雙碳背景下城軌車輛綠色低碳技術(shù)應(yīng)用與研究

李 梁，張卓杰，孫 瑤，劉亞妮，馬喜成

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

1 概述

交通運(yùn)輸是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，也是我國(guó)用能的重要領(lǐng)域，其能源消耗和二氧化碳排放占有較大比重。在“碳達(dá)峰、碳中和”的國(guó)策下，“公交優(yōu)先”上升為國(guó)家策略，“綠色出行”已成為行業(yè)共識(shí)[1]，交通領(lǐng)域碳減排對(duì)全社會(huì)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。而車輛能耗是其核心組成部分，以1輛地鐵A型車為例，每車公里的電能消耗約為2.5 kW · h，每輛車每年運(yùn)行12萬(wàn)～15萬(wàn)km，每輛車每年能耗為30 萬(wàn)～37.5萬(wàn)kW · h。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2021年底，我國(guó)城市軌道交通的運(yùn)行里程達(dá)到8 708 km，“十四五”期間，城軌車輛總數(shù)將達(dá)到數(shù)十萬(wàn)輛，其電能消耗量巨大，因此，進(jìn)一步研究降低城軌車輛碳排放具有重大意義。

交通領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)都是碳排放的重要領(lǐng)域之一，雖然全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)在減少交通領(lǐng)域碳排放、促進(jìn)交通領(lǐng)域向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型方面做出積極努力，也取得了一定的效果和成效，但節(jié)能減排之路依然任重道遠(yuǎn)[2]。 “雙碳”背景和目標(biāo)下，城市軌道交通綠色可持續(xù)發(fā)展需要不斷推進(jìn)。近來(lái)我國(guó)對(duì)交通領(lǐng)域的綠色發(fā)展十分重視，如2021年中共中央國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中特別指出“加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，交通領(lǐng)域二氧化碳排放盡早達(dá)峰，降低污染物及溫室氣體排放強(qiáng)度，注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)，促進(jìn)交通與自然和諧發(fā)展”[3]。

由此可見，從國(guó)家戰(zhàn)略層面出發(fā)，要實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)，就必須加快形成綠色低碳交通運(yùn)輸方式，加快綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開發(fā)并廣泛運(yùn)用新能源、新材料以及高效、節(jié)能的交通裝備，使交通出行更加環(huán)保、低碳。

城市軌道交通作為綠色環(huán)保的交通工具，在實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)碳中和過(guò)程中被委以重任，城軌車輛雖然是采用電氣驅(qū)動(dòng)，但在節(jié)能降耗方面仍有諸多方面可進(jìn)一步探究。城軌車輛降低碳排放具體路徑主要從四大方面實(shí)施，一是提高能源利用轉(zhuǎn)換效率，如選擇效率高的系統(tǒng)及部件；二是降低車輛重量，如車輛輕量化技術(shù)的應(yīng)用；三是節(jié)能環(huán)保技術(shù)，如采用氫能源、環(huán)保型制冷劑等；四是新技術(shù)的應(yīng)用。下面介紹降低城軌車輛碳排放的具體實(shí)施路徑。

2 提高能源利用轉(zhuǎn)換效率

2.1 碳化硅功率器件 + 永磁電機(jī) + 高頻輔助逆變器的牽引、輔助系統(tǒng)

隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，節(jié)能技術(shù)大量應(yīng)用于城軌車輛牽引系統(tǒng)中。近年來(lái)，隨著材料制造和生產(chǎn)工藝的快速進(jìn)步，大電流、高電壓的碳化硅（SiC）功率器件逐步得到應(yīng)用，達(dá)到更高頻、高效、低能耗、輕量化、高可用性和低噪聲的效果。城軌車輛形成以SiC功率器件和永磁牽引電機(jī)為特征的主牽引系統(tǒng)，并搭配高頻輔助逆變器的輔助系統(tǒng)，從而最終達(dá)到節(jié)能目的。在國(guó)內(nèi)某地鐵項(xiàng)目中，通過(guò)車輛某種場(chǎng)景下的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，采用SiC功率器件和永磁電機(jī)的組合方式，其效率達(dá)到最佳，在列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）惰行狀態(tài)下節(jié)能近20%[4]。表1是 SiC功率模塊與既有的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率模塊的對(duì)比。

表1 SiC功率模塊與既有的IGBT功率模塊對(duì)比 %

對(duì)于采用永磁電機(jī)牽引的車輛，其節(jié)能主要體現(xiàn)在效率上，由于城市軌道交通車站間距小，停站多，車輛頻繁啟停，永磁電機(jī)相對(duì)異步電機(jī)全路段效率較高[5]，永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，與異步電機(jī)電流勵(lì)磁相比消除了電流勵(lì)磁的熱損耗，提高了電機(jī)效率，目前傳統(tǒng)異步電機(jī)的效率在92%左右，而永磁電機(jī)的效率在96%左右。根據(jù)國(guó)內(nèi)某地鐵線路的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，永磁電機(jī)相對(duì)于異步電機(jī)車輛的節(jié)能效果如表2所示。

表2 永磁電機(jī)與異步電機(jī)列車能耗

對(duì)于永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，更為節(jié)能和輕量化的方案是永磁直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)，該方案省去齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)，其重量、體積都大幅縮小，體積減少近30%（其中電機(jī)約占10%，齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)約占20%），1臺(tái)轉(zhuǎn)向架重量也將減輕約700 kg。由于尺寸縮小，其轉(zhuǎn)向架軸距也可縮短，以西門子研發(fā)的地鐵車輛永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架為例，其軸距由2 500 mm縮短到了1 600 mm，圖1和圖2分別是西門子的永磁直驅(qū)電機(jī)和其裝配的轉(zhuǎn)向架圖。另外，由于無(wú)齒輪箱，相比帶有齒輪箱驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，其噪聲也將降低了近10 dB，且減少了部件的維護(hù)和檢修成本，其全壽命周期成本更低[7]。

圖1 西門子永磁電機(jī)

圖2 西門子直驅(qū)轉(zhuǎn)向架

城軌車輛采用小型化、輕量化和高性能的高頻開關(guān)輔助逆變器勢(shì)在必行。高頻輔助逆變器相比工頻輔助逆變器，其開關(guān)頻率大幅提升，可達(dá)到10～20 kHz。高頻隔離方式采用軟開關(guān)技術(shù)提高開關(guān)頻率，使輔助逆變器得以向小型化、輕量化和高性能化方向發(fā)展，從而達(dá)到節(jié)能目的。表3是部分廠家高頻輔助逆變器與常規(guī)輔助逆變器的對(duì)比表。

表3 部分廠家高頻輔助逆變器與常規(guī)輔助逆變器參數(shù)

2.2 高壓直流變頻空調(diào)

城軌車輛由于載客量大，空調(diào)負(fù)荷大，空調(diào)能耗是車輛能耗的主要組成部分，目前城軌車輛上的變頻空調(diào)機(jī)組多采用交-直-交變頻器，先將工頻AC380V 整流成直流電壓，再經(jīng)逆變單元轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電輸出，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率較低問(wèn)題，而如果采用高壓直流變頻空調(diào)，可省去中間整流環(huán)節(jié)，還可以降低AC380V 逆變電源的設(shè)計(jì)容量，減小了設(shè)備的質(zhì)量和體積，實(shí)現(xiàn)了輔助電源系統(tǒng)的小型化及輕量化[8]。高壓直流變頻空調(diào)主要原理拓?fù)淙鐖D3、圖4所示。

圖3 DC1500V網(wǎng)壓高壓直流變頻空調(diào)拓?fù)鋱D

圖4 DC750V網(wǎng)壓高壓直流變頻空調(diào)拓?fù)鋱D

對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)，采用輔助逆變器AC380V供電的技術(shù)方案，系統(tǒng)的總體能量轉(zhuǎn)換效率約為87%，而采用高壓直流變頻空調(diào)，其效率約為94%，總體能量轉(zhuǎn)換效率提升7%。車輛重量和設(shè)備布置也得到了減輕和優(yōu)化。對(duì)于采用DC1500V的城軌車輛，1列6節(jié)編組的列車，其重量可以減少1 t左右。對(duì)于采用DC750V的車輛，無(wú)需通過(guò)輔助逆變器或逆變電源對(duì)空調(diào)進(jìn)行供電，則重量減輕更多，每列車減重1.5 t左右。

3 車輛輕量化技術(shù)

3.1 輕量化的車體、轉(zhuǎn)向架、內(nèi)裝材料

在滿足使用車輛各項(xiàng)要求的前提下降低列車重量，可有效降低運(yùn)營(yíng)能耗和全壽命周期成本。對(duì)于車輛輕量化，目前常用方法為采用新材料、新工藝等實(shí)現(xiàn)整車的節(jié)能。如車體材料采用鋁合金或碳纖維材料，以國(guó)內(nèi)地鐵6節(jié)編組B型車為例，采用不同材料的減重效果如表 4所示。

表4 3種不同車體材質(zhì)重量 t

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用碳纖維材料，齒輪箱采用鋁合金齒輪箱等也可減輕重量。如鋁合金齒輪箱相比鑄鐵材質(zhì)單個(gè)箱體可減重70 kg，1列6節(jié)編組（4動(dòng)2拖）的地鐵列車可以減重1 120 kg；碳纖維、鎂鋁合金，聚碳酸酯、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）夾芯材料、芳綸蜂窩等材料也可以應(yīng)用于城軌車輛內(nèi)裝部件中，其主要應(yīng)用和減重效果如表5所示。

表5 主要輕型材料應(yīng)用和減重情況 %

3.2 電機(jī)械制動(dòng) + 鋁合金制動(dòng)盤

對(duì)于城軌車輛，應(yīng)用成熟的制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力一般由空氣或液壓施加，列車上需要配置主風(fēng)缸和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。目前正在研制一種新的制動(dòng)力施加方式，即通過(guò)電施加，采用電子機(jī)械制動(dòng)方式，該種方式從制動(dòng)系統(tǒng)單方面考慮，可以減少列車上制動(dòng)管路的布置，取消主風(fēng)缸和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。但如果列車上有其他用風(fēng)設(shè)備如空氣彈簧等，空氣壓縮機(jī)則不能取消。從整車角度考慮，由于列車制動(dòng)管路減少，整車重量可略微降低。

另外，部件材料的選型方面，可以采用更輕的材料，如制動(dòng)盤采用鋁合金制動(dòng)盤，目前鋁合金制動(dòng)盤在城軌車輛上已經(jīng)得到大量應(yīng)用。單個(gè)鋁合金制動(dòng)盤相對(duì)常規(guī)的鑄鐵盤可減輕54 kg，單輛車可減重432 kg。以1 列6節(jié)編組的地鐵列車為例，整列車可以減重2 592 kg，其輕量化和節(jié)能效果顯著。鋁合金制動(dòng)盤在采用輪盤制動(dòng)的地鐵車輛上應(yīng)用廣泛，如上海地鐵16 號(hào)線、深圳地鐵11號(hào)線等項(xiàng)目。電機(jī)械制動(dòng)目前還處于研發(fā)階段，尚未進(jìn)行實(shí)際裝車應(yīng)用。

4 節(jié)能環(huán)保技術(shù)

4.1 氫燃料動(dòng)力電池

氫能源被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，?0世紀(jì)70年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家和地區(qū)就廣泛開展了氫能源研究。氫作為新興能源嶄露頭角，在綠色清潔、提高能源利用效率等方面的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。氫燃料動(dòng)力被視為未來(lái)的發(fā)展方向[9]。

氫燃料電池技術(shù)是通過(guò)氫與氧的直接電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，是電解水的逆過(guò)程，能量密度高、噪聲低、無(wú)污染，發(fā)電反應(yīng)最高溫度不超過(guò)100 ℃，不產(chǎn)生氮氧化合物，唯一的排放物質(zhì)只有水，是真正的“零排放”。

氫燃料電池技術(shù)則是氫能源技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。在軌道交通領(lǐng)域，氫氣主要結(jié)合燃料電池一起構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)，不僅可替代傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)，而且可使車輛擺脫線路牽引供電系統(tǒng)，降低對(duì)線路的投資，同時(shí)具有噪聲小、污染低、以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

針對(duì)采用無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)的車輛，氫燃料具有較好的適應(yīng)性，如有軌電車。應(yīng)用于城軌車輛的氫燃料電池主要由氫燃料電池模塊、散熱冷卻系統(tǒng)和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)構(gòu)成，圖5是某有軌電車氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。

圖5 有軌電車氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

以某有軌電車為例，氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)表配置如表6。

表6 某有軌電車氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)配置表

4.2 二氧化碳制冷劑

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷劑氟利昂是一種人工合成的制冷劑，不但會(huì)破壞臭氧層，而且會(huì)造成地球暖化。通過(guò)換算，使用1 t的氟利昂相當(dāng)于3 900 t左右的二氧化碳排放。目前城軌車輛使用的R410、R407等類型空調(diào)制冷劑同樣存在溫室效應(yīng)問(wèn)題，不能夠滿足長(zhǎng)期的環(huán)保要求[10]。城軌車輛空調(diào)采用CO2制冷劑，具有環(huán)境友好，安全無(wú)毒、制冷性能好等一系列優(yōu)勢(shì)，但目前使用成本較高。與現(xiàn)有R407C制冷劑空調(diào)相比，名義工況下能效比（COP）約低15%，隨著環(huán)境溫度的下降，能效比的差距縮小。表7是在城軌車輛上使用R407C、R410A制冷劑與CO2制冷劑的對(duì)比表。

通過(guò)表7可以看出，目前，相對(duì)R407C、R410A制冷劑，CO2制冷劑的額定制冷量和能效比都相對(duì)較低，未來(lái)還需要通過(guò)技術(shù)突破，提高其制冷量和能效比，使其在城軌車輛領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。

5 新技術(shù)的應(yīng)用

5.1 列車在線解編連掛技術(shù)

在線解編聯(lián)掛是針對(duì)客流具有明顯潮汐特征的地鐵線路的一種優(yōu)化解決方案。它是指在客流高峰時(shí)段，組織列車聯(lián)掛上線，增加客流運(yùn)輸能力；在客流低谷時(shí)段，又可解編列車，這樣既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，又能根據(jù)客流需要靈活組織運(yùn)能。以上海地鐵16號(hào)線“3+3”在線解掛編的行車為例，在客流較少的情況下，可以將1列6節(jié)編組列車在線路上解編為2列3節(jié)編組列車，再分別投入運(yùn)營(yíng)。而在客流高峰期，解編的2列3節(jié)編組列車也可以在正線上連掛為1列6節(jié)編組地鐵列車投入運(yùn)營(yíng)，提升運(yùn)能。這種方案能在滿足線路載客量和服務(wù)質(zhì)量等方面最大程度地節(jié)約能耗。根據(jù)國(guó)內(nèi)某條高鐵長(zhǎng)期運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，不同客流條件下2種編組方案比較，靈活編組列車能耗相比固定編組能耗降低34.84%[11]。采用2列8節(jié)編組重聯(lián)運(yùn)行的高鐵列車與2列3節(jié)編組重聯(lián)運(yùn)行的地鐵列車在系統(tǒng)架構(gòu)上一致，但由于車輛形式、動(dòng)拖比、最高運(yùn)行速度等不一致，2列車3節(jié)編組重聯(lián)運(yùn)行的地鐵列車相比6節(jié)編組固定運(yùn)行列車的具體節(jié)能數(shù)值還需要通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析才能得到。

5.2 全自動(dòng)駕駛技術(shù)

以地鐵列車為例，全自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)施多列車的自動(dòng)、實(shí)時(shí)、協(xié)調(diào)控制，如合理安排列車交會(huì)，避免列車交會(huì)中的啟停，防止列車同時(shí)啟動(dòng)，避免負(fù)載集中等，實(shí)現(xiàn)列車、車站機(jī)電設(shè)備節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行；通過(guò)列車運(yùn)行策略的優(yōu)化，可最大限度實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的吸收，從而達(dá)到節(jié)能目的。從法國(guó)地鐵公司多年運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)分析，全自動(dòng)駕駛列車可降低系統(tǒng)整體能耗15%左右。列車運(yùn)行策略主要有3種，即節(jié)時(shí)運(yùn)行策略、定時(shí)節(jié)能運(yùn)行策略以及節(jié)能運(yùn)行策略。如列車在高峰期運(yùn)行，此時(shí)運(yùn)輸需求量較大，最需要的是在較短的時(shí)間內(nèi)將乘客進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，宜采用節(jié)時(shí)運(yùn)行策略；列車在非高峰運(yùn)行，對(duì)于運(yùn)輸?shù)男枨罅坎桓?，此時(shí)可以犧牲一部分時(shí)間，減少列車的能耗，可采取定時(shí)節(jié)能優(yōu)化策略；節(jié)能運(yùn)行策略一般是最大限度地減少制動(dòng)操作，通過(guò)多次惰行+牽引交替的方式到達(dá)終點(diǎn)，這種方法會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間，難以滿足運(yùn)行時(shí)刻表的要求，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中較少采用。這3種策略可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要進(jìn)行選擇。全自動(dòng)駕駛技術(shù)可根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的運(yùn)行策略，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

通過(guò)國(guó)內(nèi)某條地鐵線路運(yùn)行比較，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析比對(duì)，相比未作優(yōu)化時(shí)的總牽引能耗，采取優(yōu)化運(yùn)行策略列車的節(jié)能效率達(dá)到11.74%[12]。

6 結(jié)語(yǔ)

在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)之下，城市軌道交通如何實(shí)現(xiàn)降低碳排放及進(jìn)一步節(jié)能優(yōu)化是需要不斷探索的重要課題，當(dāng)前城軌車輛正在面臨一場(chǎng)低碳技術(shù)的革命，其主要路徑聚焦在提高能源利用轉(zhuǎn)換效率、車輛輕量化、采用節(jié)能環(huán)保的動(dòng)力電源和環(huán)保型媒介，以及新技術(shù)的應(yīng)用等，車輛的研發(fā)、改進(jìn)將主要圍繞節(jié)能高效、綠色環(huán)保、新型能源等方面實(shí)施，至于車輛具體采用哪項(xiàng)節(jié)能降碳措施或技術(shù)方案，還需要結(jié)合成本、應(yīng)用情況、全壽命周期、車輛適應(yīng)性等方面綜合考慮與選擇，從而更加科學(xué)合理地推動(dòng)城市軌道交通行業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，真正意義上實(shí)現(xiàn)城市軌道交通綠色低碳發(fā)展，為我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。