混合動(dòng)力有軌電車(chē)列車(chē)控制和管理系統(tǒng)軟件測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

付穩(wěn)超

混合動(dòng)力有軌電車(chē)列車(chē)控制和管理系統(tǒng)軟件測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

付穩(wěn)超

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，063035，唐山∥高級(jí)工程師）

針對(duì)燃料電池和超級(jí)電容混合動(dòng)力有軌電車(chē)的列車(chē)控制和管理系統(tǒng)（TCMS）軟件測(cè)試需求，運(yùn)用ControlBuild仿真軟件搭建了適用于燃料電池和超級(jí)電容混合動(dòng)力列車(chē)的TCMS軟件測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)在具有列車(chē)電路和常用子系統(tǒng)仿真功能上，采用擬合方法搭建了燃料電池模型、超級(jí)電容模型、動(dòng)力電池模型和列車(chē)能量流動(dòng)模型，為T(mén)CMS軟件進(jìn)行混合動(dòng)力能量管理和整車(chē)能量管理提供測(cè)試環(huán)境，提高了燃料電池超級(jí)電容有軌電車(chē)TCMS軟件測(cè)試的范圍和效率。

有軌電車(chē)；燃料電池；超級(jí)電容；列車(chē)控制和管理系統(tǒng)；軟件測(cè)試

隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境問(wèn)題日益突出，人們?cè)絹?lái)越重視新能源的開(kāi)發(fā)和利用。燃料電池有軌電車(chē)以可再生能源氫氣為燃料，實(shí)現(xiàn)了零污染、零溫室氣體排放目標(biāo)。所以，作為城市綠色交通工具，燃料電池有軌電車(chē)受到了城市綠色交通建設(shè)的青睞［1］。

燃料電池、超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)作為新儲(chǔ)能系統(tǒng)具有自身能量特性。這與傳統(tǒng)的受電弓供電有著很大的區(qū)別，所以需要整車(chē)耗能單元和儲(chǔ)能單元協(xié)同配合，合理利用儲(chǔ)存能源，使列車(chē)在滿(mǎn)足性能要求的前提下，獲得更好的能量利用率和續(xù)航能力。TCMS（列車(chē)控制和管理系統(tǒng)）承擔(dān)著列車(chē)各個(gè)子系統(tǒng)的管理和監(jiān)視功能，也負(fù)責(zé)著整車(chē)系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)之間的協(xié)議控制。所以搭建一套適合于燃料電池、超級(jí)電容混合動(dòng)力有軌電池的TCMS軟件測(cè)試平臺(tái)是十分必要的。

本文針對(duì)燃料電池TCMS軟件測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一種適用于燃料電池、超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)的有軌電車(chē)TCMS軟件測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)在具有常規(guī)TCMS測(cè)試功能基礎(chǔ)上，從能量流動(dòng)角度搭建了燃料電池模型、超級(jí)電容模型、動(dòng)力電池模型和高壓系統(tǒng)模型，能夠?yàn)門(mén)CMS混合動(dòng)力能量管理和整車(chē)能量管理提供測(cè)試環(huán)境。

1 軟件測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖1為基于仿真軟件ControlBuild（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CB）的混合動(dòng)力TCMS軟件測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)主要由被測(cè)系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成［2］。

被測(cè)系統(tǒng)主要由燃料電池列車(chē)的VCU（整車(chē)控制器）、HMI（集線器管理接口）和以太網(wǎng)交換機(jī)組成，三者之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信；被測(cè)系統(tǒng)包含了列車(chē)的主要TCMS設(shè)備（RIOM模塊由軟件仿真實(shí)現(xiàn)），用于軟件開(kāi)發(fā)人員的軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試。

圖1 TCMS軟件測(cè)試平臺(tái)組成

仿真系統(tǒng)的硬件部分主要由安裝CB軟件和CAN通訊卡的仿真主機(jī)構(gòu)成。根據(jù)TCMS軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試的需求，仿真主機(jī)基于CB軟件仿真了列車(chē)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、硬線控制電路、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)、燃料電池、超級(jí)電容、動(dòng)力蓄電池和高壓等系統(tǒng)［3］。車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型主要模擬了列車(chē)運(yùn)行的阻力、坡道和彎道阻力；列車(chē)硬線電路主要仿真了列車(chē)低壓控制電路，包括繼電器、空開(kāi)和電纜的仿真；遠(yuǎn)程輸入輸出模塊仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)RIOM模塊信號(hào)輸入輸出和總線信號(hào)；各子系統(tǒng)模型仿真了系統(tǒng)的邏輯功能、硬線輸入輸出信號(hào)和CAN總線信號(hào)。

監(jiān)控系統(tǒng)由總線分析儀和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備組成，通過(guò)總線數(shù)據(jù)的采集、分析和記錄，能夠從總線數(shù)據(jù)的角度分析軟件邏輯功能和執(zhí)行特性。

2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)介紹

如圖2所示，本文所提出的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池（整流器輸出直流電）、超級(jí)電容、蓄電池、雙向直流/直流（DC/DC）變換器、單向DC/DC變換器和能量管理控制器等組成。能量管理控制器通過(guò)CAN總線與DC/DC、超級(jí)電容、蓄電池和燃料電池組成了局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的管理和監(jiān)視功能［4］。

混合系統(tǒng)采用雙向DC/DC變換器對(duì)超級(jí)電容/蓄電池進(jìn)行控制，通過(guò)能量管理控制器雙向DC/DC跟蹤檢測(cè)整車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)以及超級(jí)電容/蓄電池的剩余電量水平，并根據(jù)列車(chē)動(dòng)力總線的電壓，判斷是否投入能量。

能量管理控制器根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)（起車(chē)、加速和制動(dòng)等）通過(guò)單向DC/DC對(duì)燃料電池進(jìn)行能量的控制。

圖2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

3 軟件測(cè)試平臺(tái)關(guān)鍵模型設(shè)計(jì)

本文針對(duì)混合動(dòng)力有軌電車(chē)的TCMS軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試需求，將重點(diǎn)介紹燃料電池模型、超級(jí)電容模型、動(dòng)力電池模型、牽引能耗模型以及高壓模型的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

3.1 燃料電池模型設(shè)計(jì)

本文采用的燃料電池額定功率為150 kW，通過(guò)DC/DC接到列車(chē)動(dòng)力總線，DC/DC的額定輸出電壓為750 V，最大輸出功率為216 kW。燃料電池效率計(jì)算公式為：

式中：

ηfc——燃料電池的輸出效率；

Pfc——輸出功率，J/s；

根據(jù)式（1）可以得到燃料電池在某一功率下的氫耗量的燃料模型計(jì)算公式：

根據(jù)圖3曲線，可以得到Pfc下ηfc的擬合函數(shù)：

3.2 動(dòng)力電池和超級(jí)電容模型設(shè)計(jì)

本文中動(dòng)力電池通過(guò)DC/DC連接到母線上,動(dòng)力電池和其DC/DC變換器的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 氫氣在不同功率下的輸出效率

表1 動(dòng)力電池和DC/DC變換器的參數(shù)

蓄電池模塊的荷電狀態(tài)計(jì)算公式如下：

式中：

SOC（t）——蓄電池在當(dāng)前時(shí)刻的荷電狀態(tài)值；

SOC（t-1）——蓄電池在上一時(shí)刻的荷電狀態(tài)值；

i——蓄電池的輸出電流量；

Q——蓄電池的最大電量［6］。

設(shè)定蓄電池放電深度為80%，根據(jù)圖4，電池電壓U和SOC（t）關(guān)系可以表示如下：

U=57.5 SOC（t）+344.25，SOC（t）≥0.2（5）

圖4 電池電壓和荷電狀態(tài)曲線

選擇的超級(jí)電容的參數(shù)如表2所示。

超級(jí)電容的能量E、電容C和電壓U之間的關(guān)系可以表示如下：

表2 超級(jí)電容和DC/DC變換器的參數(shù)

超級(jí)電容的放電深度為U0到Umax（即DC 200 V~528 V），所以超級(jí)電容時(shí)刻t的功率可以表示為［7］：

式中：

It——電容在時(shí)刻t時(shí)的放電電流，A；

Et-E0——電容在完成放電后剩余的能量，J；

C——超級(jí)電容的容量，F(xiàn)。

3.3 牽引系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

牽引系統(tǒng)是影響整車(chē)耗能和再生能量的重要系統(tǒng)。本文采用了ABB公司的CC400牽引系統(tǒng)（包含輔助系統(tǒng)和充電機(jī)）。該牽引系統(tǒng)的牽引電機(jī)性能曲線如圖5所示。

圖5 CC400牽引電機(jī)性能曲線

本文選擇的低地板列車(chē)共有12個(gè)牽引電機(jī)，根據(jù)牽引電機(jī)特性，在列車(chē)速度v下，列車(chē)牽引系統(tǒng)最大功率為［8］：

式中：

Pm——牽引電機(jī)功率，kW；

v——列車(chē)當(dāng)前速度，km/h。

牽引系統(tǒng)在最大牽引和制動(dòng)工況下的電流曲線如圖6所示。最大牽引和制動(dòng)工況下的電流和列車(chē)速度的關(guān)系可以表示為：

式中：

I——電流強(qiáng)度，A。

圖6 牽引系統(tǒng)電流與速度關(guān)系曲線

根據(jù)式（8）、（9），可以得到牽引系統(tǒng)擬合等效電阻和功率之間的關(guān)系［9］：

式中：

R——等效電阻，kΩ。

3.4 高壓系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

本文基于各系統(tǒng)之間能量供需關(guān)系、電流流動(dòng)關(guān)系和網(wǎng)壓關(guān)系，設(shè)計(jì)了列車(chē)燃料電池、超級(jí)電容、動(dòng)力電池和牽引系統(tǒng)等能量單元的仿真模型，描述了各單元之間能量的轉(zhuǎn)換。

如圖7所示，根據(jù)能量守恒原理，搭建列車(chē)的功率計(jì)算模型。所有耗能單元（例如空調(diào)系統(tǒng)）以請(qǐng)求的形式向功率計(jì)算模型申請(qǐng)功率，該模型再向各儲(chǔ)能單元（超級(jí)電容、動(dòng)力電池和燃料電池）請(qǐng)求功率。當(dāng)在制動(dòng)工況下，CC400由耗能單元轉(zhuǎn)為產(chǎn)能單元，為了消耗這些能量，能量將流向超級(jí)電容、動(dòng)力電池、空調(diào)、輔助系統(tǒng)和制動(dòng)電阻。

根據(jù)霍爾基夫電流定理，搭建列車(chē)電流模型，各儲(chǔ)能單元根據(jù)功率模型計(jì)算輸入、輸出功率，進(jìn)而得到流經(jīng)儲(chǔ)能單元的電流。

列車(chē)主要耗能單元包括CC400、空調(diào)和制動(dòng)電阻，假設(shè)空調(diào)在運(yùn)行中功率固定，那么其等效電阻是一個(gè)定值。根據(jù)上文描述，CC400在牽引功率變化時(shí)，等效電阻也在變化。當(dāng)列車(chē)網(wǎng)壓達(dá)到860 V時(shí)，制動(dòng)電阻投入，其實(shí)測(cè)阻值為2 Ω。

列車(chē)網(wǎng)壓是隨著儲(chǔ)能單元能量和耗能功率輸出的變化而變化，而各儲(chǔ)能單元也是根據(jù)網(wǎng)壓比較實(shí)現(xiàn)能量的投入和吸收判斷，網(wǎng)壓可根據(jù)式（9）和式（10）計(jì)算獲得。

如表3所示，儲(chǔ)能單元通過(guò)DC/DC變換器設(shè)定能量單元輸出電壓，根據(jù)能量單元電壓和高壓系

圖7 高壓系統(tǒng)模型

統(tǒng)的電壓判斷各能量單元是產(chǎn)能單元還是耗能單元。例如，燃料電池放電，當(dāng)燃料電池功率不足以滿(mǎn)足負(fù)載需求時(shí)，網(wǎng)壓被拉低至740 V，超級(jí)電容放電；當(dāng)燃料電池和超級(jí)電容不能滿(mǎn)足負(fù)載需求時(shí)，網(wǎng)壓被拉低至730 V，動(dòng)力電池放電。

表3 各單元電壓設(shè)定 V

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)燃料電池、超級(jí)電容混合動(dòng)力低地板列車(chē)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了TCMS軟件測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)在原有功能基礎(chǔ)上增加了能量單元、能量流動(dòng)、列車(chē)功率、列車(chē)電流和列車(chē)網(wǎng)壓等模型的仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了能量流動(dòng)仿真、能耗仿真和能量管理仿真，為T(mén)CMS軟件在混合動(dòng)力管理和監(jiān)控方面的邏輯驗(yàn)證提供測(cè)試環(huán)境。

［1］ 郭航，馬重芳，汪茂海，等．燃料電池在中國(guó)的發(fā)展及其在電動(dòng)車(chē)輛上的應(yīng)用［J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004（1）：106．

［2］ 梅櫻，趙紅衛(wèi)，黃楓，等．基于ControlBuid的TCMS集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］．鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2016（2）：20．

［3］ 胡貴華．燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車(chē)建模及優(yōu)化控制［D］．成都：西南交大，2013.

［4］ 陳維榮，卜慶元，劉志祥，等．燃料電池混合動(dòng)力有軌電車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（6）：432．

［5］ 王旭峰．燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車(chē)建模及能量管理策略研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2012．

［6］ 陳彥秋，張繼業(yè)，宋鵬云，等．混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行控制的研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2013（8）：23．

［7］ 李志峰．燃料電池／蓄電池混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量控制策略研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（8）：139.

［8］ 潘辛怡．長(zhǎng)春輕軌車(chē)輛的牽引變流器［J］．城市軌道交通研究，2009（5）：65．

［9］ 李明，付穩(wěn)超，黃烈威.100%低地板輕軌車(chē)混合動(dòng)力性能匹配計(jì)算［J］．鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2013（4）：33.

Design of TCMS Software Test Platform for Hybrid Power Modern Tram

FU Wenchao

In order to meet the testing requirements of TCMS software for fuel cell and super capacitor hybrid electric tram，a test platform of TCMS software applicable for fuel cell and super capacitor hybrid electric vehicle is built by using ControlBuild simulation software.On the basis of train circuit and common subsystem simulation functions，the platform adopts fitting method to build an integrated model of fuel cell model，power battery model and train energy flow model，aiming to provide a test environment for hybrid energy management and the whole vehicle energy management，improve the range and efficiency of the TCMS software for fuel cell super capacitor tram.

modern tram；fuel cell；super capacitor；train control and management system（TCMS）；software test

U482.1.72+2

10.16037/j.1007-869x.2017.11.025

Author′s address CRRC Tangshan Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

2017-04-24）