日本鐵路車輛非接觸供電技術(shù)

1 引言

為擺脫長期以來對于傳統(tǒng)化石能源的依賴，日本正在道路交通領(lǐng)域加速推進傳統(tǒng)燃油汽車向電動汽車（EV）和燃料電池汽車（FCV）的轉(zhuǎn)化。在EV的普及過程中，延長續(xù)航距離和縮短充電時間成為掣肘新能源汽車發(fā)展的兩大瓶頸。在電動汽車行駛過程中使用非接觸供電技術(shù)為車輛提供動力并同時對車載蓄電池充電這一技術(shù)路線，作為突破這兩大瓶頸的方法，成為目前該行業(yè)的研究熱點。

在鐵路領(lǐng)域，為實現(xiàn)脫碳的目標，蓄電池電動車組也得到逐步推廣應(yīng)用。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）開發(fā)出了相應(yīng)的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)，可更簡便地為車載蓄電池充電。本文將對此系統(tǒng)進行簡述，并介紹其車載集電感應(yīng)線圈小型化、輕量化設(shè)計方案。

2 非接觸供電技術(shù)概述

非接觸供電有多種方式，鐵路車輛牽引領(lǐng)域所采用的非接觸供電方式通常是可進行大容量電力傳輸?shù)碾姶鸥袘?yīng)方式。

圖1 展示了電磁感應(yīng)非接觸供電原理圖。供電側(cè)線圈產(chǎn)生的磁場會使負載側(cè)線圈周邊的磁場發(fā)生變化，負載側(cè)線圈中會因為電磁感應(yīng)產(chǎn)生對應(yīng)的電壓，從而實現(xiàn)非接觸式的電力傳輸。

變壓器就是利用此原理傳輸電力的設(shè)備。但相比于變壓器，本文所涉及的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)感應(yīng)線圈之間的電磁耦合系數(shù)較低，因此為有效地進行大功率電力傳輸，需要在電路冷卻降溫及供電頻率提升等方面進行優(yōu)化改良。

具體而言，交流電源的頻率可達數(shù)千至數(shù)兆赫茲，在如此高的頻率下，感應(yīng)線圈的高頻損耗可能大幅增加，因此必須選擇適當材質(zhì)的電纜。此外，感應(yīng)線圈間產(chǎn)生的磁場會與周邊其他導體發(fā)生相互作用，在其他導體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而造成電能損耗。所以，在非接觸供電系統(tǒng)設(shè)計中，需要綜合考慮這些損耗因素的影響，進而確定供電頻率、感應(yīng)線圈形狀等具體參數(shù)。

3 非接觸供電技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用

近年來，隨著蓄電池電動車組逐步實現(xiàn)商業(yè)運營，其實踐已證明，利用蓄電池電動車組替代內(nèi)燃動車組可大幅減少環(huán)境污染，因此未來蓄電池電動車組的運用占比有望繼續(xù)擴大。此外，蓄電池電動車組的運營區(qū)間大多在郊外，可在鐵路沿線設(shè)置利用風能、太陽能等可再生能源發(fā)電的設(shè)備，并使用其產(chǎn)生的電能為附近行駛的蓄電池電動車組充電，如此可在最大限度高效利用可再生能源的同時，減少輸電損失，如圖2所示。

在傳統(tǒng)的充電模式下，需要根據(jù)線路的長度、坡度等條件，在蓄電池電動車組上配置足夠數(shù)量的蓄電池組，這將導致蓄電池數(shù)量十分龐大。為削減從始發(fā)站行駛到終點站所需的蓄電池搭載量，可在列車運行途中的多個車站對其進行充電。非接觸供電可以避免列車在途中車站充電時頻繁進行升降弓操作，對此種充電場景具有良好的適應(yīng)性。

圖3展示了設(shè)置在車站的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)。在車站及其前后數(shù)百米范圍內(nèi)，設(shè)置非接觸供電電纜，對?？吭谲囌荆ㄌ幱陟o止狀態(tài)）及進入、駛離車站（處于行駛狀態(tài)）的列車進行供電。只要列車進入供電電纜設(shè)置區(qū)域，系統(tǒng)將立即啟動自動供電操作。

此種供電方式不僅可在列車?？坑谲囌緯r為其充電，而且能夠在列車低速駛?cè)搿Ⅰ傠x車站過程中供電，因此充電時間更長。充電時間的增加可在保證電量供給的基礎(chǔ)上減少充電設(shè)備容量，從而降低電源設(shè)備的成本。而且，與列車停靠車站時進行的大容量快速充電相比，非接觸供電對蓄電池的熱損傷更小，有助于延長蓄電池組使用壽命。此外，列車從車站發(fā)車時的加速過程耗電量巨大，非接觸供電可分擔列車加速時蓄電池的電力消耗，抑制蓄電池的最大輸出電流，從而達到減少蓄電池組數(shù)量、延長其使用壽命的目的。在車站以外的爬坡路段等列車耗電量較大的區(qū)間設(shè)置非接觸供電電纜，同樣可以起到上述的分擔作用。

4 非接觸供電系統(tǒng)構(gòu)成

圖4展示了鐵道綜研開發(fā)的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由鋪設(shè)于左右鋼軌之間地面上的非接觸供電電纜和搭載在車上的集電感應(yīng)線圈構(gòu)成。為在列車行駛過程中實現(xiàn)供電及降低成本，非接觸供電電纜不設(shè)置鐵芯，而是采用空心線圈的簡單構(gòu)造。對于車載集電感應(yīng)線圈，出于提高電磁耦合效率和實施磁屏蔽以減少對其他車載設(shè)備影響的考慮，為其安裝鐵芯。集電感應(yīng)線圈的形狀為8字形，可增強對左右鋼軌之間中心位置磁場的捕獲能力，提高集電能力，同時可減少感應(yīng)線圈外部漏磁。

為驗證該系統(tǒng)的電力傳輸能力，研究人員在搭載集電感應(yīng)線圈的試驗電動車組上進行了無接觸電力傳輸試驗，如圖5所示。試驗結(jié)果證實，無論在列車停車或行駛時，該系統(tǒng)都能穩(wěn)定傳輸大約40 kW的電力。

5 車載集電感應(yīng)線圈設(shè)計

為便于安裝到鐵路車輛上，車載集電感應(yīng)線圈應(yīng)盡可能小型化、輕量化。然而，同時實現(xiàn)這2點比較困難，原因在于：當集電感應(yīng)線圈實現(xiàn)小型化時，由于其單位面積負擔的集電功率增加，所需磁場增強，導致鐵芯的使用量增大，這與輕量化——盡可能少用笨重鐵芯材料的要求不符。為解決此問題、提高集電感應(yīng)線圈的電磁耦合效率，需要對鐵芯形狀進行優(yōu)化。此外，抑制由鋼軌產(chǎn)生的渦流損耗也非常重要，因此在優(yōu)化鐵芯形狀時，除減小鐵芯質(zhì)量、提高線圈電磁耦合系數(shù)外，還需要考慮降低鋼軌產(chǎn)生的渦流損耗。

為此，研究人員在計算機中將遺傳算法（以生物進化過程為參考的優(yōu)化方法，曾用于確定新干線車頭頭錐的形狀）與拓撲優(yōu)化算法（在指定設(shè)計領(lǐng)域中，根據(jù)目的和限制條件，確定最佳材料分布的優(yōu)化方法）組合使用，以確定鐵芯的最優(yōu)形狀。相較于以往單純改變鐵芯厚度和寬度的模擬算法，該組合方法可以擴大形狀檢索范圍，呈現(xiàn)所篩選形狀的分析計算數(shù)據(jù)，并說明選中該形狀的具體原因，有助于拓展設(shè)計思路。

作為計算機優(yōu)化計算結(jié)果示例，圖6展示了在集電功率相同時，各種優(yōu)化方案中的集電感應(yīng)線圈縱向長度與質(zhì)量之間的關(guān)系。圖中的虛線是將感應(yīng)線圈形狀的計算結(jié)果與集電感應(yīng)線圈最小縱向長度、最小質(zhì)量聯(lián)系起來所得的邊界線，從虛線可以看出集電感應(yīng)線圈的縱向長度與質(zhì)量呈現(xiàn)互相制約、互有折衷的關(guān)系。圖中紅點處的優(yōu)化方案給出了優(yōu)化后尺寸及質(zhì)量均小的鐵芯形狀。圖7展示了圖6中紅點方案所對應(yīng)的鐵芯形狀，灰色部分為鐵芯，白色部分為空氣，虛線框中部分為鐵芯設(shè)計范圍；參考灰色部分形狀并考慮加工制造工藝的可行性及成本等因素，鐵芯的實際形狀應(yīng)與圖中紅線圍起來的部分相符。采用圖7中的最優(yōu)化鐵芯形狀，可以大幅減小集電感應(yīng)線圈的總質(zhì)量。