低地板有轨电车无接触网供电技术的研究

朱 亮 张继彤 张济民

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

低地板有轨电车无接触网供电技术的研究

朱 亮 张继彤 张济民

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

总结了现代低地板有轨电车无接触网供电技术的研究概况，对现有的电磁感应供电、储能式供电和接触式地面供电三种主要无接触网供电方式的原理、相关技术、研究状况、应用现状作了分析和描述，并比较了各种供电方式的优缺点及难点，为国内进行无接触网供电的应用与研究提供参考。

低地板有轨电车；无接触网；供电技术

First-author'saddressRailway&Urban Mass Transit Research Institute，Tongji University，201804，Shanghai，China

自1986年，法国南特市2号轻轨车辆第一次采用30%～40%低地板车辆［1］，到1990年德国不来梅投入运行第一辆100%低地板有轨电车［2］，有轨电车因其节能环保、舒适人性化、环境适应力强、建设灵活度高等特点［3］，进入了快速发展阶段。传统的接触网供电也因其技术成熟性得到了广泛应用。但是，随着有轨电车应用场合的不断扩大，也暴露了接触网供电方式的不足。例如，市中心区尤其是名胜古迹地区上空的接触网线就很不美观。为了解决此矛盾，各国相继开展了无接触网供电技术，主要包括电磁感应供电、超级电容供电、接触式地面供电等新型的供电方式。

1 电磁感应供电技术

电磁感应供电是以电磁场近场耦合的方式实现电能近距离的无线传输，是一种比较成熟的无线供电方式，其原理如图1所示。

1.1 电磁感应供电技术的研究

电磁感应供电技术在交通工具上的应用最早出现在电动汽车上。早在20世纪90年代，新西兰、美国等大学的团队就开始了对电动车无线供电技术的研究，并取得了重大研究成果。文献［4］研究了电动车无线供电技术的基本原理及设计思路、电能拾取机构设计。文献［5］通过在路面布置发射线圈和在汽车底盘放置多个位置传感线圈，准确检测了车辆

的位置并控制原边发射线圈的适应切换，保证了系统的传输效率。文献［6］通过安装在路面下导轨周围的横向和垂向金属屏蔽板，并使用金属刷连接汽车底盘和路面垂向屏蔽板等方式，明显降低了车内空间的电磁场强度。

1.2 电磁感应供电技术在有轨电车上的应用

2008年庞巴迪开发了Primove运行系统（如图2），将电磁感应技术应用在了有轨电车上。Primove系统由路面系统和车载系统两部分构成。其中路面系统包括沿线敷设的DC 750 V供电电缆、每隔一段距离设置一套的逆变装置、初级线圈、检测车辆位置的感应装置等。车载系统包括次级线圈、逆变整流装置以及用以储存电能的能源储存装置。当列车进入相应区段时，感应装置检测到车辆位置后，控制系统对该区段初级线圈通电。列车上的次级线圈通过电磁感应作用产生感应电流，再经过整流、逆变之后为列车驱动系统以及能源储存装置供电。

图2 庞巴迪Primove无接触运行系统

在该运行系统中，只有当列车进入相应区段时，地面的初级线圈才通电，而其他时刻均处于断电状态。这可以在最大程度上保证沿线人员和车辆的安全，并且减小电磁辐射。另外，由于线圈通电时间短，线圈损耗较小。

1.3 Primove运行系统的适应性

1.3.1 路面运行适应性

Primove运行系统需要在路面的走行轨之间安装嵌入式线圈，并覆盖40 mm厚度的绝缘材料（如沥青、无钢筋混凝土等）。因此，还需要研究在长期的路面载荷下，绝缘材料的可靠性。

Primove运行系统提供持续的电力，且其在低速状况下的加速性能可与弓网接触系统媲美。因此，在交通拥堵和需要反复加减速时并不会带来问题。

1.3.2 供电效率和磁污染

该供电方式的效率与初级线圈和次级线圈之间气隙的距离有着很大的关系。目前，当采用静态供电方式时，供电效率最高可达90%。而在车辆运行时，供电效率最高为74%。需进一步解决供电效率的问题。

由于初级线圈和次级线圈之间存在气隙，该供电方式会在车内以及周围环境产生一定强度的漏磁场。因此，对于如何减小电磁污染还需要作研究。

1.3.3 市场应用

2010年5月，Primove运行系统长800 m的空载运行试验线在德国奥格斯堡首次试验安装，但目前尚无商业运营的实例。由于需要在线路的轨道之间沿线安装供电设备，其投资和后期的维护成本比较高。

2 超级电容供电技术

超级电容供电和蓄电池供电都属于无接触网供电技术，是车载储能的方式。有轨电车频繁启动，电流变化大，蓄电池难以满足要求，不适合有轨电车作为独立电源使用，因此本文主要介绍超级电容供电技术。超级电容供电是指利用超级电容作为储能装置，使有轨电车在充电后利用存储的电能运行至下一停车站，并在电车停靠站时的较短时间内实现快速充电。为进一步减少电能损失，可同时采用再生制动。

超级电容是一种新型能源器件，与常规电容器不同，其容量可达数百F至数千F。而且其兼有常规电容器功率密度大、蓄电池能量密度高的优点，可以快速充放电。同时，由于其寿命长，已经发展成为一种新型、高效、实用的能量储存装置。

2.1 超级电容供电技术的研究

20世纪末期，超级电容开始运用在电动汽车上，出现了混合动力电动汽车的概念。随着该技术的不断发展，超级电容在电动汽车上的运用已经趋于成熟［7］。早在2002年，本田FCX燃料电池—超级电容混合动力车已经上市。文献［8］将超级电容与燃料电池特性相结合，解决了汽车在加速时出现的电压下降过大而导致的动力不足问题。文献［9］运用Matlab软件的Simulink工具，结合超级电容与蓄电池的特性，实现了将车辆制动能量通过超级电容回收并循环使用的仿真研究。我国对于超级电容汽车的研究也处于世界领先水平，2004年7月我国首部电容蓄能变频驱动式无轨电车在上海张江投入运营。

2.2 超级电容供电技术在有轨电车上的应用

超级电容最早运用在轨道车辆上是作为辅助能量供应装置。通过使用超级电容将地铁车辆制动时产生的能量回收并用于车辆的起步过程，减小了车辆在制动和启动时电网电压的波动。文献［10］运用Matlab软件的Simulink工具，建立了电容、车辆、电网和变电站的模型，分析了采用不同容量的电容对系统电压、电流和能量损耗的影响。文献［11］对地面型超级电容储能系统关键技术进行了研究，确定了储能装置主要元件参数的详细设计。庞巴迪公司［12］提出将超级电容作为唯一动力运用到有轨电车上。此时，需要在某些车站配备充电装置。

2009年，西班牙CAF公司为本国Zaragoza市提供了采用储能式供电系统的100%低地板有轨电车（如图3）。该车5节编组，列车总长32.3 m，载客量194人，最高行驶速度70 km/h。列车采用超级电容装置无接触网运行，通过列车停站时间进行充电，同时采用再生制动以降低能耗。

图3 CAF公司的超级电容车

2.3 超级电容供电运行系统的适应性

2.3.1 路面运行的适应性

采用超级电容方式运行的系统，其轨道安装与接触网供电系统的轨道安装相同。因此，该系统可以采用共享路权的方式运行，同时，因无需安装接触网，大大减少了系统的安装成本。

然而，由于采用该系统的车辆依靠自身电容供电，如果在繁忙路段采用共享路权的方式运营，有可能会因堵车而导致车辆无法到达充电站。为解决这一问题，电容应具有一定的余量，或者采用独享路权的方式运行。

2.3.2 电容的寿命

有轨电车在起动、制动和加速过程中都会使电容处于充电或者放电状态。因此，采用超级电容供电的方式对超级电容的寿命带来很大的考验。尽管有试验和理论证明超级电容的充放电次数可达到数十万次以上，但在实际运营中，各实际条件对电容寿命的影响还有待论证。

2.3.3 高温下的运行性能

超级电容在运行时有较大的发热量。经过近几年研究发展，这些问题得到了一定程度的解决。如加强了散热设计，解决了高温时的散热问题；提高了续航里程，一次充电可运行10 km；提高了运行速度，最高速度已由50 km/h增至80 km/h；减轻了电源自重，电容自重减轻约1 000 kg。这些技术的发展都为超级电容运用到轨道交通领域提供了技术支持。

3 接触式地面供电技术

接触式地面供电技术是通过沿地面两条走行轨中间埋设的供电轨供电。该供电轨由若干彼此绝缘的导电单轨构成，采用分段供电方式，电能从接触轨通过受电靴传送至列车。由于其通电轨段仅限于车体下方并被车体包围，安全性得到了保障。

早在20世纪末，我国就对分段供电技术进行了研究，并取得了一些专利。随着科技的进步，分段供电技术趋于成熟。

3.1 接触式地面供电技术在有轨电车上的应用

接触式地面供电技术因其实现分段供电方式的不同而主要分为两类：采用主动控制的法国阿尔斯通公司的APS系统和采用自然磁力的意大利安塞尔多公司的Tramwave系统。这两种供电方式均已投入商业运营。

3.1.1 APS系统

APS系统主要由接触轨、支架、直流配电单元、埋入式控制柜等组成（如图4所示）。车辆底部的受电靴与嵌入地面的供电轨接触后受流。供电轨由长度为8 m的导电单轨构成，两导电轨之间安装长度为3 m的绝缘单元。当有轨电车经过导电单轨上方时，埋在地下的电源控制箱接收到来自电车的编码信号，控制箱控制相应区段的开关闭合，导电轨通电，将DC 750 V电源通过受电靴提供至有轨电车，并由走行轨回流。此时其他的导轨则保持接地状态。只有当整段导轨都在车体下方时，该导轨才会带电，从而保证了安全。

2008年，法国波尔多市建设了1条部分采用APS系统的有轨电车线。考虑到建设成本，该线路中心地段由APS系统供电，偏远地段仍采用接触网供电。随后，又有更多城市采用了APS系统的有轨电车。

图4 APS供电系统原理

3.1.2 Tramwave系统

Tramwave系统采用磁力方式实现供电模块的导通和断开。受电靴内装有永磁铁用以吸住安装在导电模块内部的柔性金属带。如图5所示，当柔性金属带被吸引而处于导电模块顶部时，电源正极依次与内部正极触点、内部可变电极接通；而内部可变电极与导电模块的外表面永久连接，因此导电模块外表面带电。而当受电靴离开该单元后，柔性金属带受重力作用落回，此时内部可变电极与内部安全负极相连，外表面失电，以保证安全。

图5 Tramwave系统供电原理

Tramwave系统是基于失效安全准则。若受电靴离开后，柔性金属带卡住，金属带的下部分将会因重力回落，将模块外表面与安全负极相连；此时，快速断路器立即动作以切断电源。

3.2 接触式地面供电运行系统的适应性

3.2.1 路面运行适应性

APS系统需要在走行轨之间安装嵌入式供电轨，该供电轨需要在持续的路面交通载荷下不被破坏。2003年在法国的Bordeaux安装的第一代APS系统在长期路面载荷的作用下发生损坏，原因是供电轨直接安装在沥青路面上。为了解决这一问题，新一代APS系统采用了加强供电轨并安装在混凝土路基上，以这种方式安装的APS系统可以承受13.5 t的轴向载荷。

3.2.2 天气的影响

当路面积水时，APS系统将无法使用，因此需要在路面安装有效的排水系统。同时，APS系统采用了国际IP68的防护等级以保护电源。Tramwave系统的供电轨也采用了防水措施。

在低温天气时，APS系统和Tramwave系统的供电轨和受电靴之间会结冰，从而影响受流的可靠性。目前，可以通过以下方式解决：

1）使用专用的轨道清理车清理凹槽和供电轨；

2）在受电靴前端安装重型清理刷；

3）使用乙二醇等防止轨道结冰；

4）加大有轨电车的运行密度，以防止轨道结冰；

5）禁止在道床50 cm内撒盐，以防止漏电。

3.2.3 车辆的改造

目前已经在Citadis 402型有轨电车上安装了APS系统，安装方式简单且只需对车辆做少量改动：

1）安装受电靴；

2）在车顶安装电池；

3）在转向架底部安装天线；

4）修改牵引电路。

同样，Tramwave系统已安装在安塞尔多公司的Sirio系列有轨电车上，其改动包括：

1）安装受电靴；

2）在车顶安装超级电容；

3）修改车载牵引电路。

3.2.4 系统安全性与能耗

APS系统与Tramwave系统的电力安全性已经过论证，达到了4级安全度等级（安全度等级——Safety Integrity Level的分类方式由欧盟EN 50126标准制定，分为0至4级，其中4级为最高级别）。

出于安全性的考虑，APS系统无法采用再生制动，这使得其能量效率降低了15%～20%。而Tramwave系统可以使用再生制动，且能量效率比弓网式接触网系统的理论值略高。

3.2.5 市场应用

APS系统在法国Bordeaux、Angers、Rheims 3个城市已被投入商业运营，在Orleans（法国）、Dubai（阿联酋）、Brasilia（巴西）、Tours（法国）等城市也即将采用该系统。Tramwave系统还没有商业

运营的实例，但在意大利那不勒斯安装有400 m长的试验轨。

4 结语

电磁感应供电技术自上个世纪以来，已经经历了30多年的发展。随着其不断地在电动汽车上的运用研究，该技术已经趋于成熟。同时，由于在频繁加减速时所具有的优异性能，电磁感应供电技术在交通拥堵时不会出现电力供应问题。但是，由于其结构的复杂性，该技术还无法运用在共享路权的路面上。

超级电容供电技术因无需沿线铺设供电设施，因而施工简便且造价较低。但应着重解决有轨电车在拥堵交通下的续航问题及电容缺电时的救援问题。随着超级电容电池容量增大、重量减轻、寿命增强，超级电容有轨电车具有广阔的运用前景。

APS系统和Tramwave系统都采用持续的电力供应，并继承了弓网式接触网系统受流稳定且效率高的优点，还考虑了路面载荷所带来的机械强度问题，达到了最高级别的电力安全度等级，且对车辆的改造简单。这些特点使得这两种系统具有优异的性能。但是，由于其结构的特殊性，使得其路面施工成本很高。各种无接触网供电方案的比较如表1所示。

表1 各种无接触网供电方式比较

对于现代有轨电车而言，接触网供电是一种经济、可靠的运行方式。随着社会的不断发展，城市对节能环保、景观的要求越来越高，无接触网供电将是解决此类问题的一种重要方式，并有可能成为有轨电车供电方式发展的一种趋势。超级电容供电已逐步成为有效的车载储能介质，具有一定的实际应用经验。其使用寿命长，充放电特性好，适合在有轨电车上使用。

目前，上海超级电容公交车经过应用，已经积累了一些技术和经验，超级电容的研发也有了进一步的提高。中国南车集团株洲电力机车有限公司也生产了世界上第一列超级电容轻轨列车，已具有了实现商业化运营的能力。

笔者认为就我国目前现代有轨电车供电方式而言，如果需要采用无接触网技术（比如有轨线路经过一些特殊地段，如古建筑、古迹等），那么这条线上的有轨车辆就可采用同时具有架空接触网受流和车载超级电容两种供电方式的车辆，在这些特殊线路段就不需要设置架空接触网，而是使用车载超级电容驱动有轨车辆，可有效起到保护古迹、景观的作用。同时，应把进一步增加超级电容的容量、减轻超级电容重量、延长超级电容的使用寿命、提高其可靠性作为研究重点，来推动我国超级电容有轨电车的发展。

［1］ 隋悦家.现代有轨电车及其车辆的发展［J］.城市车辆，2001（5）：71.

［2］ 王欢，戴焕云，池茂儒.国外100%低地板轻轨车辆发展概述［J］.国外铁道车辆，2012（2）：1.

［3］ 蒋应红.现代有轨电车系统在国内的发展前景探讨［J］.交通与运输，2012（1）：10.

［4］ Budhia M，Covic G，Boys J.A new IPT magnetic coupler for electric vehicle charging systems［C］∥IEEE Industrial Electronics Society.36th Annual Conference of Glendale，AZ：2010：2487.

［5］ Sato F，Murakami J.Contactless energy transmission to mobile loads by CLPStest driving of an EV with starter batteries［J］.IEEE Transactions on Magnetics.1997，33（5）：4203.［6］ Ahn S，Junso P，Taigon S，et al.Low frequency electromagnetic field reduction techniques for the on-line electric vehicle（OLEV）［C］∥IEEE.IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，Fort Lauderdale：2010：625.

［7］ 崔淑梅，段甫毅.超级电容电动汽车的研究进展与趋势［J］.汽车研究与开发，2005（6）：31.

［8］ Thounthong P，Chunkag V，Sethakul P，et al.Comparative study of fuel cell vehicle hybridization with battery or supercapacitor storage device［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58（8）：3892.

［9］ Jarushi A M，Schofield N.Battery and supercapacitor combination for a series hybrid electric vehicle［C］∥PEMD Council.Power Electronics，Machines and Drives（PEMD 2010），5th IET International Conference.Brighton，UK： Machines and Drives，2010：1.

［10］ Barrero R，Tackoen X，Van Mierlo J.Analysis and configuration of supercapacitor based energy storage system on-board light rail vehicles［C］∥PEMD Council.Power Electronics and Motion Control Conference.Poznan：PEMD Council，2008：1512.

［11］ 邓文豪.城市轨道交通地面型超级电容储能系统关键技术的研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2010.

［12］ Steiner M，Klohr M.Energystorage system with ultra caps on board of railway vehicles［C］∥EPE Council.2007 European Conference on Power Electronics and Applications.Aalborg：EPE Council，2007：982.

On General Description of Catenary-free Power Supply Technology in Low-floor Light Rail Tram

Zhu Liang，Zhang Jitong，Zhang Jimin

A general description of recently researches on catenary-free power supply technology in low-floor light rail vehicles（LRVs）is summarized，including electromagnetic induction power supply，energy storage power supply and contacted thirdrail power supply，together with the related principles，technology，the latest development，application status，advantages and disadvantages，as well as the difficulties in the development of them，to provide a reference for the research and application of catenary-free power supply system in China.

low-floor light rail vehicles（LRVs）；catenaryfree net；power supply technology

TM 72：U 482.1

2013-11-14）