低地板有軌電車無接觸網供電技術的研究

朱 亮 張繼彤 張濟民

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

低地板有軌電車無接觸網供電技術的研究

朱 亮 張繼彤 張濟民

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生）

總結了現代低地板有軌電車無接觸網供電技術的研究概況，對現有的電磁感應供電、儲能式供電和接觸式地面供電三種主要無接觸網供電方式的原理、相關技術、研究狀況、應用現狀作了分析和描述，并比較了各種供電方式的優缺點及難點，為國內進行無接觸網供電的應用與研究提供參考。

低地板有軌電車；無接觸網；供電技術

First-author'saddressRailway&Urban Mass Transit Research Institute，Tongji University，201804，Shanghai，China

自1986年，法國南特市2號輕軌車輛第一次采用30%～40%低地板車輛［1］，到1990年德國不來梅投入運行第一輛100%低地板有軌電車［2］，有軌電車因其節能環保、舒適人性化、環境適應力強、建設靈活度高等特點［3］，進入了快速發展階段。傳統的接觸網供電也因其技術成熟性得到了廣泛應用。但是，隨著有軌電車應用場合的不斷擴大，也暴露了接觸網供電方式的不足。例如，市中心區尤其是名勝古跡地區上空的接觸網線就很不美觀。為了解決此矛盾，各國相繼開展了無接觸網供電技術，主要包括電磁感應供電、超級電容供電、接觸式地面供電等新型的供電方式。

1 電磁感應供電技術

電磁感應供電是以電磁場近場耦合的方式實現電能近距離的無線傳輸，是一種比較成熟的無線供電方式，其原理如圖1所示。

1.1 電磁感應供電技術的研究

電磁感應供電技術在交通工具上的應用最早出現在電動汽車上。早在20世紀90年代，新西蘭、美國等大學的團隊就開始了對電動車無線供電技術的研究，并取得了重大研究成果。文獻［4］研究了電動車無線供電技術的基本原理及設計思路、電能拾取機構設計。文獻［5］通過在路面布置發射線圈和在汽車底盤放置多個位置傳感線圈，準確檢測了車輛

的位置并控制原邊發射線圈的適應切換，保證了系統的傳輸效率。文獻［6］通過安裝在路面下導軌周圍的橫向和垂向金屬屏蔽板，并使用金屬刷連接汽車底盤和路面垂向屏蔽板等方式，明顯降低了車內空間的電磁場強度。

1.2 電磁感應供電技術在有軌電車上的應用

2008年龐巴迪開發了Primove運行系統（如圖2），將電磁感應技術應用在了有軌電車上。Primove系統由路面系統和車載系統兩部分構成。其中路面系統包括沿線敷設的DC 750 V供電電纜、每隔一段距離設置一套的逆變裝置、初級線圈、檢測車輛位置的感應裝置等。車載系統包括次級線圈、逆變整流裝置以及用以儲存電能的能源儲存裝置。當列車進入相應區段時，感應裝置檢測到車輛位置后，控制系統對該區段初級線圈通電。列車上的次級線圈通過電磁感應作用產生感應電流，再經過整流、逆變之后為列車驅動系統以及能源儲存裝置供電。

圖2 龐巴迪Primove無接觸運行系統

在該運行系統中，只有當列車進入相應區段時，地面的初級線圈才通電，而其他時刻均處于斷電狀態。這可以在最大程度上保證沿線人員和車輛的安全，并且減小電磁輻射。另外，由于線圈通電時間短，線圈損耗較小。

1.3 Primove運行系統的適應性

1.3.1 路面運行適應性

Primove運行系統需要在路面的走行軌之間安裝嵌入式線圈，并覆蓋40 mm厚度的絕緣材料（如瀝青、無鋼筋混凝土等）。因此，還需要研究在長期的路面載荷下，絕緣材料的可靠性。

Primove運行系統提供持續的電力，且其在低速狀況下的加速性能可與弓網接觸系統媲美。因此，在交通擁堵和需要反復加減速時并不會帶來問題。

1.3.2 供電效率和磁污染

該供電方式的效率與初級線圈和次級線圈之間氣隙的距離有著很大的關系。目前，當采用靜態供電方式時，供電效率最高可達90%。而在車輛運行時，供電效率最高為74%。需進一步解決供電效率的問題。

由于初級線圈和次級線圈之間存在氣隙，該供電方式會在車內以及周圍環境產生一定強度的漏磁場。因此，對于如何減小電磁污染還需要作研究。

1.3.3 市場應用

2010年5月，Primove運行系統長800 m的空載運行試驗線在德國奧格斯堡首次試驗安裝，但目前尚無商業運營的實例。由于需要在線路的軌道之間沿線安裝供電設備，其投資和后期的維護成本比較高。

2 超級電容供電技術

超級電容供電和蓄電池供電都屬于無接觸網供電技術，是車載儲能的方式。有軌電車頻繁啟動，電流變化大，蓄電池難以滿足要求，不適合有軌電車作為獨立電源使用，因此本文主要介紹超級電容供電技術。超級電容供電是指利用超級電容作為儲能裝置，使有軌電車在充電后利用存儲的電能運行至下一停車站，并在電車?？空緯r的較短時間內實現快速充電。為進一步減少電能損失，可同時采用再生制動。

超級電容是一種新型能源器件，與常規電容器不同，其容量可達數百F至數千F。而且其兼有常規電容器功率密度大、蓄電池能量密度高的優點，可以快速充放電。同時，由于其壽命長，已經發展成為一種新型、高效、實用的能量儲存裝置。

2.1 超級電容供電技術的研究

20世紀末期，超級電容開始運用在電動汽車上，出現了混合動力電動汽車的概念。隨著該技術的不斷發展，超級電容在電動汽車上的運用已經趨于成熟［7］。早在2002年，本田FCX燃料電池—超級電容混合動力車已經上市。文獻［8］將超級電容與燃料電池特性相結合，解決了汽車在加速時出現的電壓下降過大而導致的動力不足問題。文獻［9］運用Matlab軟件的Simulink工具，結合超級電容與蓄電池的特性，實現了將車輛制動能量通過超級電容回收并循環使用的仿真研究。我國對于超級電容汽車的研究也處于世界領先水平，2004年7月我國首部電容蓄能變頻驅動式無軌電車在上海張江投入運營。

2.2 超級電容供電技術在有軌電車上的應用

超級電容最早運用在軌道車輛上是作為輔助能量供應裝置。通過使用超級電容將地鐵車輛制動時產生的能量回收并用于車輛的起步過程，減小了車輛在制動和啟動時電網電壓的波動。文獻［10］運用Matlab軟件的Simulink工具，建立了電容、車輛、電網和變電站的模型，分析了采用不同容量的電容對系統電壓、電流和能量損耗的影響。文獻［11］對地面型超級電容儲能系統關鍵技術進行了研究，確定了儲能裝置主要元件參數的詳細設計。龐巴迪公司［12］提出將超級電容作為唯一動力運用到有軌電車上。此時，需要在某些車站配備充電裝置。

2009年，西班牙CAF公司為本國Zaragoza市提供了采用儲能式供電系統的100%低地板有軌電車（如圖3）。該車5節編組，列車總長32.3 m，載客量194人，最高行駛速度70 km/h。列車采用超級電容裝置無接觸網運行，通過列車停站時間進行充電，同時采用再生制動以降低能耗。

圖3 CAF公司的超級電容車

2.3 超級電容供電運行系統的適應性

2.3.1 路面運行的適應性

采用超級電容方式運行的系統，其軌道安裝與接觸網供電系統的軌道安裝相同。因此，該系統可以采用共享路權的方式運行，同時，因無需安裝接觸網，大大減少了系統的安裝成本。

然而，由于采用該系統的車輛依靠自身電容供電，如果在繁忙路段采用共享路權的方式運營，有可能會因堵車而導致車輛無法到達充電站。為解決這一問題，電容應具有一定的余量，或者采用獨享路權的方式運行。

2.3.2 電容的壽命

有軌電車在起動、制動和加速過程中都會使電容處于充電或者放電狀態。因此，采用超級電容供電的方式對超級電容的壽命帶來很大的考驗。盡管有試驗和理論證明超級電容的充放電次數可達到數十萬次以上，但在實際運營中，各實際條件對電容壽命的影響還有待論證。

2.3.3 高溫下的運行性能

超級電容在運行時有較大的發熱量。經過近幾年研究發展，這些問題得到了一定程度的解決。如加強了散熱設計，解決了高溫時的散熱問題；提高了續航里程，一次充電可運行10 km；提高了運行速度，最高速度已由50 km/h增至80 km/h；減輕了電源自重，電容自重減輕約1 000 kg。這些技術的發展都為超級電容運用到軌道交通領域提供了技術支持。

3 接觸式地面供電技術

接觸式地面供電技術是通過沿地面兩條走行軌中間埋設的供電軌供電。該供電軌由若干彼此絕緣的導電單軌構成，采用分段供電方式，電能從接觸軌通過受電靴傳送至列車。由于其通電軌段僅限于車體下方并被車體包圍，安全性得到了保障。

早在20世紀末，我國就對分段供電技術進行了研究，并取得了一些專利。隨著科技的進步，分段供電技術趨于成熟。

3.1 接觸式地面供電技術在有軌電車上的應用

接觸式地面供電技術因其實現分段供電方式的不同而主要分為兩類：采用主動控制的法國阿爾斯通公司的APS系統和采用自然磁力的意大利安塞爾多公司的Tramwave系統。這兩種供電方式均已投入商業運營。

3.1.1 APS系統

APS系統主要由接觸軌、支架、直流配電單元、埋入式控制柜等組成（如圖4所示）。車輛底部的受電靴與嵌入地面的供電軌接觸后受流。供電軌由長度為8 m的導電單軌構成，兩導電軌之間安裝長度為3 m的絕緣單元。當有軌電車經過導電單軌上方時，埋在地下的電源控制箱接收到來自電車的編碼信號，控制箱控制相應區段的開關閉合，導電軌通電，將DC 750 V電源通過受電靴提供至有軌電車，并由走行軌回流。此時其他的導軌則保持接地狀態。只有當整段導軌都在車體下方時，該導軌才會帶電，從而保證了安全。

2008年，法國波爾多市建設了1條部分采用APS系統的有軌電車線?？紤]到建設成本，該線路中心地段由APS系統供電，偏遠地段仍采用接觸網供電。隨后，又有更多城市采用了APS系統的有軌電車。

圖4 APS供電系統原理

3.1.2 Tramwave系統

Tramwave系統采用磁力方式實現供電模塊的導通和斷開。受電靴內裝有永磁鐵用以吸住安裝在導電模塊內部的柔性金屬帶。如圖5所示，當柔性金屬帶被吸引而處于導電模塊頂部時，電源正極依次與內部正極觸點、內部可變電極接通；而內部可變電極與導電模塊的外表面永久連接，因此導電模塊外表面帶電。而當受電靴離開該單元后，柔性金屬帶受重力作用落回，此時內部可變電極與內部安全負極相連，外表面失電，以保證安全。

圖5 Tramwave系統供電原理

Tramwave系統是基于失效安全準則。若受電靴離開后，柔性金屬帶卡住，金屬帶的下部分將會因重力回落，將模塊外表面與安全負極相連；此時，快速斷路器立即動作以切斷電源。

3.2 接觸式地面供電運行系統的適應性

3.2.1 路面運行適應性

APS系統需要在走行軌之間安裝嵌入式供電軌，該供電軌需要在持續的路面交通載荷下不被破壞。2003年在法國的Bordeaux安裝的第一代APS系統在長期路面載荷的作用下發生損壞，原因是供電軌直接安裝在瀝青路面上。為了解決這一問題，新一代APS系統采用了加強供電軌并安裝在混凝土路基上，以這種方式安裝的APS系統可以承受13.5 t的軸向載荷。

3.2.2 天氣的影響

當路面積水時，APS系統將無法使用，因此需要在路面安裝有效的排水系統。同時，APS系統采用了國際IP68的防護等級以保護電源。Tramwave系統的供電軌也采用了防水措施。

在低溫天氣時，APS系統和Tramwave系統的供電軌和受電靴之間會結冰，從而影響受流的可靠性。目前，可以通過以下方式解決：

1）使用專用的軌道清理車清理凹槽和供電軌；

2）在受電靴前端安裝重型清理刷；

3）使用乙二醇等防止軌道結冰；

4）加大有軌電車的運行密度，以防止軌道結冰；

5）禁止在道床50 cm內撒鹽，以防止漏電。

3.2.3 車輛的改造

目前已經在Citadis 402型有軌電車上安裝了APS系統，安裝方式簡單且只需對車輛做少量改動：

1）安裝受電靴；

2）在車頂安裝電池；

3）在轉向架底部安裝天線；

4）修改牽引電路。

同樣，Tramwave系統已安裝在安塞爾多公司的Sirio系列有軌電車上，其改動包括：

1）安裝受電靴；

2）在車頂安裝超級電容；

3）修改車載牽引電路。

3.2.4 系統安全性與能耗

APS系統與Tramwave系統的電力安全性已經過論證，達到了4級安全度等級（安全度等級——Safety Integrity Level的分類方式由歐盟EN 50126標準制定，分為0至4級，其中4級為最高級別）。

出于安全性的考慮，APS系統無法采用再生制動，這使得其能量效率降低了15%～20%。而Tramwave系統可以使用再生制動，且能量效率比弓網式接觸網系統的理論值略高。

3.2.5 市場應用

APS系統在法國Bordeaux、Angers、Rheims 3個城市已被投入商業運營，在Orleans（法國）、Dubai（阿聯酋）、Brasilia（巴西）、Tours（法國）等城市也即將采用該系統。Tramwave系統還沒有商業

運營的實例，但在意大利那不勒斯安裝有400 m長的試驗軌。

4 結語

電磁感應供電技術自上個世紀以來，已經經歷了30多年的發展。隨著其不斷地在電動汽車上的運用研究，該技術已經趨于成熟。同時，由于在頻繁加減速時所具有的優異性能，電磁感應供電技術在交通擁堵時不會出現電力供應問題。但是，由于其結構的復雜性，該技術還無法運用在共享路權的路面上。

超級電容供電技術因無需沿線鋪設供電設施，因而施工簡便且造價較低。但應著重解決有軌電車在擁堵交通下的續航問題及電容缺電時的救援問題。隨著超級電容電池容量增大、重量減輕、壽命增強，超級電容有軌電車具有廣闊的運用前景。

APS系統和Tramwave系統都采用持續的電力供應，并繼承了弓網式接觸網系統受流穩定且效率高的優點，還考慮了路面載荷所帶來的機械強度問題，達到了最高級別的電力安全度等級，且對車輛的改造簡單。這些特點使得這兩種系統具有優異的性能。但是，由于其結構的特殊性，使得其路面施工成本很高。各種無接觸網供電方案的比較如表1所示。

表1 各種無接觸網供電方式比較

對于現代有軌電車而言，接觸網供電是一種經濟、可靠的運行方式。隨著社會的不斷發展，城市對節能環保、景觀的要求越來越高，無接觸網供電將是解決此類問題的一種重要方式，并有可能成為有軌電車供電方式發展的一種趨勢。超級電容供電已逐步成為有效的車載儲能介質，具有一定的實際應用經驗。其使用壽命長，充放電特性好，適合在有軌電車上使用。

目前，上海超級電容公交車經過應用，已經積累了一些技術和經驗，超級電容的研發也有了進一步的提高。中國南車集團株洲電力機車有限公司也生產了世界上第一列超級電容輕軌列車，已具有了實現商業化運營的能力。

筆者認為就我國目前現代有軌電車供電方式而言，如果需要采用無接觸網技術（比如有軌線路經過一些特殊地段，如古建筑、古跡等），那么這條線上的有軌車輛就可采用同時具有架空接觸網受流和車載超級電容兩種供電方式的車輛，在這些特殊線路段就不需要設置架空接觸網，而是使用車載超級電容驅動有軌車輛，可有效起到保護古跡、景觀的作用。同時，應把進一步增加超級電容的容量、減輕超級電容重量、延長超級電容的使用壽命、提高其可靠性作為研究重點，來推動我國超級電容有軌電車的發展。

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On General Description of Catenary-free Power Supply Technology in Low-floor Light Rail Tram

Zhu Liang，Zhang Jitong，Zhang Jimin

A general description of recently researches on catenary-free power supply technology in low-floor light rail vehicles（LRVs）is summarized，including electromagnetic induction power supply，energy storage power supply and contacted thirdrail power supply，together with the related principles，technology，the latest development，application status，advantages and disadvantages，as well as the difficulties in the development of them，to provide a reference for the research and application of catenary-free power supply system in China.

low-floor light rail vehicles（LRVs）；catenaryfree net；power supply technology

TM 72：U 482.1

2013-11-14）