混合动力列车运行仿真系统开发与实现

杜昕

（西南交通大学电气工程学院，成都 611756）

混合动力列车运行仿真系统开发与实现

杜昕

（西南交通大学电气工程学院，成都 611756）

为研究一类带有车载储能系统的新型城市轨道交通用混合动力列车，模拟列车在设定线路上的运行状态，开发混合动力列车运行仿真系统。根据混合动力列车运行特征，以及各模块间相互独立、视图数据相互分离的设计思想，对仿真系统进行架构设计及功能模块划分，然后详细阐述关键模块及算法的实现方法，包括列车牵引解算、能量管理策略和车载储能解算。最后基于MFC框架进行开发实现，并通过仿真实例验证系统的有效性。

中国铁路总公司科技研究开发计划课题（No.2015X008-A）

0 引言

带有车载储能装置的城市轨道交通用混合动力列车具有运营线路供电方式灵活、绿色节能的特点，有广阔的研究与应用前景[1-2]。混合动力列车是一个涉及电气、机械、控制等多个学科的复杂系统工程，开发混合动力列车运行仿真系统，可为用户进行列车参数设计与分析研究工作提供平台，具有重要的科研和实际意义。

针对列车运行仿真系统的开发，国外起步早且有一些系统已投入商业应用，如北美Systar的RailSim系统[3]、瑞士联邦研究院的Opentrack系统[4]、日本交通控制实验室的UTRAS系统[5]等。国内开发的列车运行仿真平台多用于科研试验，如西南交通大学开发的列车驾驶仿真器[6]、北京交通大学开发的CTCS-3级列控系统仿真测试半实物平台[7]等。这些机构开发的列车仿真平台，仿真对象主要是普通机车、动车组列车等。而对含有多种动力源的新型混合动力列车的运行仿真研究，国内尚处于起步阶段[8]。

本文以基于“接触网+车载储能装置”动力源的混合动力城轨列车为对象，设计列车运行仿真系统的表示层、逻辑层和数据层三层功能架构，开发面向对象的单列车运行仿真系统。本文介绍了仿真系统的框架及功能模块，并分析了牵引解算、车载储能系统解算及能量管理策略等关键问题，最后在Visual Studio 2008环境下使用C++/MFC进行了系统开发实现，并以一段有轨电车试验线路数据为基础进行了验证。

1 混合动力列车系统运行分析

本文研究的混合动力列车由接触网与车载储能装置作为动力电源为列车运行提供能量，通过牵引传动系统驱动列车运行，列车动力系统结构如图1所示。

当列车运行在有接触网区段时，可由接触网或车载储能装置向列车供给能量，接触网可向车载储能装置提供能量进行充电，列车处于制动工况时，产生的再生制动能量按照一定分配策略回馈到车载储能装置或接触网，实现制动能量的回收；当列车运行在无接触网区段时，车载储能装置向列车供给能量，确保列车的运行；停站时站内地面充电装置可向车载储能装置充电。综上分析，混合动力列车较普通列车有更多种能量流动方式。因此，在运行仿真系统开发过程中，需要建立合理的混合动力列车解算模型，并给出恰当的能量分配策略（即能量管理），以更加准确合理地模拟混合动力列车的运行过程。

图1 混合动力列车动力系统结构

2 混合动力列车运行仿真系统设计

开发混合动力列车运行仿真系统目的是针对城市轨道交通的实际线路情况模拟混合动力列车的运行过程，研究列车运行速度影响因素、列车优化操纵方法、能量管理策略等问题，为新型混合动力列车运行优化和能量管理的研究提供平台，为工程设计、运营等部门的列车动力性能设计、车线耦合校验等工作提供较为精确的列车运行参数。

混合动力列车运行仿真系统主要由仿真参数设置、列车仿真运行和仿真结果输出三大模块组成。混合动力列车运行仿真系统根据其开发目的与设计需求，遵循面向对象软件工程的思想，采用统一建模语言，通过一个主控对话框实现各模块的切换和调用，系统包含的所有模块构成了混合动力列车运行仿真系统的总体架构。采用三层架构模型对混合动力列车运行仿真系统进行框架设计，如图2所示，系统分为表示层、逻辑层和数据层三层。

图2 混合动力列车运行仿真系统功能架构

3 表示层模块设计

根据系统架构模型，表示层包含模块主要实现线路数据和列车数据文件处理功能、仿真配置功能以及仿真结果输出功能，满足用户对仿真场景设定和数据交互的需求。

线路数据体现了混合动力列车运行的线路状况。用户掌握的线路数据的来源和格式可能不尽相同，为保证数据格式的一致性和线路数据的安全性，线路数据配置模块采用固定格式的线路数据文件以供用户仿真调用。

线路数据配置包含以下信息要素：工务线路数据（如线路坡道信息、曲线信息等）；线路设施数据（如车站信息、路口信息）；线路限速数据；供电方式信息（包括接触网供电、车载储能供电2种方式）。

列车动力集成设计模块实现列车及车载储能系统相关参数的输入和列车文件的生成，主要包括列车参数配置和储能系统参数配置等功能。列车动力集成设计模块功能结构如图3所示。

列车整车参数配置提供列车基本参数的录入功能和牵引特性计算功能。列车基本参数包括编组载重、基本运行阻力公式、最高运行速度、列车加/减速度、机电效率、辅助功率、齿轮传动比等；牵引特性计算功能可以根据列车加/减速度等参数，自动计算出列车的牵引/电制动特性曲线[9]、过坡能力、加速度特性等信息，帮助用户初步验证所配置列车动力性能。

图3 列车动力集成设计模块功能

储能系统参数配置主要完成储能装置参数、DC/ DC变换器参数、能量管理策略参数的设定，以及粗略校验储能系统容量等功能。为提高软件的通用程度，系统对储能装置的类型选择提供动力电池与超级电容两种。储能系统参数主要包括车载动力包的额定电压、额定容量、最大充放电电流、电量使用范围等；储能系统特性主要包括充放电特性、内阻特性、充放电效率特性等；DC/DC变换器参数主要是DC/DC变换器的效率；容量校验根据所配置的储能系统数据，设定容量校验计算用的平直道线路长度和目标速度，按照最大能力运行策略 （即最大牵引力起车、贴近目标速度匀速运行、最大制动力停车）运行计算，验算所配置的储能系统电量是否满足运行所需能耗。

仿真运行配置模块提供待仿真车线数据的选择及相关仿真参数的设定功能。该模块方便用户调整仿真参数，简化重复性仿真的工作量。相关仿真参数包括线路、列车方案设定，运行策略设定，停站设定，停站充电设定，路口停车设定，车载储能系统参数初始化设定等。

运行策略设定提供最大能力运行、准点节能运行、惰行节能运行等列车运行策略[10-11]。停站设定提供仿真线路中的车站是否停车及停车时长的设定接口。停站充电设定提供停车车站停车时是否在对车载储能装置进行充电及充电量的设定接口。路口停车设定提供仿真线路中的路口是否停车及停车时长的设定接口。车载储能系统参数初始化则主要包括仿真初始电量的设定。

仿真结果输出模块提供仿真输出结果的图线展示、数据统计与评估、输出格式转换、结果打印等功能，方便用户查看和输出仿真结果。输出结果图线展示功能可选择显示列车运行速度、能耗、SoC（State of Charge）、电流、牵引/制动力等参数曲线，横坐标可设置为距离或时间。数据统计与评估功能可自动统计运行区间全程的时间、能耗、平均速度、平均电流等信息，极大简化用户对仿真结果的处理工作。输出格式转换功能可将仿真结果数据以Excel表格等形式进行输出，方便用户调用。结果打印功能可实现以上图线、表格的打印。

4 逻辑层关键问题解决方案

牵引解算模块主要完成列车运动学的计算，动态计算运行过程中列车实时位置、速度和牵引力[12]等信息。牵引解算模块由计算线程控制，采用等距离步长方式推进计算。牵引计算模块主要计算流程设计如图4所示。当系统收到开始仿真指令，线程启动，牵引解算模块从列车运行控制模块[13]获取运行工况、级位信息；根据列车牵引/制动特性曲线与工况级位，计算列车实时牵引力/制动力；同时由列车当前速度信息计算列车所受基本运行阻力，由线路数据、列车当前位置计算列车所受附加阻力；然后根据列车运动学计算列车加速度、速度、位置，并更新列车速度、位置信息；直至收到仿真结束信号，计算线程结束。

图4 牵引计算模块流程图

能量管理策略模块根据列车实时牵引/电制动力和速度计算运行需求功率PT，按照设定规则对功率进行分配，并对车载储能系统的使用过程进行保护。能量管理策略模块输入参数为列车实时需求功率PT，输出参数为车载储能系统实时输出功率Pes，接触网输出功率Pn为PT与Pes之差。

能量管理策略主要通过判断车载储能装置荷电状态SoC进行功率分配。其中涉及两个重要参数——充电截止荷电状态SoCmax（v）和放电截止荷电状态SoCmin（v），二者是与列车运行速度v（单位km/h）相关的值，原因是列车速度越高动能越大，进行制动产生的再生制动能量越多，为给未来产生的再生制动预留可充电空间，可按照充/放电截止电量随着速度的增大而降低的规则进行设置。能量管理策略参数在3.2小节列车动力集成设计中相关面板上进行设定。能量管理策略模块控制过程如下：首先算出实时车载储能系统最大充/放电功率Pmax，然后按以下规则得到车载储能系统输出功率Pes并输出：

规则1：有接触网区段运行时，电量大于充电截止电量SoCmax（v），禁止充电并强制放电至充电截止电量以下；

规则2：有接触网区段运行时，电量小于放电截止电量SoCmin（v），禁止放电并强制充电至放电截止电量以上；

规则3：列车运行需求功率大于车载储能系统最大充/放电功率Pmax，车载储能系统按最大充/放电功率发挥；

规则4：再生制动能量优先回馈车载储能系统。

车载储能解算模块主要实现车载储能装置电量、电流、电压等参数的计算。对于储能装置的配置可选择动力电池和超级电容两种类型，因此对于车载储能的参数解算也分为动力电池和超级电容两种。

（1）动力电池型车载储能解算流程

动力电池型车载储能解算模块依据电池戴维南等效电路[14]进行电压和电流等参数的计算。电池组荷电状态SoC的计算采用改进型安时积分法进行估算[15]。仿真计算开始时，解算模块读取电池组的等效电路相关特性曲线和特性参数；根据电池荷电状态初始值SoC0，从开路电压特性曲线中查询电池开路电压Uocv；根据储能系统功率Pes计算当前负载电流I，进而根据安时积分法更新电池组荷电状态SoC，并通过特性曲线读取开路电压Uocv，根据当前参数计算极化电压Up，最后根据等效电路模型更新电池端电压U并输出，当前一步计算过程完成，下一步继续循环此过程，直至接收到仿真结束信号bCalEnd，计算全过程结束。动力电池型车载储能解算对应CBattery类，其中，充/放电效率η、电池组串联内阻R0分别由充/放电效率特性曲线、串联内阻特性曲线中查询得到，极化电压Up计算方式参考文献[16]进行实现。动力电池型车载储能解算模块计算过程的伪代码如下：

（2）超级电容型车载储能解算流程

超级电容型车载储能解算模块依据超级电容等效电路模型[17]进行超级电容电压和电流等参数的计算。仿真计算开始时，解算模块读取超级电容的特性曲线和特性参数，根据超级电容初始电量SoC0及SoC与超级电容开路Uocv电压之间关系式（与超级电容额定电压UN和最低电压Umin有关）得到超级电容初始开路电压；根据车载储能系统功率Pes计算当前负载电流I，进而根据电路模型方程更新计算Uocv，并通过SoC及SoC与Uocv之间的关系式更新SoC；最后根据等效电路模型更新超级电容输出端电压U，当前一步计算过程完成，下一步继续循环此过程，直至接收到仿真结束信号bCalEnd，计算全过程结束。超级电容型车载储能解算对应CSuperCap类，其中，充/放电效率η、并联内阻Rep和串联内阻Res分别由超级电容充/放电效率、并联内阻和串联内阻特性曲线中查询得到。超级电容型车载储能解算模块计算过程的伪代码如下：

5 系统实现与验证

混合动力列车运行仿真系统采用MFC作为开发框架，在Visual Studio 2008环境下使用C++语言实现开发。线路数据配置、列车动力集成和仿真配置功能模块由各自对应的子面板实现功能；列车运行仿真功能模块由运行仿真界面动态展示列车运行位置、速度、能耗、车载储能系统电量及电流等各项参数；仿真运行结束后对仿真数据进行保存，最后链接至仿真系统的结果输出模块，由仿真结果输出面板进行仿真数据的统计与展示、格式转换及打印等功能。

图5 仿真运行结果曲线展示

本文选取一列2M3T编组的城轨混合动力概念列车，选用超级电容组成车载储能装置，列车基本参数的设置如表1所示。仿真截取一段有轨电车试验线路的部分线路数据，全长4.92km，共设8个停车站ST1~ST8和6个路口CR1~CR6。其中CR2、CR5两个路口位置后100米区段以及ST3~ST4区间设置为无接触网区段，CR1、CR3、CR5三个路口设置路口停车，ST3站设置停站充电，初始SoC设置为95%。仿真运行结果曲线展示图如图5所示，运行结果部分统计评估数据如表2所示。

表1 运行仿真列车基本参数

图5的仿真结果图线展示界面能够直观显示混合动力列车在运行过程中的位移、速度、车载储能装置SoC、车载储能系统电流等参数，车载储能装置的用电过程能够根据能量管理规则实现充/放电；表2的相关运行结果统计参数能够直接得到运行时间、能耗、电流等数据，减少用户的数据处理工作量。

表2 运行结果部分统计评估数据

6 结语

本文以一类新型城市轨道交通用混合动力列车为研究对象，研究和设计了混合动力列车运行仿真系统，详细分析了系统的功能模块，介绍了牵引解算方法、能量管理策略和车载储能解算方法等关键问题的解决方案，并利用MFC框架进行系统开发实现。最后在给定混合动力列车参数和线路数据的基础上，利用该系统进行仿真运行并输出相关参数，验证了所设计系统的有效性。

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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，硕士研究生，本科，研究方向为列车运行控制

2017-03-14

2017-05-03

1007-1423（2017）13-0026-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.17.007

混合动力列车；运行仿真系统；能量管理；车载储能解算

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