基于ADVISOR二次開發(fā)的水平運(yùn)輸機(jī)車研究

［摘 要］針對水平運(yùn)輸機(jī)車的研制、開發(fā)和測試，提出一種基于ADVISOR 二次開發(fā)的仿真測試方法。通過分析機(jī)車的構(gòu)造和特性，建立其蓄電池、電動機(jī)、傳動系統(tǒng)及整車仿真模型，并根據(jù)機(jī)車運(yùn)行工況數(shù)據(jù)建立特有的實(shí)際工況模型。使用機(jī)車實(shí)際模型對ADVISOR 軟件進(jìn)行針對性開發(fā)，得到與實(shí)際效果相一致的機(jī)車性能模擬分析結(jié)果。該方法可為機(jī)車的研制和開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和超前的模擬評價分析，縮短機(jī)車的研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

［關(guān)鍵詞］ADVISOR ；水平運(yùn)輸機(jī)車；二次開發(fā)；仿真

［中圖分類號］U469.696 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0082–03

我國對于機(jī)車的研發(fā)大多基于對電機(jī)牽引力、電池容量、載重等少量關(guān)鍵參數(shù)的簡單計(jì)算，結(jié)合使用中的表征特性，實(shí)現(xiàn)對機(jī)車性能的評估。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室在Matlab 和Simulink 軟件環(huán)境下開發(fā)的仿真軟件ADVISOR2002，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)車輛模型和相關(guān)參數(shù)，完成有效的仿真。文章針對45 t 水平運(yùn)輸機(jī)車，利用ADVISOR2002 并進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對鋰電池能量模型下機(jī)車的仿真，填補(bǔ)了隧道運(yùn)輸設(shè)備在仿真領(lǐng)域的空白。

1 水平運(yùn)輸機(jī)車總成及主要參數(shù)

機(jī)車主要結(jié)構(gòu)分為操縱臺、變頻器柜、車架、走行裝置、傳動系統(tǒng)、電池箱、制動系統(tǒng)、空壓機(jī)等，其電動機(jī)通過萬向聯(lián)軸器驅(qū)動齒輪減速傳動箱，經(jīng)過二級齒輪減速傳動到車軸上，從而牽引機(jī)車運(yùn)行。操縱臺和變頻柜安裝在駕駛室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的駕駛操作和控制。能量電池是機(jī)車的能量來源，主要分為鉛酸電池和鋰電池兩類。變頻器柜主要由斷路器、PLC、變頻器等部件組成，是機(jī)車的核心單元。PLC 作為控制元件，采集操作臺控制的按鈕、旋鈕等信號，通過Modbus 通訊實(shí)現(xiàn)對變頻器的多段速控制、狀態(tài)監(jiān)測和報(bào)警監(jiān)控。同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對供電電壓、驅(qū)動電流、剩余電量、行駛速度等信息的顯示，為操作人員提供形象直觀的指導(dǎo)。由三相異步電動機(jī)、傳動系統(tǒng)組成動力執(zhí)行和傳輸單元，走行裝置涉及車輪與軸，使得機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行在軌道上。制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)車制動和能量回收。

機(jī)車采用變頻器控制下的三相異步電動機(jī)作為驅(qū)動，并通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)而控制機(jī)車行駛速度。傳動系統(tǒng)采用單級主減速器、固定速比方式，去除變速器。在滿足整車及編組動力性的前提下，選擇使用三相異步電動機(jī)作為整車電機(jī)。三相異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、自重輕、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于牽引動力。采用分級調(diào)速，通過變頻器改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，實(shí)現(xiàn)整車的調(diào)速。

基于機(jī)車的組成和原理，結(jié)合ADVISOR2002 軟件特點(diǎn)，將機(jī)車各部分依照軟件要求建立對應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)軟件的二次開發(fā)，搭建水平運(yùn)輸機(jī)車仿真系統(tǒng)。

2 水平運(yùn)輸機(jī)車仿真系統(tǒng)開發(fā)

2.1 機(jī)車整車模塊

確定機(jī)車動力性，即確定機(jī)車沿行駛方向的動力特性。對于機(jī)車整車建模，考慮將機(jī)車進(jìn)行兩種不同情況的分析：①對于單獨(dú)牽引機(jī)車，將其按照四輪驅(qū)動的動力模型機(jī)型建模；②對于機(jī)車整列編組，將其簡化為前輪驅(qū)動的動力學(xué)模型進(jìn)行建模。同時，主要計(jì)算模型還可分為單質(zhì)點(diǎn)和多質(zhì)點(diǎn)兩類。單質(zhì)點(diǎn)將機(jī)車看作一個沒有尺寸大小的質(zhì)點(diǎn)，所有受力都發(fā)生在質(zhì)點(diǎn)上；多質(zhì)點(diǎn)將機(jī)車視為多個質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的質(zhì)點(diǎn)鏈，需要考慮機(jī)車車輛間的縱向力，受力分析復(fù)雜。

文章采用單質(zhì)點(diǎn)模型，結(jié)合編組情況，將機(jī)車視為前輪驅(qū)動模型進(jìn)行分析。由于機(jī)車行進(jìn)的路線較遠(yuǎn)，相較于路線而言機(jī)車本身的長度可以忽略，其動力來源主要是機(jī)車頭的動力輸出，將其模型簡化后，與實(shí)際情況一致，更有利于模擬仿真和數(shù)據(jù)分析。

2.2 機(jī)車能量模型

文章采用電動汽車仿真中最常用的內(nèi)阻模型建立對應(yīng)的能量模塊，即將蓄電池組視為一個理想的開路電壓源，串聯(lián)一個內(nèi)阻表示，根據(jù)電壓特性方程可計(jì)算出在給定荷電狀態(tài)和請求電池功率狀態(tài)下的開路電壓和內(nèi)阻。鋰電池建模根據(jù)機(jī)車工作電壓范圍、最大需求電流及電池性能參數(shù)，確定每組電池串聯(lián)數(shù)量和電池組并聯(lián)數(shù)量，其具體參數(shù)為：單體額定電壓3.2 V，額定容量25 Ah，電池總數(shù)量為2 970，即18S165P。

2.3 機(jī)車工況模型

AADVISOR 提供了CYC_ECE、CYC_FTP 和CYC_015 等56 種國外標(biāo)準(zhǔn)的道路循環(huán)供用戶選擇。但由于ADVISOR 開發(fā)時間較早及后續(xù)開發(fā)間斷問題，ADVISOR 中的默認(rèn)循環(huán)工況較少，沒有我國道路工況相關(guān)數(shù)據(jù)，尤其不存在機(jī)車運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)。因此根據(jù)ADVISOR 仿真需求，針對國內(nèi)工地進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，建立了45 t 機(jī)車的實(shí)際工況模型，同時記錄下電池SOC（剩余電量）變化區(qū)間，用以驗(yàn)證仿真結(jié)果。

試驗(yàn)分別采集了機(jī)車在武漢和合肥兩工地的數(shù)據(jù)，提取、整理、轉(zhuǎn)換后得到其工況數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)武漢工況下SOC 變化區(qū)間為100%～93%（表示SOC由100% 變化至93%），合肥工況下SOC 變化區(qū)間為86%～77%（表示SOC 由86% 變化至77%）。通過工況數(shù)據(jù)和電池初始狀態(tài)等參數(shù)的不同，分別進(jìn)行模擬仿真，使得其結(jié)果具備普遍性特征。

2.4 輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

ADVISOR2002 軟件的參數(shù)輸入是圖形化界面，包括迎風(fēng)面積、軸距、整車質(zhì)量、實(shí)際載重、阻力系數(shù)、電池電壓等。將以上數(shù)據(jù)分別將其輸入到界面，實(shí)現(xiàn)機(jī)車實(shí)際數(shù)據(jù)對參數(shù)輸入的二次開發(fā)。

2.5 仿真任務(wù)設(shè)定

根據(jù)測試需要，機(jī)車采用武漢、合肥兩工地實(shí)際使用過程中采集的速度工況作為仿真工況，電池初始參數(shù)設(shè)定也與速度工況對應(yīng)的電池參數(shù)一致，保證了仿真工況與機(jī)車實(shí)際參數(shù)的完全一致。

3 機(jī)車仿真及驗(yàn)證

對ADVISOR 進(jìn)行二次開發(fā)，建立機(jī)車仿真頂層模型，內(nèi)含參數(shù)輸入和對應(yīng)的M文件。在頂層模型中，針對機(jī)車結(jié)構(gòu)與特性，替換原有的工況drive cycle、整車vehicle、車輪與軸wheel and axle、電機(jī)及控制motor/controller 等模型，同時根據(jù)機(jī)車實(shí)際參數(shù)，對原參數(shù)和文件進(jìn)行相應(yīng)修改，包括減速器、電氣附件等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對ADVISOR 的二次開發(fā)，使其符合機(jī)車的實(shí)際設(shè)計(jì)要求和性能參數(shù)。

仿真試驗(yàn)針對武漢、合肥兩地工況，對鋰電池機(jī)車進(jìn)行仿真測試，并與實(shí)際數(shù)據(jù)對比，如圖1、2 所示。

圖1（a）與圖2（a）分別是武漢、合肥兩地的工況速度與仿真速度的對比圖，灰色曲線代表工況速度，黑色曲線代表仿真速度。結(jié)果表明，在機(jī)車模型下，仿真速度與工況要求的速度基本一致。

圖1（b）與圖1（c）分別是武漢工地的SOC 仿真變化曲線和實(shí)際機(jī)車BMS 采集SOC 變化曲線，圖2（b）與圖2（c）分別是合肥工地的SOC 仿真變化曲線和實(shí)際機(jī)車BMS 采集SOC 變化曲線。實(shí)際電池SOC 數(shù)值通過機(jī)車控制PLC 采集BMS（電池管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)得到，由于PLC 存在運(yùn)行周期，因此實(shí)際曲線呈折線，但不影響結(jié)果對比。仿真曲線與實(shí)際變化曲線對比表明，在機(jī)車模型下，SOC 仿真曲線的變化情況，電池電量在機(jī)車速度較大時下降速度較快，與實(shí)際電池變化情況一致。

根據(jù)圖1、2 仿真結(jié)果分析得出：①建立的機(jī)車模型在各工況下，仿真速度與工況要求速度基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真速度與實(shí)際工況速度的合理跟隨，充分表明仿真結(jié)果的有效性；② SOC 仿真曲線與實(shí)際曲線吻合，特性分析上均符合實(shí)際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)對電池電量的模擬和分析；③鋰電池機(jī)車仿真結(jié)果，從速度跟隨、SOC 變化上，均能夠滿足對不同工況的模擬和分析，數(shù)據(jù)效果真實(shí)可靠。

4 結(jié)束語

文章基于市場上應(yīng)用最多的45 t 鋰電池水平運(yùn)輸機(jī)車，對ADVISOR 進(jìn)行二次開發(fā)，建立了機(jī)車模型，與機(jī)車實(shí)際工況結(jié)合進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果符合實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)車的性能評估，填補(bǔ)了隧道機(jī)車在仿真領(lǐng)域的空白，對后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化及新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的參考價值和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 王騫，蒙延龍，孫志洪. 基于PLC 的變頻牽引機(jī)車重連控制系統(tǒng)[J]. 隧道建設(shè)，2014，34（8）：797-801.