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，“公交優先”上升為國家策略，“綠色出行”已成為行業共識[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在減少交通領域碳排放、促進交通領域向綠色發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發展需要不斷推進。近來我國對交通領域的綠色發展十分重視，如2021年中共中央國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》中特別指出“加快推進綠色低碳發展，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，注重生態環境保護修復，促進交通與自然和諧發展”[3]。

由此可見，從國家戰略層面出發，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，開發并廣泛運用新能源、新材料以及高效、節能的交通裝備，使交通出行更加環保、低碳。

城市軌道交通作為綠色環保的交通工具，在實現交通行業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；三是節能環保技術，如采用氫能源、環保型制冷劑等；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

隨著我國城市軌道交通技術的發展，節能技術大量應用于城軌車輛牽引系統中。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，并搭配高頻輔助逆變器的輔助系統，從而最終達到節能目的。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）惰行狀態下節能近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，更為節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，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展，從而達到節能目的。表3是部分廠家高頻輔助逆變器與常規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，可省去中間整流環節，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

對于傳統空調，采用輔助逆變器AC380V供電的技術方案，系統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化。對于采用DC1500V的城軌車輛，1列6節編組的列車，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能。如車體材料采用鋁合金或碳纖維材料，以國內地鐵6節編組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的鑄鐵盤可減輕54 kg，單輛車可減重432 kg。以1 列6節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階段，尚未進行實際裝車應用。

4 節能環保技術

4.1 氫燃料動力電池

氫能源被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，從20世紀70年代以來，世界上許多國家和地區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勢越發明顯。氫燃料動力被視為未來的發展方向[9]。

氫燃料電池技術是通過氫與氧的直接電化學反應發電，是電解水的逆過程，能量密度高、噪聲低、無污染，發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，不僅可替代傳統內燃動力系統，而且可使車輛擺脫線路牽引供電系統，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、散熱冷卻系統和車載儲氫系統構成，圖5是某有軌電車氫燃料電池系統結構組成。

圖5 有軌電車氫燃料電池系統結構組成

以某有軌電車為例，氫燃料動力系統參數表配置如表6。

表6 某有軌電車氫燃料動力系統參數配置表

4.2 二氧化碳制冷劑

傳統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保要求[10]。城軌車輛空調采用CO2制冷劑，具有環境友好，安全無毒、制冷性能好等一系列優勢，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節編組列車在線路上解編為2列3節編組列車，再分別投入運營。而在客流高峰期，解編的2列3節編組列車也可以在正線上連掛為1列6節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約能耗。根據國內某條高鐵長期運行情況統計，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節編組重聯運行的高鐵列車與2列3節編組重聯運行的地鐵列車在系統架構上一致，但由于車輛形式、動拖比、最高運行速度等不一致，2列車3節編組重聯運行的地鐵列車相比6節編組固定運行列車的具體節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、車站機電設備節能優化運行；通過列車運行策略的優化，可最大限度實現再生制動能量的吸收，從而達到節能目的。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整體能耗15%左右。列車運行策略主要有3種，即節時運行策略、定時節能運行策略以及節能運行策略。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，可采取定時節能優化策略；節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，相比未作優化時的總牽引能耗，采取優化運行策略列車的節能效率達到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能優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、采用節能環保的動力電源和環保型媒介，以及新技術的應用等，車輛的研發、改進將主要圍繞節能高效、綠色環保、新型能源等方面實施，至于車輛具體采用哪項節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“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展，為我國“雙碳”目標的實現貢獻力量。