轨道交通冷却系统技术前沿及发展综述

2022-02-08李仕林

技术与市场 2022年5期

李仕林

(中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412000)

0 引言

随着国内外高速铁路车辆的快速发展，列车速度不断地迭代升级。2013年，中国铁路总公司提出了我国高速动车组的创新发展战略部署，截至目前，我国350 km标准化动车组已全面上线运营，250 km标准化动车已通过样车验证，正在进行小批量装车，400 km标准化动车组已研制成功，处于调试阶段，600 km磁浮列车正在研制中[1]。目前大部分高速列车靠电力牵引，包括牵引变流器、牵引变压器、辅助变压器、列供柜、牵引电机等电力装备部件。

牵引变流-变压器成为电力高速列车的动力核心，以高压交流传动作为牵引动力的列车占主要地位[2-3]。牵引变流器、变压器在交流牵引系统中发挥重要作用，牵引变流器在车辆运行过程中需要不断切换开关，在开启和关断的过程中产生大量的热；牵引变压器是将交流电力系统的电能转输为2个带负载的单相牵引线路，变压器绕阻在工作过程中产生大量的热，其热量不及时散出，就会出现变流-变压器过热，导致设备无法正常工作，因此，关于冷却系统业内主要针对这两大核心部件展开研究[4-6]。

1 国内外轨道车辆冷却技术发展情况

1.1 国内外冷却技术发展历程

世界上第一代交流传动电力机车采用普通晶闸管变流器，其冷却方式为油冷却；世界第二代交流传动电力机车采用GTO晶闸管变流器，其冷却方式为油冷却和水冷却，部分车型采用沸腾和热管冷却；国内第一代电力机车采用GTO晶闸管变流器采用水冷却；第三代交流传动电力机车采用IGBT变流器，冷却采用强迫通风-水冷却，在水泵的作用下将变流器的热流流到热交换器中，在冷却风机作用下与冷却空气进行热交换，实现冷却[7]。

电力机车牵引变压器油冷却系统由油泵+换热器+冷却风机构成，均采用强迫通风-油冷却方式。

电力动车组牵引变流-变压器冷却技术的发展与电力机车类似，牵引变流器通常采用强迫通风-水冷却技术；牵引变压器采用强迫通风-油冷却技术，少数动力分散性动车组牵引变流器采用热管或相变冷却技术[8-9]。

1.2 国内轨道交通冷却技术现状

我国轨道交通车辆采用的是技术引进、消化吸收、自主创新的发展路线，因此研发初始时间比国外晚，但起点较高，发展速度快，技术日新月异。

随着牵引变流器-变压器冷却需求及冷却技术的发展，低速小功率、低热流密度牵引变流器通常采用自然风冷；低速重载牵引变压器采用油浸式强迫风冷油技术；高速大功率牵引变流器采用强迫风冷水技术；少数高速小功率牵引变流器-变压器冷却系统采用强迫风相变冷却技术[10-11]。

因此，从轨道交通装备的发展过程看，牵引变流器、变压器的冷却采用的方式有空气冷却、强迫水冷却、强迫油冷却、相变冷却等形式。

从冷却系统冷却能力自动调节来看，轨道交通冷却系统属于被动式冷却，仅基于冷却角度，而不是从系统热管理角度出发进行系统设计和优化控制。

从安装方式看，大部分电力机车、内燃机车冷却装置安装于机械间内、车顶、车底，有集中式冷却和分散式冷却2种，为提高产品的空间利用率，动力集中式冷却系统均采用塔式结构。

国内轨道交通牵引变流-变压器冷却系统的冷却介质种类、冷却方式与国外先进轨道交通技术水平相当。然而，在产品可靠性、轻量化、低噪声方面依然存在一定的差距，因此，轨道交通冷却装备的可靠性、轻量化、噪声控制，目前是国内外研究的热点。

2 轨道交通车辆冷却系统技术的发展

2.1 国内外轨道交通冷却技术需求

1)整车热管理需求。从轨道交通车辆系统部件集成及技术发展看，牵引变流-变压器冷却系统的设计、研发、制造来自不同的厂家，各自站在不同的角度进行系统设计，往往预留较大的设计余量，设计难度大，成本较高。因此，牵引变流-变压器冷却系统须从系统集成和整体角度，统筹热量与热管理对象与整车之间的关系，综合考虑冷却系统参数的匹配性，如对牵引变流-变压器、水泵、油泵、热交换器、冷却通风机从介质温度、流量、环境适用性进行统筹分析；将牵引变流-变压器冷却系统、空调系统、车体暖风机、水暖、地热等暖通系统集成为一个有效的热管理系统，从整车的角度控制整车热量传递，保证各部件安全、高效运行的同时，合理地分配热能，从整车的角度出发变被动为主动，自动调节冷却能力。热管理系统的综合利用，可极大降低辅机消耗，降低系统噪声，提高车辆环境适用性[12-13]。

2)健康管理需求。利用先进的传感器技术，获取系统运行的状态信息，借助智能推算方法，根据系统历史状态、环境因素，对冷却系统各关键部件进行状态分析和监测、故障诊断及预测，评估和预测冷却系统的运行状态，根据关键参数对照提出维修保养计划，由传统的定期检修向视情检修转变，该系统的建立，可大大地降低系统的检修维护和运营成本[14-16]。

3)新型高效冷却技术需求。随着轨道交通的迅速发展，冷却技术越来越好的情况下，利用特殊的通道结构采用高效相变冷却技术，实现高效换热。通常相变冷却技术包括自循环的微循环换热系统、强迫循环的流动沸腾系统等。相变冷却技术的应用，可将局部传热效率提升1～2个数量级，在有限空间内大大提高系统换热能力，有效缩小冷却系统尺寸[17-20]。

4)低噪智能化通风技术需求。轨道交通牵引变流-变压器冷却系统绝大部分采用强迫通风冷却，通风机是该系统最为关键的部件之一，因此低噪智能化通风技术是目前研发的热点。低噪智能化通风机自带轴承温度、振动监测监控传感器，为监控、诊断和处置相关故障提供数据；冷却风机自带调频变速控制系统，在进出口设置温度、压力、转速等传感器，根据牵引电机、牵引变流器、牵引变压器等部件的冷却需求，智能调节系统需求供风量，从而达到降噪、节能减排的目的[21-24]。

5)大功率、高速内燃机车轻量化冷却技术需求。对于大功率货运电力机车、内燃车、双源制吊车机车，采用集中冷却为主，包括牵引变压器、牵引变流器与柴油发动机冷却系统的集成，目前国内外柴油发电机大部分由柴油机厂家集成或由主机厂独立设计；对于柴电双源制机车，可将牵引变流器、牵引变压器与柴油机冷却进行高度集成，可有效降低产品重量和制造成本[25]。

2.2 轨道车辆冷却系统技术发展方向

1)智能控制技术在冷却系统中的应用。水冷、油冷系统采用智能化控制通风机、水泵、油泵，根据牵引变流器、变压器入口水、油温，实时调整通风机的转速，可避免风扇一直处于高速旋转状态，从而减少辅机能耗；由于列车运行范围广，绝大部分时间辅机在低速状态运行，可大大延长辅机的使用寿命；通过对冷却系统核心参数的管理，可全面实现对冷却系统功能和运行状态的管理[26-29]。

2)高效纳米流体换热技术的应用。随着现代科技水平的发展，在其他冷却技术领域，为提高冷却介质的换热效率，纳米流体技术应运而生。在轨道交通不断追求高效的背景下，可致力于研究新型的换热介质，如石墨烯流体、Cu-水纳米流体、SiO2-水、SiC-乙二醇纳米流体等。

3)消声技术的应用。随着轨道交通车辆对于舒适性及环保要求的不断提升，要求大功率水、油冷却系统用冷却风机产生的噪声影响必须降至最低，因此冷却装置的降噪技术是目前研究的热点问题。可在传播途径上采用隔声或吸声措施，可在发声源处采用有源主动降噪技术来降低噪声。

4)混合式冷却-油水+相变冷却技术的应用。结合相变高效换热，水冷、油冷的工作特征，实现两种或多种技术的融合，扬长补短，提高换热系统冷却能力，缩小体积，延长寿命，降低辅助功率消耗。