——青岛四方车辆研究所有限公司副总工程师兼技术中心主任崔凤钊

 

青岛四方车辆研究所有限公司副总工程师兼技术中心主任崔凤钊

 

　　大家好，我讲一下新技术关于在轨道交通中的应用，首先我大致介绍一下四方车辆研究所，它是原铁道部的4个研究所之一，主要以轨道交通装备为核心，主要是做轨道车辆车载关键系统的集成供应商。目前来看，在中国四方车辆研究所牵引制动网络几大关键四方所都完全实现了自主化，在当前绿色交通、绿色生活和便捷物流以及智能化服务方面提供解决方案，为未来城市提供解决方案，促进整个城市经济建设的发展。我们很多新技术都获得了很大发展，但是对于车载还是以可靠为最基本的需求，但是我们并不能阻止这些新技术在轨道交通车辆上的应用。

 

　　我演讲主要分三个部分，一个是新技术的应用背景及发展现状，第二讲储能技术在现代轨道交通中的应用，一个是地面的应用，一个是车载系统的应用，第三讲一下以太网和无线技术在现代轨道交通中的应用。

 

 

　　新技术应用的背景和现状，城市轨道交通和其他的轨道交通相比是节能的绿色交通，但是随着轨道交通规模的不断扩大，其本身能耗的巨大成为进一步发展的瓶颈。2008年北京的轨道交通用电量6。5亿度，占全民生活能耗1%，与各行业一比是耗能大户，所以它的节能意义非常大。

 

　　近年来，中国城市轨道交通运营里程不断增加，运营压力越来越大，如何提高地铁的运营效率，不但是组织管理的问题，新技术手段的应用也十分重要。我们回顾一下储能技术的发展，大容量储能技术主要有机械储能，同时还有电化学储能和电磁储能等，在轨道交通上应用的主要有飞轮储能、蓄电池储能、超级电容储能和动力电池储能。

 

 

　　从储能技术的发展现状上来看，锂离子电池和超级电容是应用到轨道交通领域最具有前景的储能技术。我们也把这几种储能方式进行了对比，主要从能量密度、功率密度和效率寿命来进行对比，铅酸电池储能比较低，飞轮的能量密度是比较大的，但是它的功率比较小，而且它的效率很低，投资非常大；超级电容能量密度不及高速飞轮，但是它的功率是非常巨大的，可以达到铅酸电池的几百倍，使用寿命久、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度，这是超级电容器的四大显着特点。1997年之后超级电容突破了很多的技术瓶颈，目前超级电容的价格相对来讲大大降低了。储能技术在四个方面上的进步，一个是能量密度的提高，功率密度的提高、成本的降低和寿命的提高，使得储能技术在轨道交通里的应用越来越多。

 

　　我们再看一下信息技术的发展对轨道交通的影响，以太网在地面应用是比较广泛的，但是在车载系统由于它对可靠性的要求非常高，所以轨道交通车载的网络系统主要以TCN的技术为主，目前随着基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联；其次低成本，易于组网，另外以太网也具有相当高的数据传输功能。

 

 

　　随着工业以太网在网络通信实时性、稳定性、通信带宽上的不断改进，其在工业上的应用也越来越多。目前在轨道交通PIS、信号、网络等系统上都有应用，并有多网融合应用的趋势。工业以太网在轨道交通系统中的应用可提高轨道交通各个系统之间信息交互的速度和容量，建立实时大数据库，为运营维护提供强大的支持，提高运营效率。

 

 

　　同时我们可以看到无线通信技术发展也比较快，现在移动4G还有联通的4G已经逐渐的运用到商业化。随着3G、4G无线通讯技术的不断发展，无线技术也开始应用到车载系统中，用户可以通过无线技术实时了解车辆的状态，第一时间解决车辆的故障，车载无线通信技术因为我们做的都是车辆控制系统，我们要把这些信息拿到地面来解决可靠性和稳定性的问题。

 

 

　　下面我讲一下储能技术在现在轨道交通中的应用，主要是两方面，一个是储能技术在地面储能中的应用；第二个就是储能技术在车载储能中的应用。在地面应用我们有两个方面，一个是再生能量的存储，第二个就是用在地面的供电电源中。车载储能的应用主要两方面，一个是车载再生能量的吸收，第二个就是车载驱动电源，实际上这也是储能技术在车载系统中研究的一个热点，就是实现了全线无接触网或者局部无接触网的应用。

 

 

　　首先我讲一下地面再生能量的存储，地铁在运行过程中站间距离较短，列车启动、制动频繁，制动能量是相当可观的，地铁再生制动产生的能量一般为牵引能量的20%到40%，动能大概占整个能量的40%，都是制动能量产生的。制动能量一部分由同线路列车之间相互吸收，另一部分传统的做法是通过电阻装置释放，这个电阻一个是放在车载电阻，一个是地面的电阻，地面释放掉纯粹就是把它浪费掉转变成热，很热，尤其在夏天增加了空调的负载，这也是一个运营过程中非常棘手的问题。

 

 

　　我们现在地面再生能量存储就是把超级电容放到列车供电系统中，整个系统由供电线路、充放电的斩波器、过压抑制回路、谐波消除回路、超级电容同时我们还要加一个保护电阻，利用超级电容组成的储能系统吸收轨道交通车辆再生制动产生能量的回馈，可以大量减少整个能量的浪费，就是说原来有电阻车载或者地面电阻浪费的能量都能储存起来，同时我们可以良好的改善整个供电线路的电源质量。

 

　        　

      这个就是我们在做的地面储能系统中的一个波形图，前面就是安装超级电容前的测试的波形，我们看到红色的部分就是制动产生的能量，在这里被全部浪费掉了，而在后面超级电容提供的能量就可以把它存储起来，在制动过程中这个绿色的部分就是超级电容提供能量。

 

　　实际地面再生储能在国外应用是非常普遍的，在国内也有，北京地铁5号线采用了4套德国西门子的超级电容装置，但是由于种种因素，一个是超级电容本身的功率比较小，如果车辆在制动过程中制动的瞬间产生的电流比较大，使超级电容瞬间出现了保护，而且德国服务没有国内这么好，不是很及时，导致了这个应用起来效果没有真正的用起来，2012年四方所与北京地铁运营公司进行合作，开始对整个系统进行了改造，目前我们在车站段的实验已经完成了。

 

　　地面供电电源，轨道交通的供电电源一般采用专用线路进行降压整流的方式提供DC1500V/750V的电源，对于既有城区主变电站容量饱和的情况下，主变电站升级改造的费用巨大，夜间是城市用电的低峰期，由于轨道交通的特点，无法实现错峰用电。近年来动力电池能量密度大幅提高，超级电容产业的发展在供电系统中充分利用动力电池和超级电容的组合方式，可以有效提高用电效率，为有限的错峰用电和减少大规模的投资提供了可能。在供电电源中除了传统的电压设计之外增加了动力电池加超级电容的设备，夜间将能量存储在动力电池和超级电容中，因为动力电池的容量密度是比较大的，夜间虽然车停止运行了，但是还要把电储存在动力电池中，白天把动力电池首先放到超级电容中，可以完成车辆牵引瞬间电力的需求。

 

　　在科隆的布置，实际上这种储能方式的应用在国外还是很多的，这是布置在科隆的西门子SITRAS  SES电源主要用于节能，他们做了一个比较，就是在2000年8月和2001年8月，2年同样的月份也就是它整个的外部条件是一样的，一个月节约了15000度电。

 

 

　　后面我讲一下锂离子电池和超级电容在车载上的应用，车载上的应用也分为两个应用，一个是车载驱动电源，也就是为局部无网或全线无网的轨道交通提供了可能。车载驱动电源由供电线路、牵引逆变器、制动斩波器、制动电阻、充放电斩波器、超级电容、锂离子电池组成，现在利用这种技术的有轨电车在国内已经完成了实验研究。

 

　　同时车载驱动电源有两种方式，一个是超级电容，再一个是动力电池，这也是比较纠结的，到底选超级电容还是动力电池，无论是牵引系统制造商还是车辆制造商一直在研究这个问题。我们也是进行了大量的研究，我在这里把超级电容和动力电池用在车上进行了对比，一个是投资，超级电容因为相对于锂离子电池是比较贵的，所以它一次性投资比较大，动力电池比较成熟，它的成本都相对于超级电容都比较低，但是从全寿命周期成本来看，超级电容的寿命是很高的，几万次，但是动力电池一般来说充上电的次数只有几千次，最多的做到一万次也很不容易了。所以全寿命周期成本来看，超级电容在车载上面是有优势的，同时续航里程跟它的能量密度有关，动力电池可以达到4公里，一般能达到两到三个站，但是因为超级电容能量比比较小，它的续航里程一般在一公里，同时在加速能力以及在减速过程中快速吸收能量以及充放电的时间，车站充电等各个方面做了比较，应该说各有优势。

 

　　再一个我们从节能、可靠性还有使用寿命这几个方面也对超级电容和动力电池进行了比较，目前车载驱动电源用的也比较多，在国内湖南线珠海线都已经实现了这种应用，在国外西门子将原有的Sitras  MES与镍氢电池并联。

 

 

　　储能技术的另一个应用就是车载再生能量吸收，取代原来车上的电阻换成超级电容，电阻发热增加了整个发动系统的负担，并且造成了浪费，我们把它改成超级电容一个是使电阻没有散热了，而且使这个能量可以再次用在整个车的驱动过程中。

 

　　
             

      这是车载能量再生的一个原理，它就是把整个吸收装置取代了原来的制动电阻。

 

　　这也是在国外用的比较多，包括庞巴迪、西门子用的都非常成熟。

 

 

 

　　第三讲一下工业以太网和无线技术在车载系统上的应用，工业以太网在轨道交通的应用可以增加列车维护网络提高整个维护的效率，同时无线技术也可以在轨道交通车辆上应用，可以把车辆的故障和重要的状态进行实时的传输，来实时跟踪车辆的状态，把车辆的故障和数据进行无线的下载来减少故障排查的时间。

 

　　传统的轨道车辆都有维护系统，需要在设备本地连接并进行维护和调试，由于各系统产品有车上设备、车下设备等，牵引系统、辅助系统、制动系统、信号系统、网络系统、空调系统、车门系统、广播系统、烟火系统等十余种系统，而设备则多达百余种，这给车辆的检修和维护带来了不便，也增加了故障车辆的检查和维修时间，降低了车辆的使用效率，通过采用工业以太网可以提高车辆的运行和维护效率。

 

　　整个列车维护网络主要以车载的以太网交换机组成，通过以太网交换机连接各个系统产品组成了整个的维护网络。目前在深圳地铁2、5号线项目中增加了列车的维护网络，它就是在原车整个监控网络的基础上增加了列车的维护网络，可以实现对整个牵引、辅助、网络、CCTV等系统的远程无线维护。

 

 

　　同时我们通过无线的方式把地面的数据集中在一个服务器上，然后提供本地的下载，从而为列车运行提供远程的专家技术支持和远程诊断，这是成都地铁3号线的一个画面，就是通过把车辆所有的关键系统的信息收集起来，然后通过无线的方式把它发送到地面，同时我们在地面建立了一个专家数据系统，把这个数据收集起来通过地面的专家库来实时的解析车辆的状态，如果车辆出现了故障，我们在地面就可以把这个信息解析出来之后给司机提供支持，同时这个数据是远程下载的。这就是整个无线系统下载的原理，可以通过无线传输方式将列车故障、状态、运行信息数据传输到地面服务器，检修或运营维护人员可以远程登录服务器查看列车的状态、故障并分析原因，从而提高故障分析的效率和车辆使用率。

 

　　无线实时信息传输可采用几种方式，一个是公共的网络，也就是现在用的手机GPRS或者3G的网络，同时可以在车辆段和隧道内布置无线的WLAN同时可以借用无线通道，这就是整个我们在地面传输系统中实时监控的一个画面。

 

　　通过实时监控的数据我们对所有的数据进行分析来及时的查找故障。目前在成都3、4号线我们采用无线传输系统传输列车实时状态及故障信息，我们是在整个折返线布置了WLAN技术进行列车运行信息的传输。

 

　　为未来城市提供系统的解决方案，离不开轨道交通技术的发展，未来轨道交通是推动城市发展的重要力量，四方车辆研究所将用更节能、更环保、更便捷、更经济、更绿色的轨道交通技术为未来城市提供解决方案，谢谢大家！