雙碳背景下城軌車輛綠色低碳技術應用與研究

李 梁，張卓杰，孫 瑤，劉亞妮，馬喜成

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

1 概述

交通運輸是社會經濟發(fā)展的重要組成部分，也是我國用能的重要領域，其能源消耗和二氧化碳排放占有較大比重。在“碳達峰、碳中和”的國策下，“公交優(yōu)先”上升為國家策略，“綠色出行”已成為行業(yè)共識[1]，交通領域碳減排對全社會“碳達峰、碳中和”目標的實現至關重要。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，每輛車每年運行12萬～15萬km，每輛車每年能耗為30 萬～37.5萬kW · h。據統(tǒng)計，截止2021年底，我國城市軌道交通的運行里程達到8 708 km，“十四五”期間，城軌車輛總數將達到數十萬輛，其電能消耗量巨大，因此，進一步研究降低城軌車輛碳排放具有重大意義。

交通領域長期以來都是碳排放的重要領域之一，雖然全球各個國家和地區(qū)在減少交通領域碳排放、促進交通領域向綠色發(fā)展轉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[2]。 “雙碳”背景和目標下，城市軌道交通綠色可持續(xù)發(fā)展需要不斷推進。近來我國對交通領域的綠色發(fā)展十分重視，如2021年中共中央國務院印發(fā)的《國家綜合立體交通網規(guī)劃綱要》中特別指出“加快推進綠色低碳發(fā)展，交通領域二氧化碳排放盡早達峰，降低污染物及溫室氣體排放強度，注重生態(tài)環(huán)境保護修復，促進交通與自然和諧發(fā)展”[3]。

由此可見，從國家戰(zhàn)略層面出發(fā)，要實現交通領域“雙碳”目標，就必須加快形成綠色低碳交通運輸方式，加快綠色基礎設施建設，開發(fā)并廣泛運用新能源、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，在實現交通行業(yè)碳中和過程中被委以重任，城軌車輛雖然是采用電氣驅動，但在節(jié)能降耗方面仍有諸多方面可進一步探究。城軌車輛降低碳排放具體路徑主要從四大方面實施，一是提高能源利用轉換效率，如選擇效率高的系統(tǒng)及部件；二是降低車輛重量，如車輛輕量化技術的應用；三是節(jié)能環(huán)保技術，如采用氫能源、環(huán)保型制冷劑等；四是新技術的應用。下面介紹降低城軌車輛碳排放的具體實施路徑。

2 提高能源利用轉換效率

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

隨著我國城市軌道交通技術的發(fā)展，節(jié)能技術大量應用于城軌車輛牽引系統(tǒng)中。近年來，隨著材料制造和生產工藝的快速進步，大電流、高電壓的碳化硅（SiC）功率器件逐步得到應用，達到更高頻、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)，從而最終達到節(jié)能目的。在國內某地鐵項目中，通過車輛某種場景下的運行數據分析，采用SiC功率器件和永磁電機的組合方式，其效率達到最佳，在列車自動運行（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）功率模塊的對比。

表1 SiC功率模塊與既有的IGBT功率模塊對比 %

對于采用永磁電機牽引的車輛，其節(jié)能主要體現在效率上，由于城市軌道交通車站間距小，停站多，車輛頻繁啟停，永磁電機相對異步電機全路段效率較高[5]，永磁電機采用永磁體勵磁，與異步電機電流勵磁相比消除了電流勵磁的熱損耗，提高了電機效率，目前傳統(tǒng)異步電機的效率在92%左右，而永磁電機的效率在96%左右。根據國內某地鐵線路的試驗數據，永磁電機相對于異步電機車輛的節(jié)能效果如表2所示。

表2 永磁電機與異步電機列車能耗

對于永磁驅動系統(tǒng)，更為節(jié)能和輕量化的方案是永磁直驅傳動技術，該方案省去齒輪箱和聯軸節(jié)，其重量、體積都大幅縮小，體積減少近30%（其中電機約占10%，齒輪箱和聯軸節(jié)約占20%），1臺轉向架重量也將減輕約700 kg。由于尺寸縮小，其轉向架軸距也可縮短，以西門子研發(fā)的地鐵車輛永磁直驅轉向架為例，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電機和其裝配的轉向架圖。另外，由于無齒輪箱，相比帶有齒輪箱驅動的結構，其噪聲也將降低了近10 dB，且減少了部件的維護和檢修成本，其全壽命周期成本更低[7]。

圖1 西門子永磁電機

圖2 西門子直驅轉向架

城軌車輛采用小型化、輕量化和高性能的高頻開關輔助逆變器勢在必行。高頻輔助逆變器相比工頻輔助逆變器，其開關頻率大幅提升，可達到10～20 kHz。高頻隔離方式采用軟開關技術提高開關頻率，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

2.2 高壓直流變頻空調

城軌車輛由于載客量大，空調負荷大，空調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機組多采用交-直-交變頻器，先將工頻AC380V 整流成直流電壓，再經逆變單元轉變成頻率可調的交流電輸出，存在結構復雜、能量轉換效率較低問題，而如果采用高壓直流變頻空調，可省去中間整流環(huán)節(jié)，還可以降低AC380V 逆變電源的設計容量，減小了設備的質量和體積，實現了輔助電源系統(tǒng)的小型化及輕量化[8]。高壓直流變頻空調主要原理拓撲如圖3、圖4所示。

圖3 DC1500V網壓高壓直流變頻空調拓撲圖

圖4 DC750V網壓高壓直流變頻空調拓撲圖

對于傳統(tǒng)空調，采用輔助逆變器AC380V供電的技術方案，系統(tǒng)的總體能量轉換效率約為87%，而采用高壓直流變頻空調，其效率約為94%，總體能量轉換效率提升7%。車輛重量和設備布置也得到了減輕和優(yōu)化。對于采用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。對于采用DC750V的車輛，無需通過輔助逆變器或逆變電源對空調進行供電，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

3.1 輕量化的車體、轉向架、內裝材料

在滿足使用車輛各項要求的前提下降低列車重量，可有效降低運營能耗和全壽命周期成本。對于車輛輕量化，目前常用方法為采用新材料、新工藝等實現整車的節(jié)能。如車體材料采用鋁合金或碳纖維材料，以國內地鐵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種不同車體材質重量 t

轉向架構架采用碳纖維材料，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單個箱體可減重70 kg，1列6節(jié)編組（4動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用于城軌車輛內裝部件中，其主要應用和減重效果如表5所示。

表5 主要輕型材料應用和減重情況 %

3.2 電機械制動 + 鋁合金制動盤

對于城軌車輛，應用成熟的制動系統(tǒng)的制動力一般由空氣或液壓施加，列車上需要配置主風缸和空氣壓縮機等設備。目前正在研制一種新的制動力施加方式，即通過電施加，采用電子機械制動方式，該種方式從制動系統(tǒng)單方面考慮，可以減少列車上制動管路的布置，取消主風缸和空氣壓縮機等設備。但如果列車上有其他用風設備如空氣彈簧等，空氣壓縮機則不能取消。從整車角度考慮，由于列車制動管路減少，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，如制動盤采用鋁合金制動盤，目前鋁合金制動盤在城軌車輛上已經得到大量應用。單個鋁合金制動盤相對常規(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。鋁合金制動盤在采用輪盤制動的地鐵車輛上應用廣泛，如上海地鐵16 號線、深圳地鐵11號線等項目。電機械制動目前還處于研發(fā)階段，尚未進行實際裝車應用。

4 節(jié)能環(huán)保技術

4.1 氫燃料動力電池

氫能源被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，?0世紀70年代以來，世界上許多國家和地區(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)勢越發(fā)明顯。氫燃料動力被視為未來的發(fā)展方向[9]。

氫燃料電池技術是通過氫與氧的直接電化學反應發(fā)電，是電解水的逆過程，能量密度高、噪聲低、無污染，發(fā)電反應最高溫度不超過100 ℃，不產生氮氧化合物，唯一的排放物質只有水，是真正的“零排放”。

氫燃料電池技術則是氫能源技術的重點研究方向。在軌道交通領域，氫氣主要結合燃料電池一起構成動力系統(tǒng)，不僅可替代傳統(tǒng)內燃動力系統(tǒng)，而且可使車輛擺脫線路牽引供電系統(tǒng)，降低對線路的投資，同時具有噪聲小、污染低、以及使用壽命長等特點。

針對采用無網供電技術的車輛，氫燃料具有較好的適應性，如有軌電車。應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)和車載儲氫系統(tǒng)構成，圖5是某有軌電車氫燃料電池系統(tǒng)結構組成。

圖5 有軌電車氫燃料電池系統(tǒng)結構組成

以某有軌電車為例，氫燃料動力系統(tǒng)參數表配置如表6。

表6 某有軌電車氫燃料動力系統(tǒng)參數配置表

4.2 二氧化碳制冷劑

傳統(tǒng)的空調制冷劑氟利昂是一種人工合成的制冷劑，不但會破壞臭氧層，而且會造成地球暖化。通過換算，使用1 t的氟利昂相當于3 900 t左右的二氧化碳排放。目前城軌車輛使用的R410、R407等類型空調制冷劑同樣存在溫室效應問題，不能夠滿足長期的環(huán)保要求[10]。城軌車輛空調采用CO2制冷劑，具有環(huán)境友好，安全無毒、制冷性能好等一系列優(yōu)勢，但目前使用成本較高。與現有R407C制冷劑空調相比，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制冷劑的對比表。

通過表7可以看出，目前，相對R407C、R410A制冷劑，CO2制冷劑的額定制冷量和能效比都相對較低，未來還需要通過技術突破，提高其制冷量和能效比，使其在城軌車輛領域獲得更加廣泛的應用。

5 新技術的應用

5.1 列車在線解編連掛技術

在線解編聯掛是針對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段，組織列車聯掛上線，增加客流運輸能力；在客流低谷時段，又可解編列車，這樣既能實現節(jié)能減排，又能根據客流需要靈活組織運能。以上海地鐵16號線“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，再分別投入運營。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營，提升運能。這種方案能在滿足線路載客量和服務質量等方面最大程度地節(jié)約能耗。根據國內某條高鐵長期運行情況統(tǒng)計，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)編組重聯運行的高鐵列車與2列3節(jié)編組重聯運行的地鐵列車在系統(tǒng)架構上一致，但由于車輛形式、動拖比、最高運行速度等不一致，2列車3節(jié)編組重聯運行的地鐵列車相比6節(jié)編組固定運行列車的具體節(jié)能數值還需要通過長期運行進行詳細的數據分析才能得到。

5.2 全自動駕駛技術

以地鐵列車為例，全自動駕駛技術可以實施多列車的自動、實時、協(xié)調控制，如合理安排列車交會，避免列車交會中的啟停，防止列車同時啟動，避免負載集中等，實現列車、車站機電設備節(jié)能優(yōu)化運行；通過列車運行策略的優(yōu)化，可最大限度實現再生制動能量的吸收，從而達到節(jié)能目的。從法國地鐵公司多年運營數據分析，全自動駕駛列車可降低系統(tǒng)整體能耗15%左右。列車運行策略主要有3種，即節(jié)時運行策略、定時節(jié)能運行策略以及節(jié)能運行策略。如列車在高峰期運行，此時運輸需求量較大，最需要的是在較短的時間內將乘客進行轉運，宜采用節(jié)時運行策略；列車在非高峰運行，對于運輸的需求量不高，此時可以犧牲一部分時間，減少列車的能耗，可采取定時節(jié)能優(yōu)化策略；節(jié)能運行策略一般是最大限度地減少制動操作，通過多次惰行+牽引交替的方式到達終點，這種方法會增加運行時間，難以滿足運行時刻表的要求，實際運行過程中較少采用。這3種策略可根據實際運行需要進行選擇。全自動駕駛技術可根據實際情況選擇最佳的運行策略，從而達到節(jié)能的目的。

通過國內某條地鐵線路運行比較，經過數據分析比對，相比未作優(yōu)化時的總牽引能耗，采取優(yōu)化運行策略列車的節(jié)能效率達到11.74%[12]。

6 結語

在“碳達峰、碳中和”目標之下，城市軌道交通如何實現降低碳排放及進一步節(jié)能優(yōu)化是需要不斷探索的重要課題，當前城軌車輛正在面臨一場低碳技術的革命，其主要路徑聚焦在提高能源利用轉換效率、車輛輕量化、采用節(jié)能環(huán)保的動力電源和環(huán)保型媒介，以及新技術的應用等，車輛的研發(fā)、改進將主要圍繞節(jié)能高效、綠色環(huán)保、新型能源等方面實施，至于車輛具體采用哪項節(jié)能降碳措施或技術方案，還需要結合成本、應用情況、全壽命周期、車輛適應性等方面綜合考慮與選擇，從而更加科學合理地推動城市軌道交通行業(yè)“雙碳”目標的實現，真正意義上實現城市軌道交通綠色低碳發(fā)展，為我國“雙碳”目標的實現貢獻力量。