軌道交通俘能發電技術應用探索

陳 超

（西安鐵路信號有限責任公司，陜西西安 710100）

1 引言

《2030年前碳達峰行動方案》[1]為碳達峰、碳中和這項重大戰略進行系統謀劃、總體部署，方案提出，到2025年，非化石能源消費比重達到20%左右，單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%，單位國內生產總值二氧化碳排放比2020年下降18%的近期目標，以及構建綠色、高效、智能交通運輸體系的要求。《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》[2]中提出，到2025年，交通運輸領域綠色生產生活方式逐步形成，交通基礎設施綠色化建設比例顯著提升，資源要素利用效率持續提高，綜合交通運輸基本實現一體化融合發展，智能化、綠色化取得實質性突破。

截至2021年底，我國高鐵運營里程突破4萬km，中國鐵路營運總里程突破15萬km[3]，中國內地累計有50個城市投運城市軌道交通線路9 192.62 km[4]，伴隨軌道交通里程的增加和列車速度的提高，以及無線傳感技術的發展，軌道交通健康狀況實時自動化監測已成為軌道交通智能化運營的發展趨勢。無線傳感器節點是無線傳感系統重要組成部分，采用電池供電方式，雖具有低功耗特點（使用2節干電池可維持6～24個月），但無線傳感器節點數量龐大，難拆卸，且受地理環境限制，定期定點的進行電池維保，工作量繁重。

俘能發電技術是利用周圍環境中可用能量（如風、光、溫等），通過壓電、電磁等方式將環境能量俘獲、轉換為電能并儲存在超級電容或電池內的能源利用技術。因此，研究、應用俘能發電技術為軌道交通中無線傳感器節點供電可提高設備可維護性，降低檢查人員勞動工作強度，減少電池污染，對綠色軌道交通意義重大。

2 軌道交通無線傳感技術應用

無線傳感技術使用多種無線通信方式，伴隨科技的進步，人們對無線低功耗、低成本需求越來越高，ZigBee無線通信技術在此背景下誕生，它具有功耗低、延時短、成本低、速率低、網絡容量高、傳輸距離短、可靠性高、保密性高以及開放性和通用性的特點。ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，并擴展了網絡層和應用層，實現多個設備通信，該技術廣泛應用于無線數據采集、無線工控設備以及遠程網絡控制領域，解決了短距離布線問題[5]。因此，基于ZigBee的無線傳感器節點通信方式在軌道車輛和軌下基礎設施狀態監測領域得到廣泛研究和應用[6-7]。

2.1 軌道車輛狀態監測

陳啟武等[8]根據貨運列車安全狀態監測應用需求，設計了基于ZigBee無線通信技術的貨運列車安全狀態監測，通過在每節車廂轉向架軸箱內安裝ZigBee節點，實時采集軸溫和煙霧數據并發送至機車監控平臺，實現對貨運列車的安全狀態監測功能。其中，ZigBee節點選用CC2530芯片，該芯片由電源模塊采用1節5 V電池供電，使用直流變壓器HT7533將5 V降至其工作電壓 3.3 V。

謝千野[9]針對列車軸溫高而不能及時排除故障，可能會引起切軸事故的問題，設計基于ZigBee網絡的地鐵列車軸溫實時監測系統，實現對列車軸溫的實時監測功能，解決了人工觸碰測量不可靠和地鐵環境不宜安裝軌旁紅外測溫探頭的問題。系統選用CC2530芯片實現溫度數據實時收發，并設計使用2節干電池為芯片供電，電池更換周期約為1年。

邱曉歡等[10]針對貨運列車軸溫實時性問題，進行貨運列車軸溫檢測系統設計，采用ZigBee搭建無線傳感網絡，將軸溫信息發送到車載監控平臺，再發送至遠程監控系統，實現軸溫的實時監測功能，解決貨運列車運行過程中軸溫動態監測問題。其中通信模塊選用CC2630主控芯片，該芯片供電電壓為1.8～3.8 V，采用紐扣電池為其供電。

王銳等[11]針對高速列車車廂內環境舒適度問題，設計列車環境智能無線監測系統，通過ZigBee網絡傳輸數據至主控中心，主控中心通過該網絡實現對車內空調控制，實現車內溫濕度、氣壓、CO濃度和煙霧度等一系列環境參數動態監測，提高車廂環境舒適性。其中，ZigBee組網核心芯片采用CC2430。

2.2 軌下基礎設施狀態監測

于曉東等[12]針對鐵道扣件松脫監測問題，設計了基于IoT傳感器網絡的實時鋼軌檢測系統，通過ZigBee、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-loT）和互聯網（Internet）實現數據傳輸，將扣件松緊程度、列車載重及運行速度等狀態參數實時傳送到云端服務器，提高監測效率，降低漏檢和誤檢率。其中，ZigBee模塊使用CC2530芯片。

史經科等[13]針對鐵道沿線邊坡滑坡災害問題，設計基于ZigBee無線網絡技術的鐵道沿線邊坡滑坡災害實時監測系統，實現了將滑坡位移量傳送至地面監控中心的監測功能，有效解決了監測區無人值守、布線難等問題。主控芯片選用CC2530，系統采用12 V蓄電池配套供電電路作為系統供電，其中，電壓降至3.3 V為ZigBee的主控芯片供電。

程龍[14]對蘭新高鐵沿線重點風區風速監測及列車的風致安全預警問題進行研究，設計基于ZigBee方案的無線監測網絡系統，實現了重點風區的風速實時監測，對線路中行駛的列車提供準確的限速預警功能，解決了大風對列車的行車安全預警問題。ZigBee方案采用基于射頻CC2530芯片作為主控芯片。

2.3 小結

通過對軌道車輛及軌下基礎設施狀態監測系統調研可知，基于ZigBee無線傳感器節點得到廣泛應用[15]，其核心器件為CC2430、CC2530、CC2630芯片，各芯片參數如表1所示。由表1可知，隨著芯片的迭代，其能耗顯著降低，其中，小型紐扣電池或俘能發電技術可為迭代的最新芯片CC2630供電，且該芯片功能為俘能發電技術為其供電提供了便利條件。

表1 各芯片參數

3 俘能發電為無線傳感器節點供電探索

3.1 俘能發電仿真分析

無線傳感器節點周圍可回收能量有振動機械能、風能、太陽能、接觸網電磁能等，其中振動能能量密度高且易回收[16]，因此，振動能的回收利用成為研究熱點[17]。振動俘能發電的方式多種多樣[18]，如電磁式、壓電式、摩擦納米式等。其中，電磁式具有輸出電流大、發電裝置易實現等特點，更適合為無線傳感器節點的芯片供電。通過對速度200 km/h的8輛編組綜合測試車進行車-軌作用的振動能量譜測試分析，得到軌道與車輛的共振峰值頻率集中在70 Hz，應用SolidWorks、Maxwell等軟件并結合理論計算進行建模，設計電磁俘能柱，模型尺寸為直徑32 mm，高61 mm，俘能發電柱剖視圖如圖1所示，主要由線圈組件、外殼、頂蓋、壓簧、銣錋永磁鐵等組成。對該裝置進行電能仿真測試，如圖2所示，在70 Hz時，振動機械能轉換為電能約為25～35 mW。

圖1 俘能發電柱剖視圖

圖2 機械振動能電能轉換仿真圖

3.2 俘能發電與供電分析

從表1可知CC2630芯片工作直流電壓為1.8～3.8 V，工作電流最大值為9.1 mA（+5 dBm時），選取該芯片工作最大電壓和電流值，計算得到其工作功耗最大值為34.58 mW。由上文俘能發電仿真分析可知該綜合測試車振動機械能轉換為電能約為25～35 mW，滿足CC2630芯片功耗需求。

4 結語及展望

通過上述芯片參數和俘能發電仿真分析，初步證明軌道交通振動俘能發電為無線傳感器節點芯片供電的可行性。利用軌道振動能量的俘能發電技術不僅可以解決無線傳感器節點芯片的供電問題，而且順應科學技術發展需要，更符合綠色、智能軌道交通發展要求。隨著科技的進步，芯片的功耗將會繼續降低，俘能發電效率將會進一步提高，振動俘能發電技術或將成為無線傳感技術領域供電最優選擇。