[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2014.

[28]唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心.列車空調(diào)系統(tǒng)廢排余熱再利用可行性分析[R].唐山：唐山軌道客車有限責(zé)任公司，2014.

Research on key technology of highspeed train energy consumption

Sun Bangcheng，Li Minggao，An Chao，Ma Jijun，Yu Jinpeng
（Tangshan Railway Vehicle Co.Ltd.，Tangshan，Hebei 063035，China）

With the rapid development of high-speed railway，a large number of high-speed train operation brings a series of problems of energy consumption and environmental protection etc.This paper describes the system energy consumption of high-speed train composition，proportion and the influence factors，further expounded the key technology of high-speed train energy consumption.It explicitly introduces the key technologies of energy saving and consumption reducing and also discusses in details the effects of the energy saving from the low resistance technology，high energy efficiency traction technology and recycling and management of energy recovery.The application of these technologies will strongly promote the development of high-speed trains and continue to improve high-speed train’s high energy efficiency level.

high-speedtrain；savingenergyandreducingconsumption；highenergyefficiency

U238

A

1009-1742（2015）04-0069-14

2015-01-06

孫幫成，1963年出生，男，湖北仙桃市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐壍儡囕v總體技術(shù)；E-mail：xqsbc@163.com