軌道交通冷卻系統技術前沿及發展綜述

李仕林

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著國內外高速鐵路車輛的快速發展，列車速度不斷地迭代升級。2013年，中國鐵路總公司提出了我國高速動車組的創新發展戰略部署，截至目前，我國350 km標準化動車組已全面上線運營，250 km標準化動車已通過樣車驗證，正在進行小批量裝車，400 km標準化動車組已研制成功，處于調試階段，600 km磁浮列車正在研制中[1]。目前大部分高速列車靠電力牽引，包括牽引變流器、牽引變壓器、輔助變壓器、列供柜、牽引電機等電力裝備部件。

牽引變流-變壓器成為電力高速列車的動力核心，以高壓交流傳動作為牽引動力的列車占主要地位[2-3]。牽引變流器、變壓器在交流牽引系統中發揮重要作用，牽引變流器在車輛運行過程中需要不斷切換開關，在開啟和關斷的過程中產生大量的熱；牽引變壓器是將交流電力系統的電能轉輸為2個帶負載的單相牽引線路，變壓器繞阻在工作過程中產生大量的熱，其熱量不及時散出，就會出現變流-變壓器過熱，導致設備無法正常工作，因此，關于冷卻系統業內主要針對這兩大核心部件展開研究[4-6]。

1 國內外軌道車輛冷卻技術發展情況

1.1 國內外冷卻技術發展歷程

世界上第一代交流傳動電力機車采用普通晶閘管變流器，其冷卻方式為油冷卻；世界第二代交流傳動電力機車采用GTO晶閘管變流器，其冷卻方式為油冷卻和水冷卻，部分車型采用沸騰和熱管冷卻；國內第一代電力機車采用GTO晶閘管變流器采用水冷卻；第三代交流傳動電力機車采用IGBT變流器，冷卻采用強迫通風-水冷卻，在水泵的作用下將變流器的熱流流到熱交換器中，在冷卻風機作用下與冷卻空氣進行熱交換，實現冷卻[7]。

電力機車牽引變壓器油冷卻系統由油泵+換熱器+冷卻風機構成，均采用強迫通風-油冷卻方式。

電力動車組牽引變流-變壓器冷卻技術的發展與電力機車類似，牽引變流器通常采用強迫通風-水冷卻技術；牽引變壓器采用強迫通風-油冷卻技術，少數動力分散性動車組牽引變流器采用熱管或相變冷卻技術[8-9]。

1.2 國內軌道交通冷卻技術現狀

我國軌道交通車輛采用的是技術引進、消化吸收、自主創新的發展路線，因此研發初始時間比國外晚，但起點較高，發展速度快，技術日新月異。

隨著牽引變流器-變壓器冷卻需求及冷卻技術的發展，低速小功率、低熱流密度牽引變流器通常采用自然風冷；低速重載牽引變壓器采用油浸式強迫風冷油技術；高速大功率牽引變流器采用強迫風冷水技術；少數高速小功率牽引變流器-變壓器冷卻系統采用強迫風相變冷卻技術[10-11]。

因此，從軌道交通裝備的發展過程看，牽引變流器、變壓器的冷卻采用的方式有空氣冷卻、強迫水冷卻、強迫油冷卻、相變冷卻等形式。

從冷卻系統冷卻能力自動調節來看，軌道交通冷卻系統屬于被動式冷卻，僅基于冷卻角度，而不是從系統熱管理角度出發進行系統設計和優化控制。

從安裝方式看，大部分電力機車、內燃機車冷卻裝置安裝于機械間內、車頂、車底，有集中式冷卻和分散式冷卻2種，為提高產品的空間利用率，動力集中式冷卻系統均采用塔式結構。

國內軌道交通牽引變流-變壓器冷卻系統的冷卻介質種類、冷卻方式與國外先進軌道交通技術水平相當。然而，在產品可靠性、輕量化、低噪聲方面依然存在一定的差距，因此，軌道交通冷卻裝備的可靠性、輕量化、噪聲控制，目前是國內外研究的熱點。

2 軌道交通車輛冷卻系統技術的發展

2.1 國內外軌道交通冷卻技術需求

1)整車熱管理需求。從軌道交通車輛系統部件集成及技術發展看，牽引變流-變壓器冷卻系統的設計、研發、制造來自不同的廠家，各自站在不同的角度進行系統設計，往往預留較大的設計余量，設計難度大，成本較高。因此，牽引變流-變壓器冷卻系統須從系統集成和整體角度，統籌熱量與熱管理對象與整車之間的關系，綜合考慮冷卻系統參數的匹配性，如對牽引變流-變壓器、水泵、油泵、熱交換器、冷卻通風機從介質溫度、流量、環境適用性進行統籌分析；將牽引變流-變壓器冷卻系統、空調系統、車體暖風機、水暖、地熱等暖通系統集成為一個有效的熱管理系統，從整車的角度控制整車熱量傳遞，保證各部件安全、高效運行的同時，合理地分配熱能，從整車的角度出發變被動為主動，自動調節冷卻能力。熱管理系統的綜合利用，可極大降低輔機消耗，降低系統噪聲，提高車輛環境適用性[12-13]。

2)健康管理需求。利用先進的傳感器技術，獲取系統運行的狀態信息，借助智能推算方法，根據系統歷史狀態、環境因素，對冷卻系統各關鍵部件進行狀態分析和監測、故障診斷及預測，評估和預測冷卻系統的運行狀態，根據關鍵參數對照提出維修保養計劃，由傳統的定期檢修向視情檢修轉變，該系統的建立，可大大地降低系統的檢修維護和運營成本[14-16]。

3)新型高效冷卻技術需求。隨著軌道交通的迅速發展，冷卻技術越來越好的情況下，利用特殊的通道結構采用高效相變冷卻技術，實現高效換熱。通常相變冷卻技術包括自循環的微循環換熱系統、強迫循環的流動沸騰系統等。相變冷卻技術的應用，可將局部傳熱效率提升1～2個數量級，在有限空間內大大提高系統換熱能力，有效縮小冷卻系統尺寸[17-20]。

4)低噪智能化通風技術需求。軌道交通牽引變流-變壓器冷卻系統絕大部分采用強迫通風冷卻，通風機是該系統最為關鍵的部件之一，因此低噪智能化通風技術是目前研發的熱點。低噪智能化通風機自帶軸承溫度、振動監測監控傳感器，為監控、診斷和處置相關故障提供數據；冷卻風機自帶調頻變速控制系統，在進出口設置溫度、壓力、轉速等傳感器，根據牽引電機、牽引變流器、牽引變壓器等部件的冷卻需求，智能調節系統需求供風量，從而達到降噪、節能減排的目的[21-24]。

5)大功率、高速內燃機車輕量化冷卻技術需求。對于大功率貨運電力機車、內燃車、雙源制吊車機車，采用集中冷卻為主，包括牽引變壓器、牽引變流器與柴油發動機冷卻系統的集成，目前國內外柴油發電機大部分由柴油機廠家集成或由主機廠獨立設計；對于柴電雙源制機車，可將牽引變流器、牽引變壓器與柴油機冷卻進行高度集成，可有效降低產品重量和制造成本[25]。

2.2 軌道車輛冷卻系統技術發展方向

1)智能控制技術在冷卻系統中的應用。水冷、油冷系統采用智能化控制通風機、水泵、油泵，根據牽引變流器、變壓器入口水、油溫，實時調整通風機的轉速，可避免風扇一直處于高速旋轉狀態，從而減少輔機能耗；由于列車運行范圍廣，絕大部分時間輔機在低速狀態運行，可大大延長輔機的使用壽命；通過對冷卻系統核心參數的管理，可全面實現對冷卻系統功能和運行狀態的管理[26-29]。

2)高效納米流體換熱技術的應用。隨著現代科技水平的發展，在其他冷卻技術領域，為提高冷卻介質的換熱效率，納米流體技術應運而生。在軌道交通不斷追求高效的背景下，可致力于研究新型的換熱介質，如石墨烯流體、Cu-水納米流體、SiO2-水、SiC-乙二醇納米流體等。

3)消聲技術的應用。隨著軌道交通車輛對于舒適性及環保要求的不斷提升，要求大功率水、油冷卻系統用冷卻風機產生的噪聲影響必須降至最低，因此冷卻裝置的降噪技術是目前研究的熱點問題。可在傳播途徑上采用隔聲或吸聲措施，可在發聲源處采用有源主動降噪技術來降低噪聲。

4)混合式冷卻-油水+相變冷卻技術的應用。結合相變高效換熱，水冷、油冷的工作特征，實現兩種或多種技術的融合，揚長補短，提高換熱系統冷卻能力，縮小體積，延長壽命，降低輔助功率消耗。

3 結語

隨著國內外冷卻技術發展，軌道交通牽引變流-變壓器、牽引電機等一系列需要冷卻的產品，在滿足功能需求的同時，向綠色、高效、低噪、智能化的方向全面發展。為滿足軌道車輛冷卻現代化發展需求，本文提出如下建議。

1)從整車的角度出發，采用系統設計的思路，統籌分析，優化參數。

2)利用智能化控制技術，可實現冷卻系統技術的有效控制，提高效率降低能耗。

3)可通過主動加被動的消聲技術降低系統噪聲。

4)研發新型納米流體替代現有的冷卻介質，提高傳熱系數。

5)研究一種新型的混合式相變冷卻技術，彌補傳統冷卻系統體積大、效率低的不足。