綠色照明技術在軌道交通車輛中的應用研究

張永強 上海鐵路局上海鐵路車輛工貿有限公司

綠色照明技術在軌道交通車輛中的應用研究

張永強 上海鐵路局上海鐵路車輛工貿有限公司

隨著綠色照明技術的發展，國家、鐵路總公司對軌道交通車輛照明提出節能、環保、舒適和安全的技術要求。通過闡述一種綠色照明技術，即運用節能的LED照明設備和先進的LED智能驅動電源技術，研究和開發一款適用于軌道交通車輛照明要求的綠色照明產品。

綠色照明技術；節能減排；LED照明；智能LED驅動電源

1 項目背景

軌道交通車輛主要分為鐵路普速客車、高鐵動車組、城際車輛和地鐵車輛。鐵路普速客車全路保有量約5萬輛，全部采用老式熒光燈；高速動車組約3 000輛，已全部采用LED光源；地鐵車輛約1萬輛，僅在部分城市的少部分運營線路車輛中采用了LED光源。

目前，軌道交通車輛照明市場需求較大的是鐵路既有普速客車車輛，全國總保有量5萬輛，以平均每節車輛需求燈具40套計算，綠色照明光源市場需求量約有200萬套。

現有軌道交通旅客列車照明設備大部分使用熒光節能燈，與之配套的電子整流器和逆變器有三種，存在問題主要是種類多、維修復雜、電壓高不安全。且這些照度照明設備不達標，旅客舒適度低。

2 技術現狀

綠色照明是美國國家環保局于上個世紀90年代初提出的概念，經過三十年的持續發展，到目前為止，其技術實現主要是使用LED作為發光體的光源，滿足綠色照明要求的節能、環保、安全、舒適等4項指標。

2015年初，鐵路總公司車輛部提出客車照明首選采用LED照明技術，研發適用于客車照明的LED照明燈具是年度重點工作之一。因此，綠色照明技術是軌道車輛照明技術發展的必然趨勢。

3 技術設計

3.1 設計目標

（1）研發適用于鐵路普速客車的綠色照明燈具（LED）代替現有列車照明燈。

（2）研發適用于各種列車LED照明燈具的驅動電源，使照明設備能在交、直流40 V至265 V供電范圍內正常工作。3.2設計原理及組成

3.2.1 寬電壓智能驅動電源設計

電路采用專業的電源驅動IC/L6562D設計，單級PFC控制，功率因素可以做到接近1，輸入采用壓敏抗浪涌電路及雙級共模濾波電路，電源完全符合EMC測試要求；適應交、直流兩種輸入電壓，且輸入電壓范圍寬，最低DC 4 V輸入，最高AC 265 V輸入；電源設計為DC 36V恒壓輸出、具有浪涌抑制、短路及過載保護功能，最大工作輸出電流1.0A,輸出電壓精度達±3%，線性調整率＜±5%，負載調整率＜±3%，輸出穩定、紋波小，符合軌道交通-電磁兼容性標準（GB/T24338.4-3-2：2009）和軌道車輛振（GB/T21563-2008）動標準要求，是一款寬電壓（48 V~220 V），交直流通用，電磁兼容性性能良好的綠色照明電源。

驅動電源電路原理圖如圖1所示。

圖1 列車照明CZ50電源方框圖

3.2.2 LED照明光源開發

本次需設計開發的LED光源燈板主要有：

（1）0.4 m 7 W LED燈板部件對應鴻昆光電型號 PAPLLLC0102N-01；

（2）0.6 m 10 W LED燈板部件對應鴻昆光電型號PAPLLLC0101N-01。

智能驅動電源模塊采用單個電源拖2塊光源板部件。光源板電路原理圖如圖2所示。

圖2 光源板電路原理圖

燈珠采用煜明2835≥23 lm 2.9 V~3.1 V，功耗60 mA,10 串4并7 W,10串6并10 W；燈珠工作時電流設定為45 mA,此電流工作時的單顆燈珠光通量為19 lm左右。即0.4 m燈板功率4并×0.045 A×36 V=6.48 W,光通量為10串×4并×19 lm= 760 lm,；0.6 m燈板功率6并×0.045 A×36 V=9.72 W,光通量10 串×6并×19lm=1140lm，光通量等同替代傳統光源0.4m 15W （650~750）lm、0.6m 20W（980~1100）lm，節能達50%。

4 關鍵技術

4.1 寬電壓智能驅動電源技術

LED燈管驅動電源需符合DC 48 V、DC 110 V、AC 220 V三種不同工作電壓，為保證LED燈光源更換時的互換性，減少品種規格，降低工人勞動強度。因此，此電源不僅在電氣指標方面要符合高效、電磁兼容等技術指標，而且要做到對交直流電壓自動識別和48 V~250 V電壓范圍變化的自動適應。

4.2 電磁兼容性設計

按照國家電子產品電磁兼容型式實驗標準要求，該產品通過了中國鐵道科學研究院進行的電磁兼容性能檢測。

4.3 整體燈具防震設計

由于產品安裝在軌道交通車輛上，水平及縱向存在著頻率1 Hz至50 Hz的振動，因此，需進行嚴格的防震設計，是燈具能夠長時間在車輛運行環境中穩定工作。

4.4 半導體（LED）光源基板設計

半導體（LED）光源采用板式設計，LED發光顆粒、電阻和導線等電子元器件直接敷設在鋁基板上，這種工藝是在鋁基板上涂覆絕緣層，在絕緣層上印制電路，然后再貼焊LED發光顆粒和其他電子器件。其產品的優點是光源散熱良好，有效延長了LED發光顆粒的使用壽命，并使光線分布均勻。設計開發的半導體板式光源不僅節能環保，而且顯色性好，光譜比熒光燈管光源更接近自然光。

5 先進性及創新型

5.1 項目的先進性

項目在技術上采用綠色照明技術，所開發燈具同時具備節能、環保、舒適和安全性能。電源采用智能驅動電源，可適用于DC 48 V、DC 110 V和AC 220 V三種不同電源。經科技檢索查新，該類照明技術在國內軌道交通車輛照明領域具有領先水平。

5.2 項目的創新性

（1）項目開發設計的半導體（LED）光源不僅能滿足節能、環保、舒適、安全的綠色照明要求，而且使用壽命長，是目前普通光源壽命的5~10倍。

（2）半導體（LED）光源電路為板式設計。LED發光顆粒、電阻和導線直接敷設在鋁基板上，這種工藝是在鋁基板上涂覆絕緣層，在絕緣層上印制電路板，然后在貼裝LED發光顆粒和其他電子器件。其產品的優點是光源散熱良好，LED發光顆粒的壽命長，光線分布均勻。

6 技術指標

6.1 光源技術指標（見表1）

表1 光源技術指標

6.2 電源技術指標（見表2）

表2 電源技術指標參數表

7 現場應用實效

該項目研發的綠色照明燈具在阜陽~上海K8361次列車上安裝了兩節車廂，且經過一年多的試用考核。經現場試用和比對測試可知，該項目設計的LED綠色照明設備取得以下實際應用效果：

（1）具有節電、亮度高、環保、安全、故障率低和壽命長等優點；

（2）改裝車輛LED燈具和原車燈具匹配完好、接線方式和原車相同，便于檢修和維護；

（3）改裝車輛車廂內亮度明顯提高，光照柔和、均勻，改善了旅客視覺環境；

（4）改裝車輛LED照明燈功耗低，經測試功率比未改裝車輛降低約35%，節能減排效果顯著；

（5）產品運行穩定，減少維修工作量。未改造車輛老式燈具每列次進庫都有1到3根燈管需更換，而改造車新式LED燈具試運行三個月來只發生1次接頭不好故障現象，故障率大為降低，減少庫檢人員工作量。

8 結束語

從上述研究資料總結來看，本課題研制開發的綠色照明燈具在亮度上比老式熒光燈具提高了2倍，在功耗上節能約50%，在壽命上提高到2.5萬h（約三年）。而且通用性好，一種燈具適應三種不同電源類型，可為用戶減少備貨種類。產品免維護，可靠性好，可為用戶節省大量維修費用。

本研究成果于2016年1月22日通過了上海鐵路局科技成果驗收，成果技術水平達路內領先。

責任編輯：許耀元 胡雄偉

來稿日期：2016-11-21