日本铁路车辆非接触供电技术

1 引言

为摆脱长期以来对于传统化石能源的依赖，日本正在道路交通领域加速推进传统燃油汽车向电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCV）的转化。在EV的普及过程中，延长续航距离和缩短充电时间成为掣肘新能源汽车发展的两大瓶颈。在电动汽车行驶过程中使用非接触供电技术为车辆提供动力并同时对车载蓄电池充电这一技术路线，作为突破这两大瓶颈的方法，成为目前该行业的研究热点。

在铁路领域，为实现脱碳的目标，蓄电池电动车组也得到逐步推广应用。日本铁道综合技术研究所（以下简称“铁道综研”）开发出了相应的铁路车辆非接触供电系统，可更简便地为车载蓄电池充电。本文将对此系统进行简述，并介绍其车载集电感应线圈小型化、轻量化设计方案。

2 非接触供电技术概述

非接触供电有多种方式，铁路车辆牵引领域所采用的非接触供电方式通常是可进行大容量电力传输的电磁感应方式。

图1 展示了电磁感应非接触供电原理图。供电侧线圈产生的磁场会使负载侧线圈周边的磁场发生变化，负载侧线圈中会因为电磁感应产生对应的电压，从而实现非接触式的电力传输。

变压器就是利用此原理传输电力的设备。但相比于变压器，本文所涉及的铁路车辆非接触供电系统感应线圈之间的电磁耦合系数较低，因此为有效地进行大功率电力传输，需要在电路冷却降温及供电频率提升等方面进行优化改良。

具体而言，交流电源的频率可达数千至数兆赫兹，在如此高的频率下，感应线圈的高频损耗可能大幅增加，因此必须选择适当材质的电缆。此外，感应线圈间产生的磁场会与周边其他导体发生相互作用，在其他导体内部产生涡流，从而造成电能损耗。所以，在非接触供电系统设计中，需要综合考虑这些损耗因素的影响，进而确定供电频率、感应线圈形状等具体参数。

3 非接触供电技术在铁路中的应用

近年来，随着蓄电池电动车组逐步实现商业运营，其实践已证明，利用蓄电池电动车组替代内燃动车组可大幅减少环境污染，因此未来蓄电池电动车组的运用占比有望继续扩大。此外，蓄电池电动车组的运营区间大多在郊外，可在铁路沿线设置利用风能、太阳能等可再生能源发电的设备，并使用其产生的电能为附近行驶的蓄电池电动车组充电，如此可在最大限度高效利用可再生能源的同时，减少输电损失，如图2所示。

在传统的充电模式下，需要根据线路的长度、坡度等条件，在蓄电池电动车组上配置足够数量的蓄电池组，这将导致蓄电池数量十分庞大。为削减从始发站行驶到终点站所需的蓄电池搭载量，可在列车运行途中的多个车站对其进行充电。非接触供电可以避免列车在途中车站充电时频繁进行升降弓操作，对此种充电场景具有良好的适应性。

图3展示了设置在车站的铁路车辆非接触供电系统。在车站及其前后数百米范围内，设置非接触供电电缆，对停靠在车站（处于静止状态）及进入、驶离车站（处于行驶状态）的列车进行供电。只要列车进入供电电缆设置区域，系统将立即启动自动供电操作。

此种供电方式不仅可在列车停靠于车站时为其充电，而且能够在列车低速驶入、驶离车站过程中供电，因此充电时间更长。充电时间的增加可在保证电量供给的基础上减少充电设备容量，从而降低电源设备的成本。而且，与列车停靠车站时进行的大容量快速充电相比，非接触供电对蓄电池的热损伤更小，有助于延长蓄电池组使用寿命。此外，列车从车站发车时的加速过程耗电量巨大，非接触供电可分担列车加速时蓄电池的电力消耗，抑制蓄电池的最大输出电流，从而达到减少蓄电池组数量、延长其使用寿命的目的。在车站以外的爬坡路段等列车耗电量较大的区间设置非接触供电电缆，同样可以起到上述的分担作用。

4 非接触供电系统构成

图4展示了铁道综研开发的铁路车辆非接触供电系统。该系统由铺设于左右钢轨之间地面上的非接触供电电缆和搭载在车上的集电感应线圈构成。为在列车行驶过程中实现供电及降低成本，非接触供电电缆不设置铁芯，而是采用空心线圈的简单构造。对于车载集电感应线圈，出于提高电磁耦合效率和实施磁屏蔽以减少对其他车载设备影响的考虑，为其安装铁芯。集电感应线圈的形状为8字形，可增强对左右钢轨之间中心位置磁场的捕获能力，提高集电能力，同时可减少感应线圈外部漏磁。

为验证该系统的电力传输能力，研究人员在搭载集电感应线圈的试验电动车组上进行了无接触电力传输试验，如图5所示。试验结果证实，无论在列车停车或行驶时，该系统都能稳定传输大约40 kW的电力。

5 车载集电感应线圈设计

为便于安装到铁路车辆上，车载集电感应线圈应尽可能小型化、轻量化。然而，同时实现这2点比较困难，原因在于：当集电感应线圈实现小型化时，由于其单位面积负担的集电功率增加，所需磁场增强，导致铁芯的使用量增大，这与轻量化——尽可能少用笨重铁芯材料的要求不符。为解决此问题、提高集电感应线圈的电磁耦合效率，需要对铁芯形状进行优化。此外，抑制由钢轨产生的涡流损耗也非常重要，因此在优化铁芯形状时，除减小铁芯质量、提高线圈电磁耦合系数外，还需要考虑降低钢轨产生的涡流损耗。

为此，研究人员在计算机中将遗传算法（以生物进化过程为参考的优化方法，曾用于确定新干线车头头锥的形状）与拓扑优化算法（在指定设计领域中，根据目的和限制条件，确定最佳材料分布的优化方法）组合使用，以确定铁芯的最优形状。相较于以往单纯改变铁芯厚度和宽度的模拟算法，该组合方法可以扩大形状检索范围，呈现所筛选形状的分析计算数据，并说明选中该形状的具体原因，有助于拓展设计思路。

作为计算机优化计算结果示例，图6展示了在集电功率相同时，各种优化方案中的集电感应线圈纵向长度与质量之间的关系。图中的虚线是将感应线圈形状的计算结果与集电感应线圈最小纵向长度、最小质量联系起来所得的边界线，从虚线可以看出集电感应线圈的纵向长度与质量呈现互相制约、互有折衷的关系。图中红点处的优化方案给出了优化后尺寸及质量均小的铁芯形状。图7展示了图6中红点方案所对应的铁芯形状，灰色部分为铁芯，白色部分为空气，虚线框中部分为铁芯设计范围；参考灰色部分形状并考虑加工制造工艺的可行性及成本等因素，铁芯的实际形状应与图中红线围起来的部分相符。采用图7中的最优化铁芯形状，可以大幅减小集电感应线圈的总质量。