轨道交通俘能发电技术应用

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摘要：《2030年前碳达峰行动方案》中明确交通运输绿色低碳行动要求，并提出降低交通基础设施全生命周期能耗和碳排放的具体要求，绿色轨道交通意义重大。轨道交通监测系统中使用大量的传感器设备，受到布线、地理环境等条件限制，传统有线传感器应用受到限制，而基于ZigBee的无线传感器节点通信方式在轨道车辆健康监测和轨下基础设施状态监测领域得到广泛研究和应用。目前无线传感器节点采用电池供电方式，其维保工作量繁重。文章通过对无线传感器节点的组网方式和芯片参数进行梳理，以及对列车振动产生的电能进行仿真分析，从理论上论证利用轨道振动能量为无线传感器节点供电的可行性，并说明俘能发电在轨道交通中的意义。

关键词：轨道交通；俘能发电；ZigBee；无线传感器节点；监测系统

1引言

《2030年前碳达峰行动方案》[1]为碳达峰、碳中和这项重大战略进行系统谋划、总体部署，方案提出，到2025年，非化石能源消费比重达到20%左右，单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%的近期目标，以及构建绿色、高效、智能交通运输体系的要求。《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》[2]中提出，到2025年，交通运输领域绿色生产生活方式逐步形成，交通基础设施绿色化建设比例显著提升，资源要素利用效率持续提高，综合交通运输基本实现一体化融合发展，智能化、绿色化取得实质性突破。截至2021年底，我国高铁运营里程突破4万km，中国铁路营运总里程突破15万km[3]，中国内地累计有50个城市投运城市轨道交通线路9192.62km[4]，伴随轨道交通里程的增加和列车速度的提高，以及无线传感技术的发展，轨道交通健康状况实时自动化监测已成为轨道交通智能化运营的发展趋势。无线传感器节点是无线传感系统重要组成部分，采用电池供电方式，虽具有低功耗特点（使用2节干电池可维持6～24个月），但无线传感器节点数量庞大，难拆卸，且受地理环境限制，定期定点的进行电池维保，工作量繁重。俘能发电技术是利用周围环境中可用能量（如风、光、温等），通过压电、电磁等方式将环境能量俘获、转换为电能并储存在超级电容或电池内的能源利用技术。因此，研究、应用俘能发电技术为轨道交通中无线传感器节点供电可提高设备可维护性，降低检查人员劳动工作强度，减少电池污染，对绿色轨道交通意义重大。

2轨道交通无线传感技术应用

无线传感技术使用多种无线通信方式，伴随科技的进步，人们对无线低功耗、低成本需求越来越高，ZigBee无线通信技术在此背景下诞生，它具有功耗低、延时短、成本低、速率低、网络容量高、传输距离短、可靠性高、保密性高以及开放性和通用性的特点。ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准，并扩展了网络层和应用层，实现多个设备通信，该技术广泛应用于无线数据采集、无线工控设备以及远程网络控制领域，解决了短距离布线问题[5]。因此，基于ZigBee的无线传感器节点通信方式在轨道车辆和轨下基础设施状态监测领域得到广泛研究和应用[6-7]。

2.1轨道车辆状态监测

陈启武等[8]根据货运列车安全状态监测应用需求，设计了基于ZigBee无线通信技术的货运列车安全状态监测，通过在每节车厢转向架轴箱内安装ZigBee节点，实时采集轴温和烟雾数据并发送至机车监控平台，实现对货运列车的安全状态监测功能。其中，ZigBee节点选用CC2530芯片，该芯片由电源模块采用1节5V电池供电，使用直流变压器HT7533将5V降至其工作电压3.3V。谢千野[9]针对列车轴温高而不能及时排除故障，可能会引起切轴事故的问题，设计基于ZigBee网络的地铁列车轴温实时监测系统，实现对列车轴温的实时监测功能，解决了人工触碰测量不可靠和地铁环境不宜安装轨旁红外测温探头的问题。系统选用CC2530芯片实现温度数据实时收发，并设计使用2节干电池为芯片供电，电池更换周期约为1年。邱晓欢等[10]针对货运列车轴温实时性问题，进行货运列车轴温检测系统设计，采用ZigBee搭建无线传感网络，将轴温信息发送到车载监控平台，再发送至远程监控系统，实现轴温的实时监测功能，解决货运列车运行过程中轴温动态监测问题。其中通信模块选用CC2630主控芯片，该芯片供电电压为1.8～3.8V，采用纽扣电池为其供电。王锐等[11]针对高速列车车厢内环境舒适度问题，设计列车环境智能无线监测系统，通过ZigBee网络传输数据至主控中心，主控中心通过该网络实现对车内空调控制，实现车内温湿度、气压、CO浓度和烟雾度等一系列环境参数动态监测，提高车厢环境舒适性。其中，ZigBee组网核心芯片采用CC2430。

2.2轨下基础设施状态监测

于晓东等[12]针对铁道扣件松脱监测问题，设计了基于IoT传感器网络的实时钢轨检测系统，通过ZigBee、窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-loT）和互联网（Internet）实现数据传输，将扣件松紧程度、列车载重及运行速度等状态参数实时传送到云端服务器，提高监测效率，降低漏检和误检率。其中，ZigBee模块使用CC2530芯片。史经科等[13]针对铁道沿线边坡滑坡灾害问题，设计基于ZigBee无线网络技术的铁道沿线边坡滑坡灾害实时监测轨道交通俘能发电技术应用探索系统，实现了将滑坡位移量传送至地面监控中心的监测功能，有效解决了监测区无人值守、布线难等问题。主控芯片选用CC2530，系统采用12V蓄电池配套供电电路作为系统供电，其中，电压降至3.3V为ZigBee的主控芯片供电。程龙[14]对兰新高铁沿线重点风区风速监测及列车的风致安全预警问题进行研究，设计基于ZigBee方案的无线监测网络系统，实现了重点风区的风速实时监测，对线路中行驶的列车提供准确的限速预警功能，解决了大风对列车的行车安全预警问题。ZigBee方案采用基于射频CC2530芯片作为主控芯片。

2.3小结

通过对轨道车辆及轨下基础设施状态监测系统调研可知，基于ZigBee无线传感器节点得到广泛应用[15]，其核心器件为CC2430、CC2530、CC2630芯片，各芯片参数如表1所示。由表1可知，随着芯片的迭代，其能耗显著降低，其中，小型纽扣电池或俘能发电技术可为迭代的最新芯片CC2630供电，且该芯片功能为俘能发电技术为其供电提供了便利条件。

3俘能发电为无线传感器节点供电探索

3.1俘能发电仿真分析

无线传感器节点周围可回收能量有振动机械能、风能、太阳能、接触网电磁能等，其中振动能能量密度高且易回收[16]，因此，振动能的回收利用成为研究热点[17]。振动俘能发电的方式多种多样[18]，如电磁式、压电式、摩擦纳米式等。其中，电磁式具有输出电流大、发电装置易实现等特点，更适合为无线传感器节点的芯片供电。通过对速度200km/h的8辆编组综合测试车进行车-轨作用的振动能量谱测试分析，得到轨道与车辆的共振峰值频率集中在70Hz，应用SolidWorks、Maxwell等软件并结合理论计算进行建模，设计电磁俘能柱，模型尺寸为直径32mm，高61mm，俘能发电柱剖视图如图1所示，主要由线圈组件、外壳、顶盖、压簧、铷錋永磁铁等组成。对该装置进行电能仿真测试，如图2所示，在70Hz时，振动机械能转换为电能约为25～35mW。

3.2俘能发电与供电分析

从表1可知CC2630芯片工作直流电压为1.8～3.8V，工作电流最大值为9.1mA（+5dBm时），选取该芯片工作最大电压和电流值，计算得到其工作功耗最大值为34.58mW。由上文俘能发电仿真分析可知该综合测试车振动机械能转换为电能约为25～35mW，满足CC2630芯片功耗需求。

4结语及展望

通过上述芯片参数和俘能发电仿真分析，初步证明轨道交通振动俘能发电为无线传感器节点芯片供电的可行性。利用轨道振动能量的俘能发电技术不仅可以解决无线传感器节点芯片的供电问题，而且顺应科学技术发展需要，更符合绿色、智能轨道交通发展要求。随着科技的进步，芯片的功耗将会继续降低，俘能发电效率将会进一步提高，振动俘能发电技术或将成为无线传感技术领域供电最优选择。

作者:陈超 单位:西安铁路信号有限责任公司