城市軌道交通作為綠色環(huán)保的交通工具京多，在實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)碳中和過(guò)程中被委以重任效迹，城軌車(chē)輛雖然是采用電氣驅(qū)動(dòng)，但在節(jié)能降耗方面仍有諸多方面可進(jìn)一步探究苫担。城軌車(chē)輛降低碳排放具體路徑主要從四大方面實(shí)施脓甘，一是提高能源利用轉(zhuǎn)換效率，如選擇效率高的系統(tǒng)及部件旬城；二是降低車(chē)輛重量钙径，如車(chē)輛輕量化技術(shù)的應(yīng)用篙介；三是節(jié)能環(huán)保技術(shù)卒赖，如采用氫能源、環(huán)保型制冷劑等村肯；四是新技術(shù)的應(yīng)用睡清。下面介紹降低城軌車(chē)輛碳排放的具體實(shí)施路徑。

01提高能源利用轉(zhuǎn)換效率  

1.1碳化硅功率器件+永磁電機(jī)+高頻輔助逆變器的牽引喊解、輔助系統(tǒng)

隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展刨仑，節(jié)能技術(shù)大量應(yīng)用于城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)中。近年來(lái)夹姥，隨著材料制造和生產(chǎn)工藝的快速進(jìn)步杉武，大電流、高電壓的碳化硅（SiC）功率器件逐步得到應(yīng)用辙售，達(dá)到更高頻轻抱、高效、低能耗旦部、輕量化祈搜、高可用性和低噪聲的效果。城軌車(chē)輛形成以SiC功率器件和永磁牽引電機(jī)為特征的主牽引系統(tǒng)士八，并搭配高頻輔助逆變器的輔助系統(tǒng)容燕，從而最終達(dá)到節(jié)能目的梁呈。在國(guó)內(nèi)某地鐵項(xiàng)目中，通過(guò)車(chē)輛某種場(chǎng)景下的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析蘸秘，采用SiC功率器件和永磁電機(jī)的組合方式官卡，其效率達(dá)到最佳，在列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）惰行狀態(tài)下節(jié)能近20%僚洋。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(duì)比募型。

對(duì)于采用永磁電機(jī)牽引的車(chē)輛，其節(jié)能主要體現(xiàn)在效率上杠尘，由于城市軌道交通車(chē)站間距小哀揽，停站多，車(chē)輛頻繁啟停酗裕，永磁電機(jī)相對(duì)異步電機(jī)全路段效率較高睬肮，永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，與異步電機(jī)電流勵(lì)磁相比消除了電流勵(lì)磁的熱損耗弥禀，提高了電機(jī)效率匣诉，目前傳統(tǒng)異步電機(jī)的效率在92%左右，而永磁電機(jī)的效率在96%左右骏芍。根據(jù)國(guó)內(nèi)某地鐵線路的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曾瞪，永磁電機(jī)相對(duì)于異步電機(jī)車(chē)輛的節(jié)能效果如表2所示。

對(duì)于永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既憔，更為節(jié)能和輕量化的方案是永磁直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)掰儿，該方案省去齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)，其重量抚官、體積都大幅縮小扬跋，體積減少近30%（其中電機(jī)約占10%，齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)約占20%）凌节，1臺(tái)轉(zhuǎn)向架重量也將減輕約700kg钦听。由于尺寸縮小，其轉(zhuǎn)向架軸距也可縮短倍奢，以西門(mén)子研發(fā)的地鐵車(chē)輛永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架為例朴上，其軸距由2500mm縮短到了1600mm，圖1和圖2分別是西門(mén)子的永磁直驅(qū)電機(jī)和其裝配的轉(zhuǎn)向架圖卒煞。另外痪宰，由于無(wú)齒輪箱，相比帶有齒輪箱驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)跷坝，其噪聲也將降低了近10dB酵镜，且減少了部件的維護(hù)和檢修成本，其全壽命周期成本更低柴钻。

城軌車(chē)輛采用小型化淮韭、輕量化和高性能的高頻開(kāi)關(guān)輔助逆變器勢(shì)在必行垢粮。高頻輔助逆變器相比工頻輔助逆變器，其開(kāi)關(guān)頻率大幅提升恐氓，可達(dá)到10～20kHz抬奠。高頻隔離方式采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)提高開(kāi)關(guān)頻率，使輔助逆變器得以向小型化叛剩、輕量化和高性能化方向發(fā)展蚓绞，從而達(dá)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(duì)比表派料。

1.2高壓直流變頻空調(diào)

城軌車(chē)輛由于載客量大雌吱，空調(diào)負(fù)荷大，空調(diào)能耗是車(chē)輛能耗的主要組成部分腊匆，目前城軌車(chē)輛上的變頻空調(diào)機(jī)組多采用交-直-交變頻器盼蝴，先將工頻AC380V整流成直流電壓，再經(jīng)逆變單元轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電輸出隙趣，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜卖织、能量轉(zhuǎn)換效率較低問(wèn)題，而如果采用高壓直流變頻空調(diào)旱万，可省去中間整流環(huán)節(jié)萤晴，還可以降低AC380V逆變電源的設(shè)計(jì)容量，減小設(shè)備的質(zhì)量和體積胁后，實(shí)現(xiàn)輔助電源系統(tǒng)的小型化及輕量化店读。高壓直流變頻空調(diào)主要原理拓?fù)淙鐖D3、圖4所示择同。

對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)两入，采用輔助逆變器AC380V供電的技術(shù)方案，系統(tǒng)的總體能量轉(zhuǎn)換效率約為87%敲才，而采用高壓直流變頻空調(diào)，其效率約為94%择葡，總體能量轉(zhuǎn)換效率提升7%紧武。車(chē)輛重量和設(shè)備布置也得到了減輕和優(yōu)化。對(duì)于采用DC1500V的城軌車(chē)輛敏储，1列6節(jié)編組的列車(chē)阻星，其重量可以減少1t左右。對(duì)于采用DC750V的車(chē)輛已添，無(wú)需通過(guò)輔助逆變器或逆變電源對(duì)空調(diào)進(jìn)行供電妥箕，則重量減輕更多，每列車(chē)減重1.5t左右鹰觅。

02  車(chē)輛輕量化技術(shù)

2.1輕量化的車(chē)體涮婿、轉(zhuǎn)向架棍丽、內(nèi)裝材料

在滿足使用車(chē)輛各項(xiàng)要求的前提下降低列車(chē)重量，可有效降低運(yùn)營(yíng)能耗和全壽命周期成本掠佛。對(duì)于車(chē)輛輕量化慈翔，目前常用方法為采用新材料、新工藝等實(shí)現(xiàn)整車(chē)的節(jié)能蔽碘。如車(chē)體材料采用鋁合金或碳纖維材料因镊，以國(guó)內(nèi)地鐵6節(jié)編組B型車(chē)為例，采用不同材料的減重效果如表4所示武慨。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用碳纖維材料晋劫，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(zhì)單個(gè)箱體可減重70kg行掰，1列6節(jié)編組（4動(dòng)2拖）的地鐵列車(chē)可以減重1120kg钙幼；碳纖維、鎂鋁合金血庐，聚碳酸酯仿村、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）夾芯材料、芳綸蜂窩等材料也可以應(yīng)用于城軌車(chē)輛內(nèi)裝部件中兴喂，其主要應(yīng)用和減重效果如表5所示蔼囊。

2.2電機(jī)械制動(dòng)+鋁合金制動(dòng)盤(pán)

對(duì)于城軌車(chē)輛，應(yīng)用成熟的制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力一般由空氣或液壓施加衣迷，列車(chē)上需要配置主風(fēng)缸和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備畏鼓。目前正在研制一種新的制動(dòng)力施加方式，即通過(guò)電施加壶谒，采用電子機(jī)械制動(dòng)方式云矫，該種方式從制動(dòng)系統(tǒng)單方面考慮，可以減少列車(chē)上制動(dòng)管路的布置汗菜，取消主風(fēng)缸和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備让禀。但如果列車(chē)上有其他用風(fēng)設(shè)備如空氣彈簧等，空氣壓縮機(jī)則不能取消陨界。從整車(chē)角度考慮巡揍，由于列車(chē)制動(dòng)管路減少，整車(chē)重量可略微降低菌瘪。

另外奸桃，部件材料的選型方面，可以采用更輕的材料莱芥，如制動(dòng)盤(pán)采用鋁合金制動(dòng)盤(pán)葬陡，目前鋁合金制動(dòng)盤(pán)在城軌車(chē)輛上已經(jīng)得到大量應(yīng)用。單個(gè)鋁合金制動(dòng)盤(pán)相對(duì)常規(guī)的鑄鐵盤(pán)可減輕54kg，單輛車(chē)可減重432kg阁巨。以1列6節(jié)編組的地鐵列車(chē)為例抬宽，整列車(chē)可以減重2592kg，其輕量化和節(jié)能效果顯著督注。鋁合金制動(dòng)盤(pán)在采用輪盤(pán)制動(dòng)的地鐵車(chē)輛上應(yīng)用廣泛筛密，如上海地鐵16號(hào)線、深圳地鐵11號(hào)線等項(xiàng)目芬吸。電機(jī)械制動(dòng)目前還處于研發(fā)階段鸭乱，尚未進(jìn)行實(shí)際裝車(chē)應(yīng)用。

03  節(jié)能環(huán)保技術(shù)

3.1氫燃料動(dòng)力電池

氫能源被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉茨瘫欤瑥?0世紀(jì)70年代以來(lái)橱奶，世界上許多國(guó)家和地區(qū)就廣泛開(kāi)展了氫能源研究。氫作為新興能源嶄露頭角慈俯，在綠色清潔渤刃、提高能源利用效率等方面的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。氫燃料動(dòng)力被視為未來(lái)的發(fā)展方向贴膘。

氫燃料電池技術(shù)是通過(guò)氫與氧的直接電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電卖子，是電解水的逆過(guò)程，能量密度高刑峡、噪聲低洋闽、無(wú)污染，發(fā)電反應(yīng)最高溫度不超過(guò)100℃突梦，不產(chǎn)生氮氧化合物诫舅，唯一的排放物質(zhì)只有水，是真正的“零排放”宫患。

氫燃料電池技術(shù)則是氫能源技術(shù)的重點(diǎn)研究方向刊懈。在軌道交通領(lǐng)域，氫氣主要結(jié)合燃料電池一起構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)娃闲，不僅可替代傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)虚汛，而且可使車(chē)輛擺脫線路牽引供電系統(tǒng)，降低對(duì)線路的投資珠校，同時(shí)具有噪聲小幸园、污染低、以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)络蟋。

針對(duì)采用無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)的車(chē)輛，氫燃料具有較好的適應(yīng)性死发，如有軌電車(chē)络跷。應(yīng)用于城軌車(chē)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(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)構(gòu)成，圖5是某有軌電車(chē)氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成俺阻。

以某有軌電車(chē)為例池致，氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)表配置如表6所示。

3.2二氧化碳制冷劑

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷劑氟利昂是一種人工合成的制冷劑督靶，不但會(huì)破壞臭氧層剥犯，而且會(huì)造成地球暖化。通過(guò)換算铃挠，使用1t的氟利昂相當(dāng)于3900t左右的二氧化碳排放邓星。目前城軌車(chē)輛使用的R410、R407等類(lèi)型空調(diào)制冷劑同樣存在溫室效應(yīng)問(wèn)題应结，不能夠滿足長(zhǎng)期的環(huán)保要求刨疼。城軌車(chē)輛空調(diào)采用CO2制冷劑，具有環(huán)境友好鹅龄，安全無(wú)毒揩慕、制冷性能好等一系列優(yōu)勢(shì)，但目前使用成本較高扮休。與現(xiàn)有R407C制冷劑空調(diào)相比迎卤，名義工況下能效比（COP）約低15%，隨著環(huán)境溫度的下降玷坠，能效比的差距縮小蜗搔。表7是在城軌車(chē)輛上使用R407C、R410A制冷劑與CO2制冷劑的對(duì)比表侨糟。

通過(guò)表7可以看出碍扔，目前，相對(duì)R407C秕重、R410A制冷劑不同，CO2制冷劑的額定制冷量和能效比都相對(duì)較低，未來(lái)還需要通過(guò)技術(shù)突破专运，提高其制冷量和能效比酵吴，使其在城軌車(chē)輛領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。

04  新技術(shù)的應(yīng)用

4.1列車(chē)在線解編連掛技術(shù)

在線解編聯(lián)掛是針對(duì)客流具有明顯潮汐特征的地鐵線路的一種優(yōu)化解決方案壮畏。它是指在客流高峰時(shí)段律腊，組織列車(chē)聯(lián)掛上線，增加客流運(yùn)輸能力铭歪；在客流低谷時(shí)段辑蛔，又可解編列車(chē)，這樣既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排搀薛，又能根據(jù)客流需要靈活組織運(yùn)能昔主。以上海地鐵16號(hào)線“3+3”在線解掛編的行車(chē)為例，在客流較少的情況下，可以將1列6節(jié)編組列車(chē)在線路上解編為2列3節(jié)編組列車(chē)字钓，再分別投入運(yùn)營(yíng)携帘。而在客流高峰期，解編的2列3節(jié)編組列車(chē)也可以在正線上連掛為1列6節(jié)編組地鐵列車(chē)投入運(yùn)營(yíng)姊象，提升運(yùn)能旨椒。這種方案能在滿足線路載客量和服務(wù)質(zhì)量等方面最大程度地節(jié)約能耗。根據(jù)國(guó)內(nèi)某條高鐵長(zhǎng)期運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)堵漱，不同客流條件下2種編組方案比較综慎，靈活編組列車(chē)能耗相比固定編組能耗降低34.84%。采用2列8節(jié)編組重聯(lián)運(yùn)行的高鐵列車(chē)與2列3節(jié)編組重聯(lián)運(yùn)行的地鐵列車(chē)在系統(tǒng)架構(gòu)上一致怔锌，但由于車(chē)輛形式寥粹、動(dòng)拖比、最高運(yùn)行速度等不一致埃元，2列車(chē)3節(jié)編組重聯(lián)運(yùn)行的地鐵列車(chē)相比6節(jié)編組固定運(yùn)行列車(chē)的具體節(jié)能數(shù)值還需要通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析才能得到涝涤。

4.2全自動(dòng)駕駛技術(shù)

以地鐵列車(chē)為例，全自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)施多列車(chē)的自動(dòng)岛杀、實(shí)時(shí)阔拳、協(xié)調(diào)控制，如合理安排列車(chē)交會(huì)类嗤，避免列車(chē)交會(huì)中的啟停糊肠，防止列車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，避免負(fù)載集中等遗锣，實(shí)現(xiàn)列車(chē)捌养、車(chē)站機(jī)電設(shè)備節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行；通過(guò)列車(chē)運(yùn)行策略的優(yōu)化宝猩，可最大限度實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的吸收螃妨，從而達(dá)到節(jié)能目的。從法國(guó)地鐵公司多年運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)分析孙远，全自動(dòng)駕駛列車(chē)可降低系統(tǒng)整體能耗15%左右耐叽。列車(chē)運(yùn)行策略主要有3種，即節(jié)時(shí)運(yùn)行策略友熟、定時(shí)節(jié)能運(yùn)行策略以及節(jié)能運(yùn)行策略录抖。如列車(chē)在高峰期運(yùn)行，此時(shí)運(yùn)輸需求量較大栓占，最需要的是在較短的時(shí)間內(nèi)將乘客進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)两候，宜采用節(jié)時(shí)運(yùn)行策略；列車(chē)在非高峰運(yùn)行橡彬，對(duì)于運(yùn)輸?shù)男枨罅坎桓哒蒙危藭r(shí)可以犧牲一部分時(shí)間领姨，減少列車(chē)的能耗达吞，可采取定時(shí)節(jié)能優(yōu)化策略张弛；節(jié)能運(yùn)行策略一般是最大限度地減少制動(dòng)操作，通過(guò)多次惰行+牽引交替的方式到達(dá)終點(diǎn)酪劫，這種方法會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間吞鸭，難以滿足運(yùn)行時(shí)刻表的要求，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中較少采用覆糟。這3種策略可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要進(jìn)行選擇刻剥。全自動(dòng)駕駛技術(shù)可根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的運(yùn)行策略，從而達(dá)到節(jié)能的目的滩字。

通過(guò)國(guó)內(nèi)某條地鐵線路運(yùn)行比較造虏，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析比對(duì)，相比未作優(yōu)化時(shí)的總牽引能耗麦箍，采取優(yōu)化運(yùn)行策略列車(chē)的節(jié)能效率達(dá)到11.74%漓藕。

05  結(jié) 語(yǔ)

在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)之下挟裂，城市軌道交通如何實(shí)現(xiàn)降低碳排放及進(jìn)一步節(jié)能優(yōu)化是需要不斷探索的重要課題享钞，當(dāng)前城軌車(chē)輛正在面臨一場(chǎng)低碳技術(shù)的革命，其主要路徑聚焦在提高能源利用轉(zhuǎn)換效率诀蓉、車(chē)輛輕量化泄楷、采用節(jié)能環(huán)保的動(dòng)力電源和環(huán)保型媒介，以及新技術(shù)的應(yīng)用等劝讯，車(chē)輛的研發(fā)眠荒、改進(jìn)將主要圍繞節(jié)能高效、綠色環(huán)保持乌、新型能源等方面實(shí)施薄称，至于車(chē)輛具體采用哪項(xiàng)節(jié)能降碳措施或技術(shù)方案，還需要結(jié)合成本蒜座、應(yīng)用情況美域、全壽命周期、車(chē)輛適應(yīng)性等方面綜合考慮與選擇叽渡，從而更加科學(xué)合理地推動(dòng)城市軌道交通行業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)茧纵，真正意義上實(shí)現(xiàn)城市軌道交通綠色低碳發(fā)展，為我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量酣殊。

參考文獻(xiàn)

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（現(xiàn)代城市軌道交通）

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