綠色照明技術(shù)在軌道交通車輛中的應(yīng)用研究

張永強(qiáng) 上海鐵路局上海鐵路車輛工貿(mào)有限公司

綠色照明技術(shù)在軌道交通車輛中的應(yīng)用研究

張永強(qiáng) 上海鐵路局上海鐵路車輛工貿(mào)有限公司

隨著綠色照明技術(shù)的發(fā)展，國家、鐵路總公司對軌道交通車輛照明提出節(jié)能、環(huán)保、舒適和安全的技術(shù)要求。通過闡述一種綠色照明技術(shù)，即運(yùn)用節(jié)能的LED照明設(shè)備和先進(jìn)的LED智能驅(qū)動電源技術(shù)，研究和開發(fā)一款適用于軌道交通車輛照明要求的綠色照明產(chǎn)品。

綠色照明技術(shù)；節(jié)能減排；LED照明；智能LED驅(qū)動電源

1 項(xiàng)目背景

軌道交通車輛主要分為鐵路普速客車、高鐵動車組、城際車輛和地鐵車輛。鐵路普速客車全路保有量約5萬輛，全部采用老式熒光燈；高速動車組約3 000輛，已全部采用LED光源；地鐵車輛約1萬輛，僅在部分城市的少部分運(yùn)營線路車輛中采用了LED光源。

目前，軌道交通車輛照明市場需求較大的是鐵路既有普速客車車輛，全國總保有量5萬輛，以平均每節(jié)車輛需求燈具40套計(jì)算，綠色照明光源市場需求量約有200萬套。

現(xiàn)有軌道交通旅客列車照明設(shè)備大部分使用熒光節(jié)能燈，與之配套的電子整流器和逆變器有三種，存在問題主要是種類多、維修復(fù)雜、電壓高不安全。且這些照度照明設(shè)備不達(dá)標(biāo)，旅客舒適度低。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

綠色照明是美國國家環(huán)保局于上個世紀(jì)90年代初提出的概念，經(jīng)過三十年的持續(xù)發(fā)展，到目前為止，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要是使用LED作為發(fā)光體的光源，滿足綠色照明要求的節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等4項(xiàng)指標(biāo)。

2015年初，鐵路總公司車輛部提出客車照明首選采用LED照明技術(shù)，研發(fā)適用于客車照明的LED照明燈具是年度重點(diǎn)工作之一。因此，綠色照明技術(shù)是軌道車輛照明技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

3 技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）研發(fā)適用于鐵路普速客車的綠色照明燈具（LED）代替現(xiàn)有列車照明燈。

（2）研發(fā)適用于各種列車LED照明燈具的驅(qū)動電源，使照明設(shè)備能在交、直流40 V至265 V供電范圍內(nèi)正常工作。3.2設(shè)計(jì)原理及組成

3.2.1 寬電壓智能驅(qū)動電源設(shè)計(jì)

電路采用專業(yè)的電源驅(qū)動IC/L6562D設(shè)計(jì)，單級PFC控制，功率因素可以做到接近1，輸入采用壓敏抗浪涌電路及雙級共模濾波電路，電源完全符合EMC測試要求；適應(yīng)交、直流兩種輸入電壓，且輸入電壓范圍寬，最低DC 4 V輸入，最高AC 265 V輸入；電源設(shè)計(jì)為DC 36V恒壓輸出、具有浪涌抑制、短路及過載保護(hù)功能，最大工作輸出電流1.0A,輸出電壓精度達(dá)±3%，線性調(diào)整率＜±5%，負(fù)載調(diào)整率＜±3%，輸出穩(wěn)定、紋波小，符合軌道交通-電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T24338.4-3-2：2009）和軌道車輛振（GB/T21563-2008）動標(biāo)準(zhǔn)要求，是一款寬電壓（48 V~220 V），交直流通用，電磁兼容性性能良好的綠色照明電源。

驅(qū)動電源電路原理圖如圖1所示。

圖1 列車照明CZ50電源方框圖

3.2.2 LED照明光源開發(fā)

本次需設(shè)計(jì)開發(fā)的LED光源燈板主要有：

（1）0.4 m 7 W LED燈板部件對應(yīng)鴻昆光電型號 PAPLLLC0102N-01；

（2）0.6 m 10 W LED燈板部件對應(yīng)鴻昆光電型號PAPLLLC0101N-01。

智能驅(qū)動電源模塊采用單個電源拖2塊光源板部件。光源板電路原理圖如圖2所示。

圖2 光源板電路原理圖

燈珠采用煜明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；燈珠工作時電流設(shè)定為45 mA,此電流工作時的單顆燈珠光通量為19 lm左右。即0.4 m燈板功率4并×0.045 A×36 V=6.48 W,光通量為10串×4并×19 lm= 760 lm,；0.6 m燈板功率6并×0.045 A×36 V=9.72 W,光通量10 串×6并×19lm=1140lm，光通量等同替代傳統(tǒng)光源0.4m 15W （650~750）lm、0.6m 20W（980~1100）lm，節(jié)能達(dá)50%。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 寬電壓智能驅(qū)動電源技術(shù)

LED燈管驅(qū)動電源需符合DC 48 V、DC 110 V、AC 220 V三種不同工作電壓，為保證LED燈光源更換時的互換性，減少品種規(guī)格，降低工人勞動強(qiáng)度。因此，此電源不僅在電氣指標(biāo)方面要符合高效、電磁兼容等技術(shù)指標(biāo)，而且要做到對交直流電壓自動識別和48 V~250 V電壓范圍變化的自動適應(yīng)。

4.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)

按照國家電子產(chǎn)品電磁兼容型式實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，該產(chǎn)品通過了中國鐵道科學(xué)研究院進(jìn)行的電磁兼容性能檢測。

4.3 整體燈具防震設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品安裝在軌道交通車輛上，水平及縱向存在著頻率1 Hz至50 Hz的振動，因此，需進(jìn)行嚴(yán)格的防震設(shè)計(jì)，是燈具能夠長時間在車輛運(yùn)行環(huán)境中穩(wěn)定工作。

4.4 半導(dǎo)體（LED）光源基板設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體（LED）光源采用板式設(shè)計(jì)，LED發(fā)光顆粒、電阻和導(dǎo)線等電子元器件直接敷設(shè)在鋁基板上，這種工藝是在鋁基板上涂覆絕緣層，在絕緣層上印制電路，然后再貼焊LED發(fā)光顆粒和其他電子器件。其產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是光源散熱良好，有效延長了LED發(fā)光顆粒的使用壽命，并使光線分布均勻。設(shè)計(jì)開發(fā)的半導(dǎo)體板式光源不僅節(jié)能環(huán)保，而且顯色性好，光譜比熒光燈管光源更接近自然光。

5 先進(jìn)性及創(chuàng)新型

5.1 項(xiàng)目的先進(jìn)性

項(xiàng)目在技術(shù)上采用綠色照明技術(shù)，所開發(fā)燈具同時具備節(jié)能、環(huán)保、舒適和安全性能。電源采用智能驅(qū)動電源，可適用于DC 48 V、DC 110 V和AC 220 V三種不同電源。經(jīng)科技檢索查新，該類照明技術(shù)在國內(nèi)軌道交通車輛照明領(lǐng)域具有領(lǐng)先水平。

5.2 項(xiàng)目的創(chuàng)新性

（1）項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體（LED）光源不僅能滿足節(jié)能、環(huán)保、舒適、安全的綠色照明要求，而且使用壽命長，是目前普通光源壽命的5~10倍。

（2）半導(dǎo)體（LED）光源電路為板式設(shè)計(jì)。LED發(fā)光顆粒、電阻和導(dǎo)線直接敷設(shè)在鋁基板上，這種工藝是在鋁基板上涂覆絕緣層，在絕緣層上印制電路板，然后在貼裝LED發(fā)光顆粒和其他電子器件。其產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是光源散熱良好，LED發(fā)光顆粒的壽命長，光線分布均勻。

6 技術(shù)指標(biāo)

6.1 光源技術(shù)指標(biāo)（見表1）

表1 光源技術(shù)指標(biāo)

6.2 電源技術(shù)指標(biāo)（見表2）

表2 電源技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表

7 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)效

該項(xiàng)目研發(fā)的綠色照明燈具在阜陽~上海K8361次列車上安裝了兩節(jié)車廂，且經(jīng)過一年多的試用考核。經(jīng)現(xiàn)場試用和比對測試可知，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的LED綠色照明設(shè)備取得以下實(shí)際應(yīng)用效果：

（1）具有節(jié)電、亮度高、環(huán)保、安全、故障率低和壽命長等優(yōu)點(diǎn)；

（2）改裝車輛LED燈具和原車燈具匹配完好、接線方式和原車相同，便于檢修和維護(hù)；

（3）改裝車輛車廂內(nèi)亮度明顯提高，光照柔和、均勻，改善了旅客視覺環(huán)境；

（4）改裝車輛LED照明燈功耗低，經(jīng)測試功率比未改裝車輛降低約35%，節(jié)能減排效果顯著；

（5）產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，減少維修工作量。未改造車輛老式燈具每列次進(jìn)庫都有1到3根燈管需更換，而改造車新式LED燈具試運(yùn)行三個月來只發(fā)生1次接頭不好故障現(xiàn)象，故障率大為降低，減少庫檢人員工作量。

8 結(jié)束語

從上述研究資料總結(jié)來看，本課題研制開發(fā)的綠色照明燈具在亮度上比老式熒光燈具提高了2倍，在功耗上節(jié)能約50%，在壽命上提高到2.5萬h（約三年）。而且通用性好，一種燈具適應(yīng)三種不同電源類型，可為用戶減少備貨種類。產(chǎn)品免維護(hù)，可靠性好，可為用戶節(jié)省大量維修費(fèi)用。

本研究成果于2016年1月22日通過了上海鐵路局科技成果驗(yàn)收，成果技術(shù)水平達(dá)路內(nèi)領(lǐng)先。

責(zé)任編輯：許耀元 胡雄偉

來稿日期：2016-11-21