绿色照明技术在轨道交通车辆中的应用研究

张永强 上海铁路局上海铁路车辆工贸有限公司

绿色照明技术在轨道交通车辆中的应用研究

张永强 上海铁路局上海铁路车辆工贸有限公司

随着绿色照明技术的发展，国家、铁路总公司对轨道交通车辆照明提出节能、环保、舒适和安全的技术要求。通过阐述一种绿色照明技术，即运用节能的LED照明设备和先进的LED智能驱动电源技术，研究和开发一款适用于轨道交通车辆照明要求的绿色照明产品。

绿色照明技术；节能减排；LED照明；智能LED驱动电源

1 项目背景

轨道交通车辆主要分为铁路普速客车、高铁动车组、城际车辆和地铁车辆。铁路普速客车全路保有量约5万辆，全部采用老式荧光灯；高速动车组约3 000辆，已全部采用LED光源；地铁车辆约1万辆，仅在部分城市的少部分运营线路车辆中采用了LED光源。

目前，轨道交通车辆照明市场需求较大的是铁路既有普速客车车辆，全国总保有量5万辆，以平均每节车辆需求灯具40套计算，绿色照明光源市场需求量约有200万套。

现有轨道交通旅客列车照明设备大部分使用荧光节能灯，与之配套的电子整流器和逆变器有三种，存在问题主要是种类多、维修复杂、电压高不安全。且这些照度照明设备不达标，旅客舒适度低。

2 技术现状

绿色照明是美国国家环保局于上个世纪90年代初提出的概念，经过三十年的持续发展，到目前为止，其技术实现主要是使用LED作为发光体的光源，满足绿色照明要求的节能、环保、安全、舒适等4项指标。

2015年初，铁路总公司车辆部提出客车照明首选采用LED照明技术，研发适用于客车照明的LED照明灯具是年度重点工作之一。因此，绿色照明技术是轨道车辆照明技术发展的必然趋势。

3 技术设计

3.1 设计目标

（1）研发适用于铁路普速客车的绿色照明灯具（LED）代替现有列车照明灯。

（2）研发适用于各种列车LED照明灯具的驱动电源，使照明设备能在交、直流40 V至265 V供电范围内正常工作。3.2设计原理及组成

3.2.1 宽电压智能驱动电源设计

电路采用专业的电源驱动IC/L6562D设计，单级PFC控制，功率因素可以做到接近1，输入采用压敏抗浪涌电路及双级共模滤波电路，电源完全符合EMC测试要求；适应交、直流两种输入电压，且输入电压范围宽，最低DC 4 V输入，最高AC 265 V输入；电源设计为DC 36V恒压输出、具有浪涌抑制、短路及过载保护功能，最大工作输出电流1.0A,输出电压精度达±3%，线性调整率＜±5%，负载调整率＜±3%，输出稳定、纹波小，符合轨道交通-电磁兼容性标准（GB/T24338.4-3-2：2009）和轨道车辆振（GB/T21563-2008）动标准要求，是一款宽电压（48 V~220 V），交直流通用，电磁兼容性性能良好的绿色照明电源。

驱动电源电路原理图如图1所示。

图1 列车照明CZ50电源方框图

3.2.2 LED照明光源开发

本次需设计开发的LED光源灯板主要有：

（1）0.4 m 7 W LED灯板部件对应鸿昆光电型号 PAPLLLC0102N-01；

（2）0.6 m 10 W LED灯板部件对应鸿昆光电型号PAPLLLC0101N-01。

智能驱动电源模块采用单个电源拖2块光源板部件。光源板电路原理图如图2所示。

图2 光源板电路原理图

灯珠采用煜明2835≥23 lm 2.9 V~3.1 V，功耗60 mA,10 串4并7 W,10串6并10 W；灯珠工作时电流设定为45 mA,此电流工作时的单颗灯珠光通量为19 lm左右。即0.4 m灯板功率4并×0.045 A×36 V=6.48 W,光通量为10串×4并×19 lm= 760 lm,；0.6 m灯板功率6并×0.045 A×36 V=9.72 W,光通量10 串×6并×19lm=1140lm，光通量等同替代传统光源0.4m 15W （650~750）lm、0.6m 20W（980~1100）lm，节能达50%。

4 关键技术

4.1 宽电压智能驱动电源技术

LED灯管驱动电源需符合DC 48 V、DC 110 V、AC 220 V三种不同工作电压，为保证LED灯光源更换时的互换性，减少品种规格，降低工人劳动强度。因此，此电源不仅在电气指标方面要符合高效、电磁兼容等技术指标，而且要做到对交直流电压自动识别和48 V~250 V电压范围变化的自动适应。

4.2 电磁兼容性设计

按照国家电子产品电磁兼容型式实验标准要求，该产品通过了中国铁道科学研究院进行的电磁兼容性能检测。

4.3 整体灯具防震设计

由于产品安装在轨道交通车辆上，水平及纵向存在着频率1 Hz至50 Hz的振动，因此，需进行严格的防震设计，是灯具能够长时间在车辆运行环境中稳定工作。

4.4 半导体（LED）光源基板设计

半导体（LED）光源采用板式设计，LED发光颗粒、电阻和导线等电子元器件直接敷设在铝基板上，这种工艺是在铝基板上涂覆绝缘层，在绝缘层上印制电路，然后再贴焊LED发光颗粒和其他电子器件。其产品的优点是光源散热良好，有效延长了LED发光颗粒的使用寿命，并使光线分布均匀。设计开发的半导体板式光源不仅节能环保，而且显色性好，光谱比荧光灯管光源更接近自然光。

5 先进性及创新型

5.1 项目的先进性

项目在技术上采用绿色照明技术，所开发灯具同时具备节能、环保、舒适和安全性能。电源采用智能驱动电源，可适用于DC 48 V、DC 110 V和AC 220 V三种不同电源。经科技检索查新，该类照明技术在国内轨道交通车辆照明领域具有领先水平。

5.2 项目的创新性

（1）项目开发设计的半导体（LED）光源不仅能满足节能、环保、舒适、安全的绿色照明要求，而且使用寿命长，是目前普通光源寿命的5~10倍。

（2）半导体（LED）光源电路为板式设计。LED发光颗粒、电阻和导线直接敷设在铝基板上，这种工艺是在铝基板上涂覆绝缘层，在绝缘层上印制电路板，然后在贴装LED发光颗粒和其他电子器件。其产品的优点是光源散热良好，LED发光颗粒的寿命长，光线分布均匀。

6 技术指标

6.1 光源技术指标（见表1）

表1 光源技术指标

6.2 电源技术指标（见表2）

表2 电源技术指标参数表

7 现场应用实效

该项目研发的绿色照明灯具在阜阳~上海K8361次列车上安装了两节车厢，且经过一年多的试用考核。经现场试用和比对测试可知，该项目设计的LED绿色照明设备取得以下实际应用效果：

（1）具有节电、亮度高、环保、安全、故障率低和寿命长等优点；

（2）改装车辆LED灯具和原车灯具匹配完好、接线方式和原车相同，便于检修和维护；

（3）改装车辆车厢内亮度明显提高，光照柔和、均匀，改善了旅客视觉环境；

（4）改装车辆LED照明灯功耗低，经测试功率比未改装车辆降低约35%，节能减排效果显著；

（5）产品运行稳定，减少维修工作量。未改造车辆老式灯具每列次进库都有1到3根灯管需更换，而改造车新式LED灯具试运行三个月来只发生1次接头不好故障现象，故障率大为降低，减少库检人员工作量。

8 结束语

从上述研究资料总结来看，本课题研制开发的绿色照明灯具在亮度上比老式荧光灯具提高了2倍，在功耗上节能约50%，在寿命上提高到2.5万h（约三年）。而且通用性好，一种灯具适应三种不同电源类型，可为用户减少备货种类。产品免维护，可靠性好，可为用户节省大量维修费用。

本研究成果于2016年1月22日通过了上海铁路局科技成果验收，成果技术水平达路内领先。

责任编辑：许耀元 胡雄伟

来稿日期：2016-11-21