论文|国外新型高速动车组技术现状与发展趋势

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

张波，中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所

高翔，中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所

黄金，中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所

陈波，中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所

0 引言

高速铁路作为铁路运输现代化的龙头，是铁路行业技术发展水平的综合体现。近年来，得益于技术创新和需求提升的双重驱动，全球高速铁路行业面临巨大的发展机遇。德国、法国、日本等传统高铁强国纷纷推出新一代高速列车产品，其产品各具特点且采用了许多世界领先的优势技术。面对激烈的国际竞争，我国明确提出“交通强国建设”要求，将轨道交通提到战略性高度，并做出“推动时速400公里级高速铁路关键技术研发”的部署。因此，亟需对国外技术发展趋势进行总结，并结合当前我国铁路发展实际需求，对高速动车组技术发展方向提出建议，加快轨道交通行业创新突破，为推动我国铁路行业高质量发展提供支撑。

1 德国

德国最具代表性的高速动车组是城际特快列车（InterCity Express，ICE）。1988年，ICE-V试验列车研发成功；此后，德国逐渐形成以ICE1、ICE2、ICE3、ICE4为代表的系列高速动车组。ICE系列高速动车组均由西门子公司制造，其中ICE1、ICE2采用动力集中方式设计，ICE3首次采用动力分散方式设计以适应高速运行。

目前，运营中的最新一代ICE主力车型为ICE4，其在减自质量、降成本、环保、舒适性等方面提出了较高要求；Velaro Novo则是西门子公司正在研发中的新一代动车组技术平台，以降低全生命周期成本、轻量化、增加定员为目标。ICE4与Velaro Novo的设计理念不仅反映德国铁路股份公司（Deutsche BahnAG，DB）作为运营商对动车组性能的需求，也反映西门子公司作为一个主机制造企业对未来车型的思考，具有一定代表性。

1.1 ICE 4

ICE4是西门子公司为DB开发，用于逐步替换ICE1、ICE2的新一代动车组（见图1）。其中，12节编组的动车组于2017年12月投入使用；7节编组的动车组于2020年12月交付。ICE4在DB内部的定型编号为412型，其主要特点如下。

【灵活可变编组】

ICE4实现了在一个技术平台下的灵活可变编组，以适应不同加速度、速度、定员要求的乘客运输任务。ICE4可实现5~14节的任意组合，最高运行速度达280km/h。其中，7节和12节编组为基本型，最高运行速度分别为230km/h和250km/h，2列7节编组动车组可实现重联运行。ICE4主要技术参数见表1。

【创新驱力方案】

ICE4的牵引系统采用“动力包”的创新驱力方案开展模块化和集成化设计（见图2），1个牵引单元的主要部件包括变压器、冷却设备、变流器、牵引电机等，均集成于1辆动力车并安装于车厢下方。该系统由西门子公司和庞巴迪公司联合开发，通过改变列车编组中动力车的数量和动拖车比例，即可改变整车的牵引功率，实现不同速度等级运行，保证列车编组的高度灵活性。

【SIBAS PN】

SIBAS PN是西门子公司继SIBAS 16、SIBAS 32之后研发的第3代产品。其中，SIBAS为西门子铁路自动化系统，PN为用于通信控制技术的Profinet协议。

SIBAS PN的通信网络由列车网络ETB列车总线和车厢网络总线Profinet构成，2种网络均基于快速以太网（100Mbits/交换以太网），效率高、冗余足。各个车辆具有单独的控制单元，保证了车辆独立性。借助SIBAS PN，ICE4的头车可对编组内任意1节车厢进行单独控制。该架构可允许替换编组内的任意车辆，是实现动车组灵活编组的基础。SIBASPN结构见图3。

【长车体设计】

ICE4动车组采用28m长的车体，比传统ICEVe⁃laro增加了3m。与常规8节编组200m长的列车相比，ICE4可减少1节车厢，从而减少通过台、车下设备和转向架的数量，增加了座位和可用空间，且有利于牵引系统集成。同时，动车组的整个乘客区采用模块化布局，可随意改变配置。车厢内减少了电气柜，进一步增大可使用空间。所有内饰均采用模块化设计，座位安装于地板滑轨，运营商可针对需求快速作出调整。

【舒适性优化】

ICE4在服务车厢内为带小孩乘客辟出家庭区域，为自行车爱好者预留存放区域；新研发座椅经人体工程学设计，提高了乘坐舒适度；车厢采用大型全景车窗（1924mm×780mm），确保良好采光；内部照明系统的颜色和亮度可根据季节、昼夜变化自动调节，匹配自然光变化；为方便行动受限人士出行，多功能车厢提供轮椅区域，该区域位置紧邻轮椅升降机和通用宽敞洗手间，地板配备触敏引导系统，以帮助盲人或视障乘客。

【动力转向架】

ICE4的动力转向架是西门子公司在SF500基础上设计的（见图4），优化了质量，可满足对轴承负载和牵引力的较高要求。拖车转向架基于庞巴迪FLEXXEco转向架技术，针对高速运输进行了优化。拖车转向架的特点在于轴承内置化，即轴承和框架部件位于轮对的轮盘内。该结构大大降低了车体质量、减小了相关部件尺寸，与ICE3相比，7节编组的ICE4动车组质量降低约20t。受益于轻量化设计和改善的车体空气动力学性能，ICE4动车组能耗明显降低，与ICE1、ICE3相比，能耗分别降低22%、15%。

1.2 Velaro Novo　

Velaro Novo是西门子公司Velaro技术平台最新一代的高速动车组（见图5）。2012年开始研发，预计2023年商用。目前，西门子公司已制造了1辆样车，编组在德铁的ICE综合检测列车中进行相关测试。

Velaro Novo继承了ICE4的设计理念，通过同一个平台内的不同配置，以适应280~360km/h不同速度等级的要求，并且提出了更高的顶层指标（见表2）。

Velaro Novo特点之一是进行了大量的空气动力学优化工作，通过车顶平顺化、受电弓下沉、高压器件部分进入高压箱等措施，实现整车能耗降低10%。动车转向架和拖车转向架均采用轴箱内置式方案，并通过全包转向架，实现整车能耗降低15%。

Velaro Novo牵引、辅助变流器采用碳化硅器件，牵引电机采用永磁电机，在降低质量的同时，提高牵引系统效率，实现整车能耗降低5%。

制动系统采用全新优化方案：（1）未配置轮盘制动，为实现高速下紧急制动性能要求，增加了踏面制动；（2）充分发挥永磁电机优势，结合再生制动、电阻制动，电制动功率可达牵引功率的1.5倍，在正常运营情况下实现全速度范围内电制动，大幅减少闸片磨耗。其中，电阻制动布置于车顶，仅用于常用制动的补充。

为提高定员，Velaro Novo一方面将车长增至29m，另一方面在车体上实现了“空管”概念，电气柜小型化，布置于车顶和端墙，释放出更多车内空间（见图6）。另外，通过内装型材和布局优化，使列车在车体变窄的条件下，车内可用空间反而增加（见图7）。

2 法国

法国自1978年制造出第1列TGV高速列车以来，至今已发展到了第4代。法国最新1代列车于2015年12月开始研发，该车型最早被阿尔斯通公司命名为“AveliaHorizon”，后被法国国营铁路公司（简称法铁）正式命名为TGV-M（见图8），“M”代表“现代”或“模块化”。根据计划，该车型于2023年起分期交付，取代自1996年起使用的TGV-DUPLEX双层列车。Avelia是阿尔斯通公司最新一代的高速列车技术平台，继承并发展了TGV和AGV系列高速列车的技术优势。

TGV-M动车组研发方向关注重点包括大载客量、低运营维护成本、环境友好、现代化乘客服务系统等，未采用AGV列车的中间动力转向架技术，而是采用双层铰接式动力集中设计。动力车采用紧凑型设计，可配备7~9节拖车，在2M9T编组条件下车长202m，使其在同样长度条件下增加了1节拖车。动车组全列采用轻量化设计，动力车和拖车轴重均不大于17t，其主要参数见表3。

TGV-M最初计划用于法国国内线路，但其同时满足国际运营条件。通过适当改装，该列车可在荷兰、卢森堡、德国、瑞士、意大利、西班牙等国运营，其关键特点包括：

（1）节能、全生命周期成本低。TGV-M被法铁描述为历史上最环保的TGV，动车组能耗降低20%，碳排放量降低37%，可回收利用部件高达97%，列车采购成本降低20%、维修成本降低30%。

（2）采用模块化设计，可灵活编组数量和座椅布置。列车可根据需求，最大化调整车厢数量，头等车厢与二等车厢之间可实现重新配置等。

（3）改善乘车体验、优化客运服务。载客量增加约20%，可提供全面实时的行程信息，实现车内区域无障碍通行，方便乘客上下车等。

3 日本

日本是第一个开通高速铁路的国家，其高铁技术以新干线为代表，最高运营速度320km/h。日本拥有多达十几种高速列车型号，是列车种类最多的国家，全部采用动力分散形式。经过多年发展形成两大系列：（1）以百位数字表示的高速列车，从0系开始，发展出100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系、N700系，最新车型为N700S；（2）E系高速列车，包括E1、E2、E3、E4、E5等型号。

日本铁路在发展中始终贯穿轻量化、节能环保、模块化设计、低维护成本等理念。为满足国内运营需求，新干线动车组对于质量、阻力、噪声、舒适性、安全性（特别是地震时）等指标有较高要求；同时，为保持新干线在与航空运输业的竞争中始终处于优势地位，日本铁路公司积极推动新型动车组研发，通过产品迭代，不断引入新技术，进一步提高舒适性和经济性。因此，日本动车组更新换代速度非常快，部分车型在退役时使用年限尚未达到25年。

3.1 N700S

N700S由日本JR东海铁路公司主导研制，2018年3月试运行，2020年7月投入运营。“N700S”取Su⁃preme首字母“S”，意为N700系的顶级车辆。该车型是继2013年推出N700A后，JR东海铁路公司研制的第6代新干线车辆，其主要参数见表4。

N700S设计沿用了N700系的外型风格，改进了空气动力学流线设计，采用长流线背鳍头型，车体更平滑，降低了隧道微气压波和车外噪声，减少了列车运行阻力和尾车摇晃。

N700S在轻量化和降低能耗方面比较突出，最大轴重11t，质量为700t。与N700A相比，整车质量降低13t，其轻量化设计项点见表5；能耗降低约6%（见图9）。

N700S主变流器采用半导体器件碳化硅（SiC），具有发热小、高速关断、高频率、低损耗等优点。结合自主研发的走行风冷却技术，主变流器大幅小型化和轻量化，能够与主变压器一起安装于同一型号车辆，可实现动车组车底设备的优化配置。牵引电机由4极增至6极，进一步小型化、轻量化。

N700S在设计中还提出“标准车辆”理念，通过设备的小型化、轻量化设计，合理配置地板下设备，按照是否安装主变压器来简化标准车辆结构，易于形成多种编组（见图10)，车辆种类从8种减至4种，便于实现8节、12节、16节等多种编组形式，适应不同线路需求。

3.2 ALFA-X

ALFA-X是JR东日本公司主导，川崎公司和日立公司参与研制的用于测试前沿技术的高速试验列车，造价约合6亿人民币。该车型于2019年5月13日起开始为期3年的整车型式试验，计划以400km/h进行测试，后期运营速度为360km/h。

ALFA-X为10节编组全动力车，平均轴重12.4t，最大轴重13.1t。ALFA-X对整车空气动力学性能进行优化，采用超长前鼻，两端头车采用不同气动外形（见图11）：1号车设计考虑抑制高速驶入隧道时的微气压波，长度约16m；10号车采用流线长度约22m的超长设计。

另外，对翼型受电弓整流罩进行优化，同时为提高列车抵抗积雪和适应低温环境的能力，在转向架上设置导流以减少积雪（见图12）；舒适性方面，采用主动式悬挂与气动摆式机构；轻量化方面，采用SiC牵引变流器，并通过自然风冷方式减少冷却风机数量；可靠性方面，通过车载布置大量状态检测测点，实现列车健康管理和精准预防修，并搭载高效能电池用以实现应急牵引自走行。

ALFA-X采用“地震-制动控制模式曲线”，可缩短地震时的制动距离。同时，在车顶设置“空气阻尼制动翼”作为风阻制动（见图13），在车底搭载线性涡流制动装置，仅在发生地震的紧急情况下使用。在初速360km/h时，紧急制动距离可大幅降至4300m（纯空气）和4000m（纯空气+风阻）。

4 高速动车组技术发展趋势 

（1）对更高速度的追求。速度是高速铁路区别于传统铁路的主要特征，更是高速铁路研究的核心内容。近年来，随着技术的创新与应用，世界各国铁路运营速度均有不同程度的提升，将新型高速动车组运营目标速度定为350km/h或360km/h，试验速度定为400km/h或更高，研究重点放在解决由速度提升造成的阻力、能耗、噪声加剧等问题。未来速度提升仍将是世界高速铁路发展的主要趋势。

（2）发展更注重经济性。经济性是铁路行业持续健康发展的基础。在保证安全可靠的基础上，综合考虑高速动车组的经济效益，实现研发、制造、运维各环节的全生命周期成本最优，有利于高速铁路高质量、高效益发展。同时，作为高铁运输系统中的主要耗能设备，动车组能耗对高铁运营成本也有重要影响。各国动车组将成本降低作为设计的主要目标之一，如Velaro Novo采用优化牵引传动系统、空气动力学优化等技术，使能耗降低30%；采用模块化设计、设备布置优化等措施，使整车采购成本降低20%、维护成本降低30%。

（3）灵活适应用户需求。为了达到吸引客流的效果，高速动车组乘坐舒适性也是技术发展考虑的重要因素之一。各国采取各种措施优化列车运行舒适度，如从人机工学角度，优化动车组内部结构，包括增大车窗、增加自动调节车内光线、温湿度和压力等装置；安装减振控制装置；为弱势群体提供更多便利，包括增设轮椅存放区域、专用卫生间、盲文识别等；车内设备小型化，进一步扩大乘客的可用空间，如Velaro Novo的“空管”结构设计等。

（4）智能化发展。智能化是未来铁道机车车辆的重要发展方向。近年来，德国、法国、日本等相继提出智能高铁发展战略，在列车控制、安全监测、乘客服务等方面开展系列创新实践。高速智能动车组以信息全方位感知、数据融合处理、科学决策为手段，采用物联网、云计算、大数据、人工智能、5G通信等先进技术，实现动车组自主感知、自动运行、自监控、自诊断、导向安全自决策、健康管理自保护等功能，可大幅提高动车组的安全性、经济性和舒适性。

5 我国高速动车组关键技术突破建议

（1）车体轻量化技术。相对于传统轨道车辆车体设计方法，轻量化设计能够降低能耗，提高动车组的运用经济性，代表了动车组工业设计的技术水平。

（2）降低气动阻力。动车组在高速运行时气动阻力随运行速度提升呈平方关系激增，因此，降低高速列车气动阻力是进一步提高动车组速度、降低能耗和噪声需要解决的关键问题。

（3）高效牵引传动技术。目前，牵引传动技术正在向大功率、高效率、轻量化、小体积、高可靠性和低成本方向发展。

（4）修程修制优化。目前，各国正逐步推动动车组从定期修向状态修转变，并研究智能化技术在动车组运维中的应用，希望通过故障预测与健康管理（PHM）技术，对动车组的状态进行预测，实现由预防修向预测修或状态修转变，减少过度维修，降低养护维修成本，不断提高状态修、经济修技术水平，从而降低成本。我国新型动车组的开发应更加注重修程修制正向设计，在产品设计阶段就统筹考虑制造成本和运维成本，合理确定可靠性指标，实现全生命周期成本（LCC）最优化。

（5）模块化设计与灵活配置。近年来，各国新研制的车型均引入“标准车辆”概念，在设计中采用模块化和高度灵活的设计理念。

6 结束语

综上所述，未来高速动车组将在综合考虑节能环保、安全舒适、经济性的前提下，追求运营速度的进一步提升。目前，世界高铁技术处于先进行列的国家均在持续开展技术的不断迭代，研制下一代高速动车组，国际高速铁路市场竞争日益激烈。这些新型装备在绿色环保、效率提升和智能运维方面均达到较高的技术水平，在创新理念和新技术等方面具有一定的参考借鉴意义。

近年来，我国铁路行业飞速发展，实现从追赶到引领的转变。持续推进高速铁路装备技术水平的发展，有利于提升我国科技创新能力和国际影响力，保持我国高铁技术领先优势，带动我国铁路行业产学研用创新体系完善和产业链持续健康发展，对于促进铁路高质量发展和率先实现铁路现代化具有重要战略意义。目前，面对竞争剧烈的国际市场，我国已启动时速400公里等级高速动车组研制工作，铁路行业应把握高速铁路的发展机遇，围绕着速度提升开展系列关键技术的研究与验证，为引领世界高速铁路发展奠定坚实的技术支撑。

来源：《中国铁路》编辑部