交通轨道电源——通往2020的列车上

shuszhao · 发表于 2018-6-30 08:55:29

与重型机车车辆或基础设施相比，电源的份额微不足道。但是如果没有电源，其他都不可能，所以电源设计师会积极参与交通轨道现代化建设。在下一届Innotrans即将来临时，电源制造商所面临的许多挑战都很有趣，比如提高铁路的安全性能，为乘客提供更好的服务水平，这些都要花点时间去考虑。
在柏林的Innotrans 2016会议上，国际交通轨道展览会发表的一项研究表明，欧洲交通轨道行业总结业务状况，预计到2020年，市场规模将达到1850亿欧元。当然，与重型机车车辆或基础设施相比，电源的份额是微不足道的。但是没有电源，其他都是不可能的，所以电源设计师积极参与交通轨道现代化建设。在我们接近下一届的Innotrans时，电源制造商所面临的许多挑战都是很有趣的，比如提高铁路的安全性能，为乘客提供更好的服务水平，这些都要花点时间去考虑。

从保守到渐进

几十年来，交通轨道一直是电源行业重要发展领域，它要求提供非常特殊的电源解决方案以满足这个复杂市场的需求。该部门由三个主要类别组成：新设备、现代化设备以及服务10年或更长时间的待升级和维修的老设备。每一种都体现了开发人员的特殊设计，并且每个案例都需要特殊的技能。
虽然铁路部门非常保守，优先考虑可靠性和稳定性，但新一代参加“数字技术培训”的工程师参与开发新的铁路系统过程中，越来越多地整合了数字控制和鼓励实施高能效的拓扑结构，如氮化镓晶体管。在交通轨道行业，这种方法是相当新的，需要在产品开发过程中进行更广泛的资格认证工作，在未来的二十年里，给负责保证持久解决方案的工程师带来了限制。与铁路客户的设计办公室主要人员直接合作，这对设计师来说非常有趣的，也是一个伟大的机会。

从负载点到多千瓦——符合法规

铁路应用范围非常广泛，大量的应用在要求简单的接近电压调节器负载点（POL）的转换器上，或为牵引引擎和其他牵引车辆提供几百千瓦逆变电的电机上（图01）。从整体铁路市场来看，如果我们排除服务部分，机车车辆代表大多数的应用，其次是基础设施，最后是轨道和信号。每个部分都有自己的特殊与其环境的要求。例如，用于车辆（如机车）启动控制的转换器，称为低电池电压起始（LBVS）装置连接到高电压接触网，以提供低电池电压，需要非常高的绝缘和高的安全水平（图02）。此外，所有车载设备必须遵守通用标准，如EN50155，其中包括用于机车车辆的电子设备（一种包含许多其他标准，如EN 50121-3-2的电磁兼容性）。铁路领域高度标准化，每一步都从应用案例和相关标准的分析入手。

图01：铁路应用范围非常广泛，大量的应用在要求简单的接近电压调节器负载点（POL）的转换器，或为牵引引擎和其他牵引车辆提供几百千瓦逆变电的电机。

图02：称为低电池电压起始（LBVS）装置连接到高电压接触网，以提供低电池电压，需要非常高的绝缘和高水平的安全限制。
除了传统标准的操作质量，操作参数和安全性，经过20年的评估和2013年的出版物，今年的EN45545标准（抵抗和火灾行为），所有机车车辆都要强制执行。本标准旨在消除在技术事故中发生火灾的风险以及产品燃烧造成的所有有毒烟雾。对于电源制造商，这意味着选择符合此标准的组件，并进行额外的测试，以确保充分遵守EN45545的各个章节。
除了大量的标准外，铁路部门的特殊性之一是，许多应用程序在轴承座和连接器方面有非常特殊的要求，通常会导致此产品成为某客户定制产品。虽然目前趋势是标准化模块，如DC/DC转换器（图03），对于更复杂的产品，如机车起动机转换器或分散电池充电器，客定产品仍然需要规范。这就需要有开发这些产品的能力和高度灵活的生产线。事实上，尽管市场在增长（每年增加6%），但与以百万为单位计算的通信行业相比，交通轨道部门使用的电源供应量仍然很低，这就要求像Powerbox一样的制造商调整其生产结构满足特殊的需求。

图03：标准DC/DC模块，缩短了上市时间，简化了库存管理和维护。

更长使用寿命

在铁路部门的大多数客户要求关键设备的使用寿命达到30年或更多。这意味着在开发过程中必须考虑到寿命问题，在设计过程中必须考虑更换某些元件，如电解电容在寿命期间受老化影响的可能性。我们知道铁路电源在产品使用期间可能受到严重的环境影响，如温度变化或震动，所以设备制造商要将“部件检点和重新校验”定义在规格书里。很常见的是，15年前交付的产品送回到车间进行检查和升级。这种做法在铁路部门是特殊的，并对设计方式也产生了很大的影响。
实际上，产品30年使用寿命，这就要求开发人员选择不易过时的组件，而且还要设计产品时考虑在其使用寿命期间进行可能的升级。这增加了复杂程度，但也限制了新技术的引入。如上所述，负责未来铁路系统发展的工程师们希望整合新技术，但由于受其自身相关知识的限制，又对未来产生风险有顾虑。这是一个在铁路界内部辩论的热门话题，一方面要使电力供应系统现代化，能源效率更高，通讯更佳，另一方面保障无风险可持续发展。

上市时间的挑战

基本上，铁路电源开发技术与其他应用所使用的技术是非常相似的，而且凭借多年的经验，前者的开发者已经积累了很多专业知识，使他们能够减少开发时间。然而，新的标准和新技术的引入增加了开发时间。考虑到电源在交通轨道应用上的广泛使用，如果我们不排除所谓的“标准”产品（例如模块），一些模块的开发周期大约在14个月左右，若客户的项目再复杂一点，开发周期就很容易达到24个月或者更久。这意味着要与OEM密切合作，让他们意识到延迟以及来自亚洲的日益激烈的竞争压力，推动开发可在多个项目上重用的功能模块。
由于现代化铁路系统的需求越来越大，设计周期必须缩短，这就意味着采用一种不同的方法。比如机车车辆，这是相当复杂的，它涉及到许多特殊的方面，如认证。在交通管制和信号系统方面，限制不那么严格，可以使用诸如那些已经存在的DIN轨道安装的电源。一个能源子系统比如Powerbox的电池备份单元（BBU）可以在不到三月内完成定制，满足客户的特殊需求，包括增加无线电传输遥测系统（图04）。OEM开始在机车车辆实现模块化，但需要时间。

图04：Powerbox 的电池备份单元（BBU）可以在不到三月内完成定制，满足客户的特殊需求，包括增加无线电传输遥测系统。
现代化铁路网络对电源的影响有许多方面，因为线路无法停止运行，也不能替换所有现有的基础设施。对于机车车辆，这通常包括补充技术，如让乘客舒适的无线网络或可以提高安全性的车载遥测。在这种情况下，电源是相当标准的，通常是系统安装的一部分，对机车车辆来说没有任何重大变化。
在一个完整的列车（通常称为“翻新”）现代化过程中，需要翻修的设备已经使用了很长时间，设备制造商要求电源制造商开发合适的、结构和功能一样的（3F）替代品。升级后的电源，它是合适的、结构和功能都保持不变的，从而减少了实施过程中的延误，保证了主机设备的更久的耐用性。3F电源的开发与特殊开发非常接近，但工程师结合了相关专业知识，利用铁路领域的专业制造商提供的平台，以及原机箱或机架的重复使用，使缩短开发时间成为可能。
欧洲铁路网的现代化大部分是在轨道和信号系统水平上进行的。因此，设备柜往往保持原位，安装人员要求电源制造商提供3F解决方案，可以合适的安装到旧系统；相对简单的过程是“旧设备出，新设备入”。在非常旧的系统中，使用的技术是在机柜中安装一个工业机架，以方便安装标准的机架，从而缩短更新所需的时间，例如增加无线电遥测系统或连接到光纤系统的机柜。
铁路电源的总体趋势是采用标准化或半标准化电源来缩短开发时间。这是设备制造商的意愿，而且越来越多地被用在轨道或嵌入式应用，比如使用卡转换器或卡式的。然而，我们仍将始终保持非常特殊的电源，能按需提供解决方案，也能拥有特殊的技术。