CRH5A 动车组牵引系统低温启动特性与能耗优化研究

一、CRH5A 动车组牵引系统低温启动原理

CRH5A 型动车组牵引系统正常工作对于列车动力性能起着决定性的作用，牵引变流器、牵引电机及控制单元等是其重要组成部分。在低温环境下启动时，牵引系统要经过一系列复杂的物理过程并完成能量转换。从电力电子器件角度而言，作为牵引变流器核心部件的 IGBT，在低温条件下的运行特性存在很大差别。相关研究显示，当环境温度下降时，IGBT 内部载流子的迁移速率明显降低，从而使得其导通电阻出现非线性增大的情况。

低温环境对牵引电机运行特性存在明显的非线性影响。绕组使用铜导线时，电阻率一般会随温度降低而变小，但处于极低温度区间（如 - 20^∘C 以下）时，表面氧化膜性质发生改变，材料晶格结构也出现微细变化，这可能造成电阻率异常增大，进而明显加大铜损；并且还可能引起电机等效电感值变化，从而对电机电磁转矩输出带来不利影响。从磁路特性分析可知，低温条件下电机永磁体磁导率会下降，剩磁密度随之减小，最终使电机启动转矩大幅降低。

低温启动阶段，控制单元是极为关键的组件，其要随时获取并解读牵引系统各个部件的状态参数，包含温度、电流、电压之类；还要依靠预先设定的算法来调节牵引变流器的输出电压和频率。低温环境下，控制单元内部的电子元件很可能会出现性能指标上的变化，比如说电容的容量会有所衰减，电阻的数值也会产生漂移，这就会造成信号采集和处理的精准度下降，进而加大了系统控制的技术复杂度和实施难度。

二、低温启动特性与能耗优化方案

2.1 硬件结构优化

为了改进低温环境给 IGBT 器件造成的不良影响，使用碳化硅（SiC）这类第三代半导体材料来研制新的 IGBT 器件成了研究重点。相比于传统的硅基IGBT，基于 SiC 的 IGBT 由于具有宽禁带特性、较高的临界击穿电场强度以及良好的热导性能，在 - 30^∘C 的环境下表现出了明显的优势，导通电阻比同等规格的硅基产品下降大约 40%～50% ，开关损耗缩减超过 30% ，进而使得牵引变流系统的整体能效和运行可靠性得到了明显的改善。在模块封装设计的时候，采用真空钎焊技术取代传统焊接工艺的做法，既改善了模块内部的热传导状况，又有效地缓解了热应力集中现象。

为改善散热系统性能，本研究给出一种结合微通道液冷技术和相变材料的复合式冷却方案。此方案把冷却介质通道设计成微米级别，这样可以极大提高热传导表面积，从而加强热交换效率；而且在 IGBT 模块和散热器之间采用相变材料，依靠其潜热吸收特性，在器件升温时高效传输热量，进而明显提升整个系统的散热效果。

为改善电机绕组性能，本研究提出了一种利用新型铜基纳米复合材料的导线设计方法。在传统铜导体中添加质量分数大约为 0.5% 的碳纳米管或者石墨烯纳米片，可以有效降低电阻率温度系数。实验数据表明，这种复合材料在 - 40^∘C 条件下具有很好的低电阻特性，与纯铜导体相比，其电阻值降低了 20%～30% ，从而大大减少了电机工作时的铜损耗。在磁路结构上，采用Halbach 阵列式磁极代替传统的平行充磁方式，不但提高了气隙磁场的空间利用率，而且明显加强了磁能转换效率，在低温工况下，可以使电机的启动转矩提高 10%～15% 。

在机械润滑技术方面，全合成低温润滑油与特定低温抗磨添加剂的协同使用有很重要的研究意义。比如含有二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）和聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒的合成油，在 - 50^∘C 环境中仍然能够维持良好的流动特性和润滑性能，使得机械部件的摩擦系数降低大约 30%～40% 。对于像轴承、齿轮箱这类的关键部件来说，通过改进密封结构设计，采用多层密封唇加耐寒橡胶材料的方式，可以解决低温环境下润滑油渗漏以及水分进入的问题。

2.2 软件控制策略优化

提出了一个依靠模型预测控制（MPC）技术的分段式变频启动策略。该策略把牵引电机的动态数学模型当作理论根基，而且融合了当前的运行参数以及未来有限时间窗口内的预估信息，在线调整变流器所输出的电压和频率序列。启动之初，MPC 算法着重于减小启动电流峰值，之后才慢慢加快电机转速；随着转速的增大，它的改良目的渐渐转变为尽快靠近额定转速，而且达成能耗的有效削减。

搭建起依靠深度学习的自适应控制架构，创建一个大规模低温启动数据集来训练卷积神经网络（CNN）。这个网络接收环境温度、电机参数以及变流器输出等多源信息当作输入，输出最佳启动控制参数。经过大量训练的 CNN 模型可以及时分析复杂低温工况下的系统特性，而且会自动调节控制策略去符合实际运行情况。

2.3 辅助加热与保温措施

本研究设计了一个依靠分布式结构搭建起来的聪明温控加热系统方案，着重突出把小体积加热组件和精确温度感知器组合应用到牵引用电器的功率组件里面去，在那些负责推动的电子线路板上以及驱动马达绕组最前端还有轴承部分这类非常核心的地方嵌套进去。选用的加热元素是正温度系数（PTC）类型的加温膜片材料，拥有很明显的自身限制温度的特性存在，这样在运作时候能够保证没有危险性问题，并且可以维持稳定性。这种智能控制单元包含模糊 PID控制方法算法，会按照不同的信息情况改变加热点的能量输出强度，当设备刚开始工作之前就让机器内部环境达到预先设定好的一定区间范围之内（例如 - ），并且不让它出现过度升温而造成无谓消耗能源的事情发生。

就保温材料的选择问题，设计出一种多层复合保温体系。内部选用真空绝热板（VIP），导热系数小于 0.004W/（m⋅K） ，能大幅度削减热量传导；中间层填塞气凝胶毡，可以进一步加强隔热功能，阻止热对流；外面用防水耐候型聚氯乙烯（PVC）保温套，这样就能防止外界湿气渗入，避免遭受机械损害。从实验数据来看，当温度降到 - 30^∘C 的时候，这种多层复合保温结构使得设备每小时的降温控制在 1^∘C 以内，从而大幅度缩减了能耗损失。

结语：本研究把 CRH5A 型动车组牵引系统低温启动特性当作研究对象，提出一种结合硬件结构改良、软件算法改进以及辅助加热保温策略的综合节能计划。未来的研究可以进一步探究新的材料和智能控制技术在动车组牵引系统中的应用可能性，进而改善其在极端环境下的运行表现和能源利用效率。

参考文献：

[1] 殷忠晴 ， 董强 . 动车组制动系统电源板卡可靠性试验研究 [J]. 铁道车 辆 ，2025，63（02）：29-37.

[2] 李富康 ， 胡小敏 ， 贺园园 . 低温环境下动车组转向架结构设计与优化[J]. 内燃机与配件 ，2025，（06）：56-58.