城市轨道交通车辆制动系统的原理分析与绿色设计研究

王绍洪

昆明地铁运营有限公司 云南昆明 650000

1 绿色设计的定义

绿色设计是由绿色产品的诞生而发展起来的一种设计方法，是以“3R”，即Reduce（减少）、Recycle（回收）、Reuse（重复使用）为核心概念，以节约资源、保护环境为宗旨的设计方法和过程[1]。

绿色设计在绿色产品的整个生命周期内，着重考虑产品应符合节约自然资源、减少环境影响的要求，并将可拆卸性、可回收性、可重复利用性等要素融入到产品设计的各个环节中去。同时还要将产品的基本技术属性和环境资源属性紧密结合在一起，在进行设计决策时，除满足产品本身的物理目标外，还必须满足环境目标，以达到真正绿色设计的要求。

2 城市轨道交通车辆制动系统的绿色设计研究

随着我国社会经济的快速发展、城镇化进程在不断加快及工业化的不断深入，人口的剧增和资源的消耗，给交通造成拥堵问题的同时，随之引起资源枯竭、环境恶化，废气、噪声、粉尘等污染问题极为严重，使生态环境遭到了前所未有的破坏。日益严重的交通拥堵问题和环境污染问题，不仅制约了我国城市的可持续发展，而且还威胁着人类的健康和生存。社会进步、经济发展和环境保护的关系是彼此依托、互相推动的。一个企业，为了促进社会的进步、经济的发展，以及出于我们人类自身健康问题和生存问题的着想，应该提高环保意识，探索符合环保要求的节能、降耗、少污染的绿色产品的设计与制造模式，以适应社会发展的要求是相当有必要的。

处于快速发展并作为城市公共交通骨干交通工具的城市轨道交通，要实现的是运量大、安全、快捷、准点、经济、环保等作用。针对城市轨道交通车辆制动系统存在的不足，必须把绿色设计研究应用其中，在制动系统的使用全过程中，从符合节能环保、可拆卸性、可回收性、可重复利用性等方面考虑。把制动系统的基本属性和环境属性紧密结合在一起，在进行设计决策时，除满足产品本身的物理目标外，还应满足环境目标，以达到绿色设计的要求。最终让城市轨道交通真正成为人们“节能减排、绿色出行”的绿色公共交通工具，并作为带动城市发展的绿色发展之路。

3 城市轨道交通车辆制动系统的绿色设计

3.1 电池储能

由于化学电池储能的充放电循环寿命有限，在城市轨道交通频繁启动、制动的场合，基于电池的储能系统的使用寿命不够长，大容量储能还会引起电池质量增加，导致车辆自重增加，另外大量使用电池会对环境造成严重污染，因此电池储能的使用受到很多限制[2]。

3.2 飞轮储能

飞轮储能系统依靠飞轮的动能来储存能量，在储存能量时，飞轮的速度得到增加，而释放能量时，飞轮的速度被减少。与电池储能相比，飞轮储能器使用寿命长，设计使用周期在20年以上，并且使用期间免维护，可以快速深度放电和充电。但是飞轮工作时损耗相对较大，能量不能长时间储存，因此与电池储能相比，飞轮储能更适合在短时间大功率场合使用。

3.3 超导储能

超导磁储能采用超导材料制成线圈，利用其低损耗储存磁场能量，通过电力电子变流器与电力系统连接，构成既能快速储存能量，也能快速释放能量的快速响应器件，从而达到大容量储存电能、改善供电质量、提供系统稳定性等目的。与其它储能系统相比，可长期无损耗储存能量，其储存和释放过程中效率可达95%以上。另外，超导储能装置调节容易，维护方便，并且无污染，是比较理想的储能装置，最适合短时大功率场合应用。但是，超导储能装置的单位体积储存的能量与飞轮储能和电池储能相比要低，因此通常与电池储能配合使用。在城市轨道交通系统中，若只考虑吸收再生制动能量而不考虑提供能量备份，则对功率密度的要求要高于能量密度，采用超导储能够吸收再生制动能量，动态速度快，可最大程度减小直流电压脉动，而且体积重量相对要小。

3.4 超级电容储能

为了使再生制动实现最大限度的能量回收利用，并对环境不构成影响，能量的储存以及储存方式的选择是特别关键的，应综合考虑，根据实际需求选择合理的储存方式。然后把能馈与储能结合起来构成牵引供电系统，在车辆启动时，供电变流器输出主要供电功率，储能系统释放能量，为下一次制动时吸收能量做准备；在车辆制动时，可以使大部分能量通过可逆牵引变流器回馈电网，而储能系统只用来吸收多余的少部分制动能量，因此可逆牵引变流器可以按最大整流功率设计而不按最大能馈功率设计，降低了牵引供电变流器的配置容量，从而提高变流器的容量利用率。由于储能系统的参与，可以减小回馈的再生制动能量对电网的冲击，改善入网电能质量。另外由于储能系统只是用来吸收少部分能量，因此体积和成本都可大大降低[3]。

4 结语

为适应社会发展的需求，我国城市轨道交通制动系统的技术在不断的发展，技术逐渐趋向成熟，制动系统的性能不断得到完善，但有些地方还需要改进。因此，将绿色设计应用于城市轨道交通车辆的制动系统，得不到足够的重视，也没有形成一定研究理论体系。无论是在技术上还是相关理论的研究上，与国外发达的国家相比，更是相差甚远。但是针对城市轨道交通车辆制动系统绿色设计研究存在的问题，给我们带来不仅是严峻的挑战，同样也是一种发展机遇。