挺起中国脊梁 领跑世界速度——中车株洲所助力CR450科技创新攻关纪实

中国中车首席科学家冯江华

铁轨之上，风驰电掣。2024年12月29日，北京，CR450动车组样车震撼发布，标志着中国速度实现再次飞跃。作为中国高铁的最新力作，CR450动车组以其时速400公里的雄姿，不仅刷新了世界高铁速度极限，更以其卓越的性能和创新的技术，在长空下镌刻出中国创新的璀璨轨迹，也向世界展示了中国高铁的领跑之姿。

而这场时速革命的背后，中国中车首席科学家冯江华领衔的研发创新团队发挥了重要作用。他们以数十年砥砺的坚韧与执着，深耕研究列车的“心脏”和“大脑”，从为CR450动车组铸就“强劲心脏”，到构建自主进化的“智慧大脑”，将实验室里的每个假设、图纸上的每条曲线，熔铸成挺立世界的科技脊梁。

永磁动力，铸就“强劲心脏”

2021年，国家启动CR450科技创新工程，提出8个“更”的顶层要求：更高速、更安全、更环保、更节能、更智能、更自主、更可持续、系统更优，并要求在时速400公里运行时，牵引能耗与CR400时速350公里持平。

这些硬指标，决定了CR450动车组必须拥有一颗更强劲的“心脏”。冯江华及其团队研制的永磁牵引技术，成为解决这一需求的不二之选。

永磁同步牵引系统作为轨道交通下一代牵引系统的主流产品，与传统异步电机牵引系统相比，具有更加小型化、轻量化和节能的突出优势。

具有前瞻性的是，这项前沿核心技术，中车株洲所早在2003年就已开始布局，并由冯江华牵头组建国内第一支永磁牵引系统研发团队，率先探索永磁牵引技术的升级换代。

然而，理想要转化成现实，看似咫尺，实则遥远。

彼时，永磁牵引技术属于前瞻性核心技术，当时在全球尚处于起步阶段，完全没有标杆可寻。团队成员不但没有接触过，就连研究的对象也仅是一个概念。

从零开始，挑战未知。缺乏借鉴资料，团队拿着为数不多的资料反复钻研；没有验证平台，团队“白手起家”搭建起永磁试验平台。

“在异步时代，我们是追赶者；在永磁时代，我们要做竞跑者，抢占制高点。”冯江华的话，激荡起团队自主创新的豪情和雄心。

在酷暑与寒冬的交替中，研发团队埋头苦干，一次实验往往需要五六个小时，甚至更长时间。大家24小时轮番蹲守在实验室，记录每一个细微的数据变化。

“为了让系统更平稳可靠，我们甚至主动求败。”冯江华告诉记者，团队经常在做试验的时候，故意设计一些试验场景去经历失败，例如为了获取永磁失效数据，主动开展一些破坏性试验，通过长期高温测试，验证系统失磁状态。

为打造更宽速域、更高效率的系统方案，冯江华带领团队开展了高速主动弱磁控制技术攻关。关键的攻关期正值八九月份，此时的湖南潮湿、闷热，整个试验室就像一个大蒸笼，最高温度达40多摄氏度。团队日夜轮流蹲守，认真盯控每一个细节、数据，浑然不觉已是汗流浃背。经过百余次技术对比、试验验证，最终兼具高效率、高动态响应、宽速域的永磁电机弱磁技术，就在这样的“桑拿房”诞生了。

针对强电磁环境下位置传感信号毫伏级失真引发系统失控的风险，团队开发了永磁位置辨识技术，这就像给永磁电机的控制基准（位置信号）装上了“眼睛”。但是，该技术的开发并非一帆风顺。研究初期，永磁电机在零低速阶段位置辨识误差超过3°，系统难以实现稳定运行，为此，冯江华创新提出了全速度段永磁位置多模融合辨识方法，确保位置辨识误差在1°以内，消除了对硬件传感器的依赖。

“动力带速重投”是永磁牵引应用于高铁必须实现的功能之一，其关键点在于重投时，变流器输出电压要与永磁电机固有反电势快速精准匹配，不然会造成电流冲击过大，甚至变流器损坏。

在多次尝试重投失败后，团队决定重新设计控制算法。为加快开发进度，团队在办公室支起行军床，白天泡在试验站，晚上继续在办公室复盘，困了就在行军床上打盹，饿了就啃几口面包或方便面，两个多月夜以继日的奋战，团队成功摸索出“动力一拍重构”算法，解决了永磁电机在任意转速下平顺无冲击重投难题。

经过近十年的努力攻关，2011年底，永磁同步牵引系统在沈阳地铁二号线列车成功装车，实现了国内轨道交通领域的首次应用，填补了国内轨道交通业没有永磁系统的空白，打破了国外技术垄断，装车应用五个月，列车完成了7000公里系统零故障正线试验运行，实测节能10%以上。2013年，团队开发的230kW地铁车辆永磁同步电机成功应用于长沙地铁，同等安装空间下相比异步电机，功率提升20%。

然而，“永磁高铁”才是冯江华心中的制高点。依托863重大专项高速列车永磁同步牵引系统子课题研究，团队成功开发出690kW国内最大功率高速动车组用永磁同步牵引电机牵引系统，电机功率密度超过1kW/kg，比主流异步电机功率提高60%，电机损耗降低50%。2014年，系统成功装车考核。

2015年6月24日，团队迎来了最为紧张的时刻——“永磁高铁”在北京环铁试验基地进行首件鉴定。当鉴定现场单台电机的功率显示达到690千瓦的时候，全场沸腾了！这意味着，我国成为全球少数几个掌握高铁永磁牵引技术的国家之一，中国高铁动力技术的“永磁时代”来了。

同年，永磁高铁在大西线迎来线路试验，由于轨道坡度大，系统长时间运行在满手柄牵引、满手柄制动等极限工况下，只跑了几个回合，电机温度飙升逼近安全极限，被“扒下来”两次。团队的自信心因此遭受重创，一些人想就此放弃。

面对困境，冯江华没有退缩，他连续两个星期组织技术研讨会，设计了两套解决方案，并逐一进行试验对比，前后花了3个月设计的最优方案，终于重新装车。列车在试验线路上跑了一整天，最高时速达380公里，没有任何问题。“多亏了冯总，问题一个个都解决了。”团队核心成员文宇良回想这件事，满心敬佩。

2019年，在国家科学技术奖励大会上，冯江华主持完成的“轨道交通永磁牵引系统关键技术研究与应用”项目，荣获国家技术发明奖。这一成果被视为开启了中国3.0版高铁时代，冯江华也被业内誉为我国高铁永磁牵引技术的开拓者。

时间来到2021年，尽管团队前期积淀了丰富的应用经验，但得知要为CR450装上永磁“心脏”，团队成员兴奋之余又有些担忧。

永磁牵引传动系统在更高速牵引领域还面临永磁电机绝缘故障诊断与主动安全控制的挑战。

如何破局？立项以来，冯江华带领团队持续开展CR450永磁牵引系统故障诊断研究与验证，探索出永磁电机匝短、相短等极端故障精确诊断与主动安全保护策略，首次形成了完善的永磁牵引控制逻辑、保护措施、应急处置分层分级管理办法，确保CR450动车组永磁牵引系统的安全可靠。

2023年6月28日，福建湄洲湾跨海大桥上，两列搭载永磁动力的综合检测试验列车风驰电掣般交会而过，创造了双向正线交会试验时速891公里世界纪录，标志着时速400公里永磁牵引技术完成线路验证。

那一刻，欢呼声四起，所有的汗水与付出都化作了胜利的喜悦。高铁永磁技术再突破，持续巩固高铁技术在世界的领跑优势，树立起高铁速度新标杆。

高效变流，打造“能量转换核芯”

作为高速列车电气系统的核心部件，变流装置不仅是电能可控变换与分配的关键所在，更是列车高效运行的“能量转换核芯”。在CR450动车组的研发过程中，面对牵引变流器功率提高20%，重量却要降低19.7%的极限指标，对变流装置的设计思路和技术手段进行根本性创新成为破题关键。

所幸的是，为率先突破这一技术瓶颈，早在2015年，冯江华就提出打响核“芯”技术攻坚战，研制集成IGBT芯片、散热器、传感器、控制器等部件于一体的智能化集成功率组件（PCU），构建基于底层芯片的不可复制的技术门槛和技术优势，为轨道交通牵引变流系统提供最优的解决方案。

“一代器件决定一代装备，只有实现列车核心功率单元的技术引领，才能带动产业链技术升级。”回忆起这一路追“芯”探路的奋斗历程，项目负责人杨进锋说，团队目标清晰但又困难重重。

PCU最初作为一种原始创新，业内没有任何标杆可参考，在全球领域都是空白，团队成员感受到了前所未有的压力与迷茫。也因此，在只有产品设想的初期，研发团队开展了大量“头脑风暴”，反复进行激烈讨论，同时不断在实验室和生产车间设计、验证构想。在这个过程中，数不清推翻过多少次设计构想，记不得尝试了多少种工艺方法，想不起经过了多少次试验迭代。

与从1到N的创新相比，从0到1的突破尤为艰难，团队经历了一场又一场硬仗。从2015年完成第一代PCU原型样机开发，到2019年1.0版本装车运行，到2022年2.0产品的工程化应用，再到2025年推动PCU产品的智能化升级，这看似简单的几次升级和跨越，却跌跌撞撞、摸爬滚打地走了漫长的十年，刷新了中车株洲所研发周期纪录。

十年磨一剑。就是在这样的困境下，团队咬紧牙关攻克了高密度半导体芯片技术、无基板焊接、高压绝缘、高效热管理、集成控制传感等一系列的关键技术，全球首创了基于IGBT芯片集成的智能化功率单元PCU。

“这些超前探索和技术积淀，为CR450领跑世界打下坚实基础。”2022年9月，搭载了PCU2.0的时速450公里动车组牵引变流器完成地面系统联调试验，标志着下一代高速动车组的核“芯”技术攻坚战取得阶段性胜利。与时速350公里复兴号变流器相比，该变流器体积缩小了20%，重量降低了20%，功率密度竟提升了50%。

面对整车极致轻量化指标要求，团队继续想方设法为牵引变流器“瘦身”。传统的牵引变流器的设计会在中间直流环节设置二次谐振回路来吸收电压脉动，不仅会增加重量，还会增加系统复杂性。但取消这一回路则会给直流回路带来二次电压脉动，使牵引电机出现拍频振动问题，严重时会对整车带来行车隐患。

技术团队之前在一些低电压、小功率的场景上开展过取消二次谐振回路的技术探索，但在CR450这种3600V高直流电压、3MW大牵引功率的场景应用中会产生更高的电压脉动，如何保证此时网侧谐波指标满足要求，同时确保机侧逆变控制的稳定性，其中的技术实现难度非常高。

技术团队经过充分研讨后，决定开展“CR450无二次拓扑电机及四象限控制优化”的专项技术研究。在无数个日夜的探索与试验中，团队成员与检测试验站的寒冷与酷热为伴，认真严谨分析每一次试的验波形。

“就像在黑暗中摸索，我们不知道前方是光明还是更深的黑暗。”然而，正是这份坚持与执着，团队终于找到了破解之道。通过全速域中间电压控制和拍频抑制控制策略的优化，以及中间电容的最优配置，团队成功实现了在大牵引功率场景下，软件算法对硬件滤波器的替代。这一技术突破不仅大幅减轻了系统的重量，更提升了整体的能效和稳定性。

“我们不仅掌握了系统轻量化的核心手段，同时也挑战了传统，挑战了自己。”团队负责人侯招文的喜悦之情溢于言表。

在CR450动车组的高效变流系统中，高频辅变技术的应用同样是一个里程碑式的突破。面对既有辅变环节重量大、效率低的问题，团队选择了技术创新这条难走却必走的路。

高频辅变技术通过提升开关频率、缩小变压器体积和重量，为系统的轻量化和高效化提供了可能。然而，这一技术的应用并非易事。高压绝缘、并联输出震荡、启动冲击电流过大等技术难题如同一座座大山，横亘在团队面前。

首次测试时，输入电压仅给到额定的10%，IGBT上产生了400A的电流，而在等比换算额定输入下更将产生接近4000A的电流，这是器件无法承受的。项目团队立即组织软、硬件集中公关，通过原理分析、半实物仿真研究、实验测试，锁定问题点，为高频谐振电路等效阻抗低，启动时首个脉冲引起谐振电容电压突变，产生电流冲击。为此，项目提出了一种变脉宽分段软启控制策略圆满的解决了此问题。并获得授权国家发明专利。

CR450高频辅变系统的成功应用，不仅实现了减重约60%、效率提高4%的显著成效，更将输出电压谐波失真（THD）降低2%，实现了更高效的能量变换。

在连续三个多月的整车和地面验证过程中，团队与高次谐波之间展开了一场场“捉迷藏”般的较量，不断尝试、不断失败、又不断站起来，最终经过二十余轮的实验对比和无数次的优化调整，成功开发了8种共模抑制磁环，锁定了共模与差模相互转换的关键环节。

“那一刻，我们仿佛扼住了谐波源头的‘喉咙’，整个系统终于变得驯服而高效。”一位团队成员兴奋地说。

在CR450动车组的研发过程中，高效变流技术的突破，只是团队众多创新成果中的一个缩影，但正是这些看似不可能完成的任务被一一攻克，才铸就了CR450动车组这颗闪耀在世界高铁之巅的明珠。

网络控制，构建自主进化的“智慧大脑”

列车网络控制系统犹如列车的“大脑”与“神经系统”，负责指挥和协调列车内部数以百计的电子设备、传感器和控制单元高效、精准、稳定地协同工作。而传统列车网络技术在确定性和实时性方面的局限性，尚不能满足CR450动车组对运行速度、安全性、智能化水平的更高要求。因此，为列车构建一个自主进化的“列车大脑”成为当务之急。

这一次，中车株洲所依然勇立潮头、走在前列。株洲所超前布局的时间敏感网络技术（TSN）凭借其确定性传输的核心特征，为构建满足CR450需求的网络控制系统提供了新的解决方案。

团队负责人郝波介绍，回溯中车株洲所网络控制技术的发展历程，从和谐号时代自主TCN技术的研发，到复兴号时代的实时以太网技术的革新，再到如今的TSN技术，中车株洲所始终引领列车网络控制技术发展的潮流。

十余年前，列车网络控制技术尚在传统技术框架内运行时，冯江华就以超前视野，捕捉到这项革新性技术，并组织团队投入探索与攻坚。

“这是一种高确定性网络通信技术，如同一条又直又平坦的‘双向8车道高速公路’，能够确保控制指令在网络上及时、确定地传输到目的地。”他说。

但是，TSN技术的工程化应用并非易事。彼时，全球高速列车尚无先例，支持TSN通信的芯片更是凤毛麟角。面对这一困境，团队没有选择等待，而是决定自行研制基于FPGA的芯片方案，解决卡脖子难题。

芯片研发是一项高度复杂且精密的工作，需要丰富的跨学科知识和实践经验。团队成员们凭着扎实的专业知识和无畏的创新精神，白天分头研究标准，晚上组织反复讨论，有时甚至为了一个小小的技术细节争论得面红耳赤。

经过半年“白天+黑夜”的不懈努力，以及不断的修改、仿真和试验，他们终于攻克了自主TSN芯片IP核技术，并依靠自主研发的软件芯片（FPGA），成功实现了技术的验证与突破。这一成果不仅填补了国内空白，更为TSN技术在列车网络控制系统中的应用提供了核心硬件支持。

在CR450网络控制系统的研发过程中，数据流调度也是团队亟待解决的又一大技术难题。列车内部200多个通信节点和数百条复杂的数据流，如何确保它们有序传输？这需要一套高效的数据流调度算法来为每个报文生成“时刻表”。中车株洲所青年科学家王彧弋形容，这是一个复杂的数学问题，“需要基于可满足性模理论在超高维解空间中探索最优。”

为实现这一目标，研发团队连续数月吃住在实验室，不舍昼夜地进行一轮又一轮优化迭代。他们将复杂网络拓扑抽象为数学模型，提出了基于动态拓扑感知的分布式调度算法，最终实现了全网数据流的“精准调配”，该算法计算性能远超业界同行数倍。

然而，挑战远未结束。高精度时间同步算法技术是时间敏感网络（TSN）高确定性、低延时特性的核心支撑。根据TSN国际标准要求，时间同步精度需控制在1微秒以内，尤其在高速列车对实时性要求极为严苛的应用场景中，纳秒级同步精度成为刚需。针对传统时间同步算法在复杂电磁环境、长距离传输及动态拓扑下的性能瓶颈，团队创新性提出多源融合自适应时间同步算法，将整网时间同步偏差收敛至≤100纳秒，较国际标准提升一个数量级，有效满足列车控制、状态监测等核心业务对纳秒级同步的需求，有效支撑列车网络控制系统的毫秒级响应。

蛰伏十载深耕，团队终于成功为CR450动车组打造了基于TSN技术的列车网络控制系统。这套系统不仅让列车拥有了更敏捷的“神经”与更智慧的“大脑”，也为未来智能交通的星辰大海铺就了坚实的路基。

速度越高，列车安全性挑战更大，需要更先进、完整的安全策略来提升列车主动安全能力。在网络控制系统的研发过程中，主动安全系统的构建同样是一大亮点。为促进高速列车安全保障向“感-知-判-处”一体化和主动安全模式演进，团队决定基于主动安全的事故预防思想，构建一套相对完整且可持续迭代拓展的车载安全监测系统架构。

这一创新设计，不仅是对既有技术的超越，更是对安全理念的深刻践行。团队在主机厂的组织下，从人员、设备、环境、管理四类安全要素入手，结合数万条历史故障的梳理分类，得到了安全相关的125个重要风险要素。通过对这些要素的安全影响和监测技术手段的深入分析，团队确定了CR450动车组上需重点实现的监测节点。

为确保主动安全系统的强兼容性和可持续拓展性，团队采用了电源、主控、存储、数据交换等关键单元的全冗余设计。他们为系统本身设计了全面的三级自检（开机、周期、触发）、自诊断、自恢复项点，并为各个不同监测专业方向的功能组件的接入开展了全面的兼容性和稳定性测试。其中，单是为了模拟产品在各种极限环境条件下的实际工作状态和设计裕量，团队就累计开展了60个关键测点、10种工况的稳定性测试。

这场与安全极限的较量，不仅考验着团队的技术实力，更考验着他们的责任与担当。在无数个日夜的坚守与付出中，团队终于构建起了一套包含列车级车载数据中心、车辆级安全监测设备的车载云-管-边-端主动安全系统架构。这一系统能够对安全风险进行实时研判和预警，在异常运行状态下第一时间做出反应，为列车的安全运行提供了坚实保障。

主动安全系统的成功构建，不仅提升了CR450动车组的安全性，更为中国高铁乃至全球轨道交通的安全运行提供了新的思路和方法。在未来，这一技术有望广泛应用于其他领域，推动高端制造向更加智能化、安全化的方向发展。

汇聚创新力量，铸就跨越辉煌。2025年，CR450动车组样车将投入整车试验验证和试用“大考”。对此，冯江华表示，如果说换装试跑是最后一次“模拟考试”，今年的样车试跑和试验考核将是真正的“高考”，团队将全力以赴，做好各项保障备考，争取拿到最优成绩。

与高铁同行，与时代共振。CR450动车组的问世，标志着中国高铁正式迈入3.0时代。它不仅是中车株洲所科研团队对技术创新无限追求的真实写照，也是中国高铁科技自立自强、不断攀登高峰的生动注脚，就如同一颗璀璨的明珠，照亮了中国高铁的未来之路，也向世界展示了中国智慧和中国力量。

作者：郭丹

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