城市軌道交通車輛制動系統的原理分析與綠色設計研究

王紹洪

昆明地鐵運營有限公司 云南昆明 650000

1 綠色設計的定義

綠色設計是由綠色產品的誕生而發展起來的一種設計方法，是以“3R”，即Reduce（減少）、Recycle（回收）、Reuse（重復使用）為核心概念，以節約資源、保護環境為宗旨的設計方法和過程[1]。

綠色設計在綠色產品的整個生命周期內，著重考慮產品應符合節約自然資源、減少環境影響的要求，并將可拆卸性、可回收性、可重復利用性等要素融入到產品設計的各個環節中去。同時還要將產品的基本技術屬性和環境資源屬性緊密結合在一起，在進行設計決策時，除滿足產品本身的物理目標外，還必須滿足環境目標，以達到真正綠色設計的要求。

2 城市軌道交通車輛制動系統的綠色設計研究

隨著我國社會經濟的快速發展、城鎮化進程在不斷加快及工業化的不斷深入，人口的劇增和資源的消耗，給交通造成擁堵問題的同時，隨之引起資源枯竭、環境惡化，廢氣、噪聲、粉塵等污染問題極為嚴重，使生態環境遭到了前所未有的破壞。日益嚴重的交通擁堵問題和環境污染問題，不僅制約了我國城市的可持續發展，而且還威脅著人類的健康和生存。社會進步、經濟發展和環境保護的關系是彼此依托、互相推動的。一個企業，為了促進社會的進步、經濟的發展，以及出于我們人類自身健康問題和生存問題的著想，應該提高環保意識，探索符合環保要求的節能、降耗、少污染的綠色產品的設計與制造模式，以適應社會發展的要求是相當有必要的。

處于快速發展并作為城市公共交通骨干交通工具的城市軌道交通，要實現的是運量大、安全、快捷、準點、經濟、環保等作用。針對城市軌道交通車輛制動系統存在的不足，必須把綠色設計研究應用其中，在制動系統的使用全過程中，從符合節能環保、可拆卸性、可回收性、可重復利用性等方面考慮。把制動系統的基本屬性和環境屬性緊密結合在一起，在進行設計決策時，除滿足產品本身的物理目標外，還應滿足環境目標，以達到綠色設計的要求。最終讓城市軌道交通真正成為人們“節能減排、綠色出行”的綠色公共交通工具，并作為帶動城市發展的綠色發展之路。

3 城市軌道交通車輛制動系統的綠色設計

3.1 電池儲能

由于化學電池儲能的充放電循環壽命有限，在城市軌道交通頻繁啟動、制動的場合，基于電池的儲能系統的使用壽命不夠長，大容量儲能還會引起電池質量增加，導致車輛自重增加，另外大量使用電池會對環境造成嚴重污染，因此電池儲能的使用受到很多限制[2]。

3.2 飛輪儲能

飛輪儲能系統依靠飛輪的動能來儲存能量，在儲存能量時，飛輪的速度得到增加，而釋放能量時，飛輪的速度被減少。與電池儲能相比，飛輪儲能器使用壽命長，設計使用周期在20年以上，并且使用期間免維護，可以快速深度放電和充電。但是飛輪工作時損耗相對較大，能量不能長時間儲存，因此與電池儲能相比，飛輪儲能更適合在短時間大功率場合使用。

3.3 超導儲能

超導磁儲能采用超導材料制成線圈，利用其低損耗儲存磁場能量，通過電力電子變流器與電力系統連接，構成既能快速儲存能量，也能快速釋放能量的快速響應器件，從而達到大容量儲存電能、改善供電質量、提供系統穩定性等目的。與其它儲能系統相比，可長期無損耗儲存能量，其儲存和釋放過程中效率可達95%以上。另外，超導儲能裝置調節容易，維護方便，并且無污染，是比較理想的儲能裝置，最適合短時大功率場合應用。但是，超導儲能裝置的單位體積儲存的能量與飛輪儲能和電池儲能相比要低，因此通常與電池儲能配合使用。在城市軌道交通系統中，若只考慮吸收再生制動能量而不考慮提供能量備份，則對功率密度的要求要高于能量密度，采用超導儲能夠吸收再生制動能量，動態速度快，可最大程度減小直流電壓脈動，而且體積重量相對要小。

3.4 超級電容儲能

為了使再生制動實現最大限度的能量回收利用，并對環境不構成影響，能量的儲存以及儲存方式的選擇是特別關鍵的，應綜合考慮，根據實際需求選擇合理的儲存方式。然后把能饋與儲能結合起來構成牽引供電系統，在車輛啟動時，供電變流器輸出主要供電功率，儲能系統釋放能量，為下一次制動時吸收能量做準備；在車輛制動時，可以使大部分能量通過可逆牽引變流器回饋電網，而儲能系統只用來吸收多余的少部分制動能量，因此可逆牽引變流器可以按最大整流功率設計而不按最大能饋功率設計，降低了牽引供電變流器的配置容量，從而提高變流器的容量利用率。由于儲能系統的參與，可以減小回饋的再生制動能量對電網的沖擊，改善入網電能質量。另外由于儲能系統只是用來吸收少部分能量，因此體積和成本都可大大降低[3]。

4 結語

為適應社會發展的需求，我國城市軌道交通制動系統的技術在不斷的發展，技術逐漸趨向成熟，制動系統的性能不斷得到完善，但有些地方還需要改進。因此，將綠色設計應用于城市軌道交通車輛的制動系統，得不到足夠的重視，也沒有形成一定研究理論體系。無論是在技術上還是相關理論的研究上，與國外發達的國家相比，更是相差甚遠。但是針對城市軌道交通車輛制動系統綠色設計研究存在的問題，給我們帶來不僅是嚴峻的挑戰，同樣也是一種發展機遇。