1 引言

為擺脫長(zhǎng)期以來對(duì)于傳統(tǒng)化石能源的依賴，日本正在道路交通領(lǐng)域加速推進(jìn)傳統(tǒng)燃油汽車向電動(dòng)汽車（EV）和燃料電池汽車（FCV）的轉(zhuǎn)化。在EV的普及過程中，延長(zhǎng)續(xù)航距離和縮短充電時(shí)間成為掣肘新能源汽車發(fā)展的兩大瓶頸。在電動(dòng)汽車行駛過程中使用非接觸供電技術(shù)為車輛提供動(dòng)力并同時(shí)對(duì)車載蓄電池充電這一技術(shù)路線，作為突破這兩大瓶頸的方法，成為目前該行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

在鐵路領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)脫碳的目標(biāo)，蓄電池電動(dòng)車組也得到逐步推廣應(yīng)用。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“鐵道綜研”）開發(fā)出了相應(yīng)的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)，可更簡(jiǎn)便地為車載蓄電池充電。本文將對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)述，并介紹其車載集電感應(yīng)線圈小型化、輕量化設(shè)計(jì)方案。

2 非接觸供電技術(shù)概述

非接觸供電有多種方式，鐵路車輛牽引領(lǐng)域所采用的非接觸供電方式通常是可進(jìn)行大容量電力傳輸?shù)碾姶鸥袘?yīng)方式。

圖1 展示了電磁感應(yīng)非接觸供電原理圖。供電側(cè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使負(fù)載側(cè)線圈周邊的磁場(chǎng)發(fā)生變化，負(fù)載側(cè)線圈中會(huì)因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式的電力傳輸。

變壓器就是利用此原理傳輸電力的設(shè)備。但相比于變壓器，本文所涉及的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)感應(yīng)線圈之間的電磁耦合系數(shù)較低，因此為有效地進(jìn)行大功率電力傳輸，需要在電路冷卻降溫及供電頻率提升等方面進(jìn)行優(yōu)化改良。

具體而言，交流電源的頻率可達(dá)數(shù)千至數(shù)兆赫茲，在如此高的頻率下，感應(yīng)線圈的高頻損耗可能大幅增加，因此必須選擇適當(dāng)材質(zhì)的電纜。此外，感應(yīng)線圈間產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)與周邊其他導(dǎo)體發(fā)生相互作用，在其他導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而造成電能損耗。所以，在非接觸供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮這些損耗因素的影響，進(jìn)而確定供電頻率、感應(yīng)線圈形狀等具體參數(shù)。

3 非接觸供電技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用

近年來，隨著蓄電池電動(dòng)車組逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)，其實(shí)踐已證明，利用蓄電池電動(dòng)車組替代內(nèi)燃動(dòng)車組可大幅減少環(huán)境污染，因此未來蓄電池電動(dòng)車組的運(yùn)用占比有望繼續(xù)擴(kuò)大。此外，蓄電池電動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)區(qū)間大多在郊外，可在鐵路沿線設(shè)置利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電的設(shè)備，并使用其產(chǎn)生的電能為附近行駛的蓄電池電動(dòng)車組充電，如此可在最大限度高效利用可再生能源的同時(shí)，減少輸電損失，如圖2所示。

在傳統(tǒng)的充電模式下，需要根據(jù)線路的長(zhǎng)度、坡度等條件，在蓄電池電動(dòng)車組上配置足夠數(shù)量的蓄電池組，這將導(dǎo)致蓄電池?cái)?shù)量十分龐大。為削減從始發(fā)站行駛到終點(diǎn)站所需的蓄電池搭載量，可在列車運(yùn)行途中的多個(gè)車站對(duì)其進(jìn)行充電。非接觸供電可以避免列車在途中車站充電時(shí)頻繁進(jìn)行升降弓操作，對(duì)此種充電場(chǎng)景具有良好的適應(yīng)性。

圖3展示了設(shè)置在車站的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)。在車站及其前后數(shù)百米范圍內(nèi)，設(shè)置非接觸供電電纜，對(duì)停靠在車站（處于靜止?fàn)顟B(tài)）及進(jìn)入、駛離車站（處于行駛狀態(tài)）的列車進(jìn)行供電。只要列車進(jìn)入供電電纜設(shè)置區(qū)域，系統(tǒng)將立即啟動(dòng)自動(dòng)供電操作。

此種供電方式不僅可在列車?？坑谲囌緯r(shí)為其充電，而且能夠在列車低速駛?cè)?、駛離車站過程中供電，因此充電時(shí)間更長(zhǎng)。充電時(shí)間的增加可在保證電量供給的基礎(chǔ)上減少充電設(shè)備容量，從而降低電源設(shè)備的成本。而且，與列車停靠車站時(shí)進(jìn)行的大容量快速充電相比，非接觸供電對(duì)蓄電池的熱損傷更小，有助于延長(zhǎng)蓄電池組使用壽命。此外，列車從車站發(fā)車時(shí)的加速過程耗電量巨大，非接觸供電可分擔(dān)列車加速時(shí)蓄電池的電力消耗，抑制蓄電池的最大輸出電流，從而達(dá)到減少蓄電池組數(shù)量、延長(zhǎng)其使用壽命的目的。在車站以外的爬坡路段等列車耗電量較大的區(qū)間設(shè)置非接觸供電電纜，同樣可以起到上述的分擔(dān)作用。

4 非接觸供電系統(tǒng)構(gòu)成

圖4展示了鐵道綜研開發(fā)的鐵路車輛非接觸供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由鋪設(shè)于左右鋼軌之間地面上的非接觸供電電纜和搭載在車上的集電感應(yīng)線圈構(gòu)成。為在列車行駛過程中實(shí)現(xiàn)供電及降低成本，非接觸供電電纜不設(shè)置鐵芯，而是采用空心線圈的簡(jiǎn)單構(gòu)造。對(duì)于車載集電感應(yīng)線圈，出于提高電磁耦合效率和實(shí)施磁屏蔽以減少對(duì)其他車載設(shè)備影響的考慮，為其安裝鐵芯。集電感應(yīng)線圈的形狀為8字形，可增強(qiáng)對(duì)左右鋼軌之間中心位置磁場(chǎng)的捕獲能力，提高集電能力，同時(shí)可減少感應(yīng)線圈外部漏磁。

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的電力傳輸能力，研究人員在搭載集電感應(yīng)線圈的試驗(yàn)電動(dòng)車組上進(jìn)行了無接觸電力傳輸試驗(yàn)，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，無論在列車停車或行駛時(shí)，該系統(tǒng)都能穩(wěn)定傳輸大約40 kW的電力。

5 車載集電感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)

為便于安裝到鐵路車輛上，車載集電感應(yīng)線圈應(yīng)盡可能小型化、輕量化。然而，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這2點(diǎn)比較困難，原因在于：當(dāng)集電感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)小型化時(shí)，由于其單位面積負(fù)擔(dān)的集電功率增加，所需磁場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致鐵芯的使用量增大，這與輕量化——盡可能少用笨重鐵芯材料的要求不符。為解決此問題、提高集電感應(yīng)線圈的電磁耦合效率，需要對(duì)鐵芯形狀進(jìn)行優(yōu)化。此外，抑制由鋼軌產(chǎn)生的渦流損耗也非常重要，因此在優(yōu)化鐵芯形狀時(shí)，除減小鐵芯質(zhì)量、提高線圈電磁耦合系數(shù)外，還需要考慮降低鋼軌產(chǎn)生的渦流損耗。

為此，研究人員在計(jì)算機(jī)中將遺傳算法（以生物進(jìn)化過程為參考的優(yōu)化方法，曾用于確定新干線車頭頭錐的形狀）與拓?fù)鋬?yōu)化算法（在指定設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，根據(jù)目的和限制條件，確定最佳材料分布的優(yōu)化方法）組合使用，以確定鐵芯的最優(yōu)形狀。相較于以往單純改變鐵芯厚度和寬度的模擬算法，該組合方法可以擴(kuò)大形狀檢索范圍，呈現(xiàn)所篩選形狀的分析計(jì)算數(shù)據(jù)，并說明選中該形狀的具體原因，有助于拓展設(shè)計(jì)思路。

作為計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果示例，圖6展示了在集電功率相同時(shí)，各種優(yōu)化方案中的集電感應(yīng)線圈縱向長(zhǎng)度與質(zhì)量之間的關(guān)系。圖中的虛線是將感應(yīng)線圈形狀的計(jì)算結(jié)果與集電感應(yīng)線圈最小縱向長(zhǎng)度、最小質(zhì)量聯(lián)系起來所得的邊界線，從虛線可以看出集電感應(yīng)線圈的縱向長(zhǎng)度與質(zhì)量呈現(xiàn)互相制約、互有折衷的關(guān)系。圖中紅點(diǎn)處的優(yōu)化方案給出了優(yōu)化后尺寸及質(zhì)量均小的鐵芯形狀。圖7展示了圖6中紅點(diǎn)方案所對(duì)應(yīng)的鐵芯形狀，灰色部分為鐵芯，白色部分為空氣，虛線框中部分為鐵芯設(shè)計(jì)范圍；參考灰色部分形狀并考慮加工制造工藝的可行性及成本等因素，鐵芯的實(shí)際形狀應(yīng)與圖中紅線圍起來的部分相符。采用圖7中的最優(yōu)化鐵芯形狀，可以大幅減小集電感應(yīng)線圈的總質(zhì)量。