杜昕

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756）

混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

杜昕

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756）

為研究一類(lèi)帶有車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的新型城市軌道交通用混合動(dòng)力列車(chē)，模擬列車(chē)在設(shè)定線(xiàn)路上的運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)。根據(jù)混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行特征，以及各模塊間相互獨(dú)立、視圖數(shù)據(jù)相互分離的設(shè)計(jì)思想，對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能模塊劃分，然后詳細(xì)闡述關(guān)鍵模塊及算法的實(shí)現(xiàn)方法，包括列車(chē)牽引解算、能量管理策略和車(chē)載儲(chǔ)能解算。最后基于MFC框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)仿真實(shí)例驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題（No.2015X008-A）

0 引言

帶有車(chē)載儲(chǔ)能裝置的城市軌道交通用混合動(dòng)力列車(chē)具有運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路供電方式靈活、綠色節(jié)能的特點(diǎn)，有廣闊的研究與應(yīng)用前景[1-2]?；旌蟿?dòng)力列車(chē)是一個(gè)涉及電氣、機(jī)械、控制等多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)，可為用戶(hù)進(jìn)行列車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)與分析研究工作提供平臺(tái)，具有重要的科研和實(shí)際意義。

針對(duì)列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，國(guó)外起步早且有一些系統(tǒng)已投入商業(yè)應(yīng)用，如北美Systar的RailSim系統(tǒng)[3]、瑞士聯(lián)邦研究院的Opentrack系統(tǒng)[4]、日本交通控制實(shí)驗(yàn)室的UTRAS系統(tǒng)[5]等。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)多用于科研試驗(yàn)，如西南交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的列車(chē)駕駛仿真器[6]、北京交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真測(cè)試半實(shí)物平臺(tái)[7]等。這些機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的列車(chē)仿真平臺(tái)，仿真對(duì)象主要是普通機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組列車(chē)等。而對(duì)含有多種動(dòng)力源的新型混合動(dòng)力列車(chē)的運(yùn)行仿真研究，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段[8]。

本文以基于“接觸網(wǎng)+車(chē)載儲(chǔ)能裝置”動(dòng)力源的混合動(dòng)力城軌列車(chē)為對(duì)象，設(shè)計(jì)列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)的表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層三層功能架構(gòu)，開(kāi)發(fā)面向?qū)ο蟮膯瘟熊?chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)。本文介紹了仿真系統(tǒng)的框架及功能模塊，并分析了牽引解算、車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)解算及能量管理策略等關(guān)鍵問(wèn)題，最后在Visual Studio 2008環(huán)境下使用C++/MFC進(jìn)行了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，并以一段有軌電車(chē)試驗(yàn)線(xiàn)路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 混合動(dòng)力列車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行分析

本文研究的混合動(dòng)力列車(chē)由接觸網(wǎng)與車(chē)載儲(chǔ)能裝置作為動(dòng)力電源為列車(chē)運(yùn)行提供能量，通過(guò)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)列車(chē)運(yùn)行，列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在有接觸網(wǎng)區(qū)段時(shí)，可由接觸網(wǎng)或車(chē)載儲(chǔ)能裝置向列車(chē)供給能量，接觸網(wǎng)可向車(chē)載儲(chǔ)能裝置提供能量進(jìn)行充電，列車(chē)處于制動(dòng)工況時(shí)，產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量按照一定分配策略回饋到車(chē)載儲(chǔ)能裝置或接觸網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收；當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段時(shí)，車(chē)載儲(chǔ)能裝置向列車(chē)供給能量，確保列車(chē)的運(yùn)行；停站時(shí)站內(nèi)地面充電裝置可向車(chē)載儲(chǔ)能裝置充電。綜上分析，混合動(dòng)力列車(chē)較普通列車(chē)有更多種能量流動(dòng)方式。因此，在運(yùn)行仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要建立合理的混合動(dòng)力列車(chē)解算模型，并給出恰當(dāng)?shù)哪芰糠峙洳呗裕茨芰抗芾恚?，以更加?zhǔn)確合理地模擬混合動(dòng)力列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程。

圖1 混合動(dòng)力列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)目的是針對(duì)城市軌道交通的實(shí)際線(xiàn)路情況模擬混合動(dòng)力列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程，研究列車(chē)運(yùn)行速度影響因素、列車(chē)優(yōu)化操縱方法、能量管理策略等問(wèn)題，為新型混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行優(yōu)化和能量管理的研究提供平臺(tái)，為工程設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)等部門(mén)的列車(chē)動(dòng)力性能設(shè)計(jì)、車(chē)線(xiàn)耦合校驗(yàn)等工作提供較為精確的列車(chē)運(yùn)行參數(shù)。

混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)主要由仿真參數(shù)設(shè)置、列車(chē)仿真運(yùn)行和仿真結(jié)果輸出三大模塊組成?；旌蟿?dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)根據(jù)其開(kāi)發(fā)目的與設(shè)計(jì)需求，遵循面向?qū)ο筌浖こ痰乃枷耄捎媒y(tǒng)一建模語(yǔ)言，通過(guò)一個(gè)主控對(duì)話(huà)框?qū)崿F(xiàn)各模塊的切換和調(diào)用，系統(tǒng)包含的所有模塊構(gòu)成了混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)。采用三層架構(gòu)模型對(duì)混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，如圖2所示，系統(tǒng)分為表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層三層。

圖2 混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)功能架構(gòu)

3 表示層模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)模型，表示層包含模塊主要實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路數(shù)據(jù)和列車(chē)數(shù)據(jù)文件處理功能、仿真配置功能以及仿真結(jié)果輸出功能，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)仿真場(chǎng)景設(shè)定和數(shù)據(jù)交互的需求。

線(xiàn)路數(shù)據(jù)體現(xiàn)了混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行的線(xiàn)路狀況。用戶(hù)掌握的線(xiàn)路數(shù)據(jù)的來(lái)源和格式可能不盡相同，為保證數(shù)據(jù)格式的一致性和線(xiàn)路數(shù)據(jù)的安全性，線(xiàn)路數(shù)據(jù)配置模塊采用固定格式的線(xiàn)路數(shù)據(jù)文件以供用戶(hù)仿真調(diào)用。

線(xiàn)路數(shù)據(jù)配置包含以下信息要素：工務(wù)線(xiàn)路數(shù)據(jù)（如線(xiàn)路坡道信息、曲線(xiàn)信息等）；線(xiàn)路設(shè)施數(shù)據(jù)（如車(chē)站信息、路口信息）；線(xiàn)路限速數(shù)據(jù)；供電方式信息（包括接觸網(wǎng)供電、車(chē)載儲(chǔ)能供電2種方式）。

列車(chē)動(dòng)力集成設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)列車(chē)及車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的輸入和列車(chē)文件的生成，主要包括列車(chē)參數(shù)配置和儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。列車(chē)動(dòng)力集成設(shè)計(jì)模塊功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

列車(chē)整車(chē)參數(shù)配置提供列車(chē)基本參數(shù)的錄入功能和牽引特性計(jì)算功能。列車(chē)基本參數(shù)包括編組載重、基本運(yùn)行阻力公式、最高運(yùn)行速度、列車(chē)加/減速度、機(jī)電效率、輔助功率、齒輪傳動(dòng)比等；牽引特性計(jì)算功能可以根據(jù)列車(chē)加/減速度等參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算出列車(chē)的牽引/電制動(dòng)特性曲線(xiàn)[9]、過(guò)坡能力、加速度特性等信息，幫助用戶(hù)初步驗(yàn)證所配置列車(chē)動(dòng)力性能。

圖3 列車(chē)動(dòng)力集成設(shè)計(jì)模塊功能

儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)配置主要完成儲(chǔ)能裝置參數(shù)、DC/ DC變換器參數(shù)、能量管理策略參數(shù)的設(shè)定，以及粗略校驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量等功能。為提高軟件的通用程度，系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能裝置的類(lèi)型選擇提供動(dòng)力電池與超級(jí)電容兩種。儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)主要包括車(chē)載動(dòng)力包的額定電壓、額定容量、最大充放電電流、電量使用范圍等；儲(chǔ)能系統(tǒng)特性主要包括充放電特性、內(nèi)阻特性、充放電效率特性等；DC/DC變換器參數(shù)主要是DC/DC變換器的效率；容量校驗(yàn)根據(jù)所配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，設(shè)定容量校驗(yàn)計(jì)算用的平直道線(xiàn)路長(zhǎng)度和目標(biāo)速度，按照最大能力運(yùn)行策略 （即最大牽引力起車(chē)、貼近目標(biāo)速度勻速運(yùn)行、最大制動(dòng)力停車(chē)）運(yùn)行計(jì)算，驗(yàn)算所配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)電量是否滿(mǎn)足運(yùn)行所需能耗。

仿真運(yùn)行配置模塊提供待仿真車(chē)線(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇及相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)定功能。該模塊方便用戶(hù)調(diào)整仿真參數(shù)，簡(jiǎn)化重復(fù)性仿真的工作量。相關(guān)仿真參數(shù)包括線(xiàn)路、列車(chē)方案設(shè)定，運(yùn)行策略設(shè)定，停站設(shè)定，停站充電設(shè)定，路口停車(chē)設(shè)定，車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)初始化設(shè)定等。

運(yùn)行策略設(shè)定提供最大能力運(yùn)行、準(zhǔn)點(diǎn)節(jié)能運(yùn)行、惰行節(jié)能運(yùn)行等列車(chē)運(yùn)行策略[10-11]。停站設(shè)定提供仿真線(xiàn)路中的車(chē)站是否停車(chē)及停車(chē)時(shí)長(zhǎng)的設(shè)定接口。停站充電設(shè)定提供停車(chē)車(chē)站停車(chē)時(shí)是否在對(duì)車(chē)載儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電及充電量的設(shè)定接口。路口停車(chē)設(shè)定提供仿真線(xiàn)路中的路口是否停車(chē)及停車(chē)時(shí)長(zhǎng)的設(shè)定接口。車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)初始化則主要包括仿真初始電量的設(shè)定。

仿真結(jié)果輸出模塊提供仿真輸出結(jié)果的圖線(xiàn)展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與評(píng)估、輸出格式轉(zhuǎn)換、結(jié)果打印等功能，方便用戶(hù)查看和輸出仿真結(jié)果。輸出結(jié)果圖線(xiàn)展示功能可選擇顯示列車(chē)運(yùn)行速度、能耗、SoC（State of Charge）、電流、牽引/制動(dòng)力等參數(shù)曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)可設(shè)置為距離或時(shí)間。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與評(píng)估功能可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)運(yùn)行區(qū)間全程的時(shí)間、能耗、平均速度、平均電流等信息，極大簡(jiǎn)化用戶(hù)對(duì)仿真結(jié)果的處理工作。輸出格式轉(zhuǎn)換功能可將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)以Excel表格等形式進(jìn)行輸出，方便用戶(hù)調(diào)用。結(jié)果打印功能可實(shí)現(xiàn)以上圖線(xiàn)、表格的打印。

4 邏輯層關(guān)鍵問(wèn)題解決方案

牽引解算模塊主要完成列車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，動(dòng)態(tài)計(jì)算運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)實(shí)時(shí)位置、速度和牽引力[12]等信息。牽引解算模塊由計(jì)算線(xiàn)程控制，采用等距離步長(zhǎng)方式推進(jìn)計(jì)算。牽引計(jì)算模塊主要計(jì)算流程設(shè)計(jì)如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)收到開(kāi)始仿真指令，線(xiàn)程啟動(dòng)，牽引解算模塊從列車(chē)運(yùn)行控制模塊[13]獲取運(yùn)行工況、級(jí)位信息；根據(jù)列車(chē)牽引/制動(dòng)特性曲線(xiàn)與工況級(jí)位，計(jì)算列車(chē)實(shí)時(shí)牽引力/制動(dòng)力；同時(shí)由列車(chē)當(dāng)前速度信息計(jì)算列車(chē)所受基本運(yùn)行阻力，由線(xiàn)路數(shù)據(jù)、列車(chē)當(dāng)前位置計(jì)算列車(chē)所受附加阻力；然后根據(jù)列車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算列車(chē)加速度、速度、位置，并更新列車(chē)速度、位置信息；直至收到仿真結(jié)束信號(hào)，計(jì)算線(xiàn)程結(jié)束。

圖4 牽引計(jì)算模塊流程圖

能量管理策略模塊根據(jù)列車(chē)實(shí)時(shí)牽引/電制動(dòng)力和速度計(jì)算運(yùn)行需求功率PT，按照設(shè)定規(guī)則對(duì)功率進(jìn)行分配，并對(duì)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用過(guò)程進(jìn)行保護(hù)。能量管理策略模塊輸入?yún)?shù)為列車(chē)實(shí)時(shí)需求功率PT，輸出參數(shù)為車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出功率Pes，接觸網(wǎng)輸出功率Pn為PT與Pes之差。

能量管理策略主要通過(guò)判斷車(chē)載儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)SoC進(jìn)行功率分配。其中涉及兩個(gè)重要參數(shù)——充電截止荷電狀態(tài)SoCmax（v）和放電截止荷電狀態(tài)SoCmin（v），二者是與列車(chē)運(yùn)行速度v（單位km/h）相關(guān)的值，原因是列車(chē)速度越高動(dòng)能越大，進(jìn)行制動(dòng)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量越多，為給未來(lái)產(chǎn)生的再生制動(dòng)預(yù)留可充電空間，可按照充/放電截止電量隨著速度的增大而降低的規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。能量管理策略參數(shù)在3.2小節(jié)列車(chē)動(dòng)力集成設(shè)計(jì)中相關(guān)面板上進(jìn)行設(shè)定。能量管理策略模塊控制過(guò)程如下：首先算出實(shí)時(shí)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充/放電功率Pmax，然后按以下規(guī)則得到車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率Pes并輸出：

規(guī)則1：有接觸網(wǎng)區(qū)段運(yùn)行時(shí)，電量大于充電截止電量SoCmax（v），禁止充電并強(qiáng)制放電至充電截止電量以下；

規(guī)則2：有接觸網(wǎng)區(qū)段運(yùn)行時(shí)，電量小于放電截止電量SoCmin（v），禁止放電并強(qiáng)制充電至放電截止電量以上；

規(guī)則3：列車(chē)運(yùn)行需求功率大于車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充/放電功率Pmax，車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)按最大充/放電功率發(fā)揮；

規(guī)則4：再生制動(dòng)能量?jī)?yōu)先回饋車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)。

車(chē)載儲(chǔ)能解算模塊主要實(shí)現(xiàn)車(chē)載儲(chǔ)能裝置電量、電流、電壓等參數(shù)的計(jì)算。對(duì)于儲(chǔ)能裝置的配置可選擇動(dòng)力電池和超級(jí)電容兩種類(lèi)型，因此對(duì)于車(chē)載儲(chǔ)能的參數(shù)解算也分為動(dòng)力電池和超級(jí)電容兩種。

（1）動(dòng)力電池型車(chē)載儲(chǔ)能解算流程

動(dòng)力電池型車(chē)載儲(chǔ)能解算模塊依據(jù)電池戴維南等效電路[14]進(jìn)行電壓和電流等參數(shù)的計(jì)算。電池組荷電狀態(tài)SoC的計(jì)算采用改進(jìn)型安時(shí)積分法進(jìn)行估算[15]。仿真計(jì)算開(kāi)始時(shí)，解算模塊讀取電池組的等效電路相關(guān)特性曲線(xiàn)和特性參數(shù)；根據(jù)電池荷電狀態(tài)初始值SoC0，從開(kāi)路電壓特性曲線(xiàn)中查詢(xún)電池開(kāi)路電壓Uocv；根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率Pes計(jì)算當(dāng)前負(fù)載電流I，進(jìn)而根據(jù)安時(shí)積分法更新電池組荷電狀態(tài)SoC，并通過(guò)特性曲線(xiàn)讀取開(kāi)路電壓Uocv，根據(jù)當(dāng)前參數(shù)計(jì)算極化電壓Up，最后根據(jù)等效電路模型更新電池端電壓U并輸出，當(dāng)前一步計(jì)算過(guò)程完成，下一步繼續(xù)循環(huán)此過(guò)程，直至接收到仿真結(jié)束信號(hào)bCalEnd，計(jì)算全過(guò)程結(jié)束。動(dòng)力電池型車(chē)載儲(chǔ)能解算對(duì)應(yīng)CBattery類(lèi)，其中，充/放電效率η、電池組串聯(lián)內(nèi)阻R0分別由充/放電效率特性曲線(xiàn)、串聯(lián)內(nèi)阻特性曲線(xiàn)中查詢(xún)得到，極化電壓Up計(jì)算方式參考文獻(xiàn)[16]進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。動(dòng)力電池型車(chē)載儲(chǔ)能解算模塊計(jì)算過(guò)程的偽代碼如下：

（2）超級(jí)電容型車(chē)載儲(chǔ)能解算流程

超級(jí)電容型車(chē)載儲(chǔ)能解算模塊依據(jù)超級(jí)電容等效電路模型[17]進(jìn)行超級(jí)電容電壓和電流等參數(shù)的計(jì)算。仿真計(jì)算開(kāi)始時(shí)，解算模塊讀取超級(jí)電容的特性曲線(xiàn)和特性參數(shù)，根據(jù)超級(jí)電容初始電量SoC0及SoC與超級(jí)電容開(kāi)路Uocv電壓之間關(guān)系式（與超級(jí)電容額定電壓UN和最低電壓Umin有關(guān)）得到超級(jí)電容初始開(kāi)路電壓；根據(jù)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)功率Pes計(jì)算當(dāng)前負(fù)載電流I，進(jìn)而根據(jù)電路模型方程更新計(jì)算Uocv，并通過(guò)SoC及SoC與Uocv之間的關(guān)系式更新SoC；最后根據(jù)等效電路模型更新超級(jí)電容輸出端電壓U，當(dāng)前一步計(jì)算過(guò)程完成，下一步繼續(xù)循環(huán)此過(guò)程，直至接收到仿真結(jié)束信號(hào)bCalEnd，計(jì)算全過(guò)程結(jié)束。超級(jí)電容型車(chē)載儲(chǔ)能解算對(duì)應(yīng)CSuperCap類(lèi)，其中，充/放電效率η、并聯(lián)內(nèi)阻Rep和串聯(lián)內(nèi)阻Res分別由超級(jí)電容充/放電效率、并聯(lián)內(nèi)阻和串聯(lián)內(nèi)阻特性曲線(xiàn)中查詢(xún)得到。超級(jí)電容型車(chē)載儲(chǔ)能解算模塊計(jì)算過(guò)程的偽代碼如下：

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)采用MFC作為開(kāi)發(fā)框架，在Visual Studio 2008環(huán)境下使用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)。線(xiàn)路數(shù)據(jù)配置、列車(chē)動(dòng)力集成和仿真配置功能模塊由各自對(duì)應(yīng)的子面板實(shí)現(xiàn)功能；列車(chē)運(yùn)行仿真功能模塊由運(yùn)行仿真界面動(dòng)態(tài)展示列車(chē)運(yùn)行位置、速度、能耗、車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)電量及電流等各項(xiàng)參數(shù)；仿真運(yùn)行結(jié)束后對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，最后鏈接至仿真系統(tǒng)的結(jié)果輸出模塊，由仿真結(jié)果輸出面板進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與展示、格式轉(zhuǎn)換及打印等功能。

圖5 仿真運(yùn)行結(jié)果曲線(xiàn)展示

本文選取一列2M3T編組的城軌混合動(dòng)力概念列車(chē)，選用超級(jí)電容組成車(chē)載儲(chǔ)能裝置，列車(chē)基本參數(shù)的設(shè)置如表1所示。仿真截取一段有軌電車(chē)試驗(yàn)線(xiàn)路的部分線(xiàn)路數(shù)據(jù)，全長(zhǎng)4.92km，共設(shè)8個(gè)停車(chē)站ST1~ST8和6個(gè)路口CR1~CR6。其中CR2、CR5兩個(gè)路口位置后100米區(qū)段以及ST3~ST4區(qū)間設(shè)置為無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段，CR1、CR3、CR5三個(gè)路口設(shè)置路口停車(chē)，ST3站設(shè)置停站充電，初始SoC設(shè)置為95%。仿真運(yùn)行結(jié)果曲線(xiàn)展示圖如圖5所示，運(yùn)行結(jié)果部分統(tǒng)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 運(yùn)行仿真列車(chē)基本參數(shù)

圖5的仿真結(jié)果圖線(xiàn)展示界面能夠直觀(guān)顯示混合動(dòng)力列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的位移、速度、車(chē)載儲(chǔ)能裝置SoC、車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)電流等參數(shù)，車(chē)載儲(chǔ)能裝置的用電過(guò)程能夠根據(jù)能量管理規(guī)則實(shí)現(xiàn)充/放電；表2的相關(guān)運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)參數(shù)能夠直接得到運(yùn)行時(shí)間、能耗、電流等數(shù)據(jù)，減少用戶(hù)的數(shù)據(jù)處理工作量。

表2 運(yùn)行結(jié)果部分統(tǒng)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文以一類(lèi)新型城市軌道交通用混合動(dòng)力列車(chē)為研究對(duì)象，研究和設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的功能模塊，介紹了牽引解算方法、能量管理策略和車(chē)載儲(chǔ)能解算方法等關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案，并利用MFC框架進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。最后在給定混合動(dòng)力列車(chē)參數(shù)和線(xiàn)路數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用該系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行并輸出相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

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Development and Im p lementation of Operation Simulation System for Hybrid Power Train

DU Xin
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031）

In order to study a new type of urban hybrid power train with on-board energy storage system,simulates the train operation state under a given line,develops an operation simulation system for hybrid power train.According to the characteristics of the train operation,and de鄄sign concept about independence between modules as well as separation of view and data,designs the simulation system framework and divides its functionalmodules.Develops corresponding criticalmodules and methods for train traction calculation,energy management strategy and on-board energy storage calculation.Develops the simulation system based on MFC framework,and conducts a simulation to verify the effectiveness of the system.

杜昕（1993-），女，河南漯河人，碩士研究生，本科，研究方向?yàn)榱熊?chē)運(yùn)行控制

2017-03-14

2017-05-03

1007-1423（2017）13-0026-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.17.007

混合動(dòng)力列車(chē)；運(yùn)行仿真系統(tǒng)；能量管理；車(chē)載儲(chǔ)能解算

Hybrid Power Train;Operation Simulation System;Energy Management;On-board Energy Storage Calculation