付穩(wěn)超

混合動力有軌電車列車控制和管理系統(tǒng)軟件測試平臺設計

付穩(wěn)超

（中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山∥高級工程師）

針對燃料電池和超級電容混合動力有軌電車的列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）軟件測試需求，運用ControlBuild仿真軟件搭建了適用于燃料電池和超級電容混合動力列車的TCMS軟件測試平臺。該平臺在具有列車電路和常用子系統(tǒng)仿真功能上，采用擬合方法搭建了燃料電池模型、超級電容模型、動力電池模型和列車能量流動模型，為TCMS軟件進行混合動力能量管理和整車能量管理提供測試環(huán)境，提高了燃料電池超級電容有軌電車TCMS軟件測試的范圍和效率。

有軌電車；燃料電池；超級電容；列車控制和管理系統(tǒng)；軟件測試

隨著國內(nèi)環(huán)境問題日益突出，人們越來越重視新能源的開發(fā)和利用。燃料電池有軌電車以可再生能源氫氣為燃料，實現(xiàn)了零污染、零溫室氣體排放目標。所以，作為城市綠色交通工具，燃料電池有軌電車受到了城市綠色交通建設的青睞［1］。

燃料電池、超級電容混合動力系統(tǒng)作為新儲能系統(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，所以需要整車耗能單元和儲能單元協(xié)同配合，合理利用儲存能源，使列車在滿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（列車控制和管理系統(tǒng)）承擔著列車各個子系統(tǒng)的管理和監(jiān)視功能，也負責著整車系統(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、超級電容混合動力有軌電池的TCMS軟件測試平臺是十分必要的。

本文針對燃料電池TCMS軟件測試需求，設計了一種適用于燃料電池、超級電容混合動力系統(tǒng)的有軌電車TCMS軟件測試平臺。該平臺在具有常規(guī)TCMS測試功能基礎上，從能量流動角度搭建了燃料電池模型、超級電容模型、動力電池模型和高壓系統(tǒng)模型，能夠為TCMS混合動力能量管理和整車能量管理提供測試環(huán)境。

1 軟件測試平臺結(jié)構

圖1為基于仿真軟件ControlBuild（以下簡稱CB）的混合動力TCMS軟件測試平臺。該測試平臺主要由被測系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成［2］。

被測系統(tǒng)主要由燃料電池列車的VCU（整車控制器）、HMI（集線器管理接口）和以太網(wǎng)交換機組成，三者之間采用以太網(wǎng)進行通信；被測系統(tǒng)包含了列車的主要TCMS設備（RIOM模塊由軟件仿真實現(xiàn)），用于軟件開發(fā)人員的軟件開發(fā)和測試。

圖1 TCMS軟件測試平臺組成

仿真系統(tǒng)的硬件部分主要由安裝CB軟件和CAN通訊卡的仿真主機構成。根據(jù)TCMS軟件開發(fā)和測試的需求，仿真主機基于CB軟件仿真了列車的車輛動力學系統(tǒng)、硬線控制電路、遠程輸入輸出模塊、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、燃料電池、超級電容、動力蓄電池和高壓等系統(tǒng)［3］。車輛動力學模型主要模擬了列車運行的阻力、坡道和彎道阻力；列車硬線電路主要仿真了列車低壓控制電路，包括繼電器、空開和電纜的仿真；遠程輸入輸出模塊仿真網(wǎng)絡系統(tǒng)RIOM模塊信號輸入輸出和總線信號；各子系統(tǒng)模型仿真了系統(tǒng)的邏輯功能、硬線輸入輸出信號和CAN總線信號。

監(jiān)控系統(tǒng)由總線分析儀和數(shù)據(jù)記錄設備組成，通過總線數(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 燃料電池混合動力系統(tǒng)介紹

如圖2所示，本文所提出的燃料電池混合動力系統(tǒng)主要由燃料電池（整流器輸出直流電）、超級電容、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CAN總線與DC/DC、超級電容、蓄電池和燃料電池組成了局域網(wǎng)，實現(xiàn)對各設備的管理和監(jiān)視功能［4］。

混合系統(tǒng)采用雙向DC/DC變換器對超級電容/蓄電池進行控制，通過能量管理控制器雙向DC/DC跟蹤檢測整車的運行狀態(tài)以及超級電容/蓄電池的剩余電量水平，并根據(jù)列車動力總線的電壓，判斷是否投入能量。

能量管理控制器根據(jù)車輛的運行狀態(tài)（起車、加速和制動等）通過單向DC/DC對燃料電池進行能量的控制。

圖2 燃料電池混合動力系統(tǒng)

3 軟件測試平臺關鍵模型設計

本文針對混合動力有軌電車的TCMS軟件開發(fā)和測試需求，將重點介紹燃料電池模型、超級電容模型、動力電池模型、牽引能耗模型以及高壓模型的簡化設計。

3.1 燃料電池模型設計

本文采用的燃料電池額定功率為150 kW，通過DC/DC接到列車動力總線，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 動力電池和超級電容模型設計

本文中動力電池通過DC/DC連接到母線上,動力電池和其DC/DC變換器的主要參數(shù)見表1。

圖3 氫氣在不同功率下的輸出效率

表1 動力電池和DC/DC變換器的參數(shù)

蓄電池模塊的荷電狀態(tài)計算公式如下：

式中：

SOC（t）——蓄電池在當前時刻的荷電狀態(tài)值；

SOC（t-1）——蓄電池在上一時刻的荷電狀態(tài)值；

i——蓄電池的輸出電流量；

Q——蓄電池的最大電量［6］。

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

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

選擇的超級電容的參數(shù)如表2所示。

超級電容的能量E、電容C和電壓U之間的關系可以表示如下：

表2 超級電容和DC/DC變換器的參數(shù)

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

式中：

It——電容在時刻t時的放電電流，A；

Et-E0——電容在完成放電后剩余的能量，J；

C——超級電容的容量，F(xiàn)。

3.3 牽引系統(tǒng)模型設計

牽引系統(tǒng)是影響整車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）。該牽引系統(tǒng)的牽引電機性能曲線如圖5所示。

圖5 CC400牽引電機性能曲線

本文選擇的低地板列車共有12個牽引電機，根據(jù)牽引電機特性，在列車速度v下，列車牽引系統(tǒng)最大功率為［8］：

式中：

Pm——牽引電機功率，kW；

v——列車當前速度，km/h。

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

式中：

I——電流強度，A。

圖6 牽引系統(tǒng)電流與速度關系曲線

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系［9］：

式中：

R——等效電阻，kΩ。

3.4 高壓系統(tǒng)模型設計

本文基于各系統(tǒng)之間能量供需關系、電流流動關系和網(wǎng)壓關系，設計了列車燃料電池、超級電容、動力電池和牽引系統(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，搭建列車的功率計算模型。所有耗能單元（例如空調(diào)系統(tǒng)）以請求的形式向功率計算模型申請功率，該模型再向各儲能單元（超級電容、動力電池和燃料電池）請求功率。當在制動工況下，CC400由耗能單元轉(zhuǎn)為產(chǎn)能單元，為了消耗這些能量，能量將流向超級電容、動力電池、空調(diào)、輔助系統(tǒng)和制動電阻。

根據(jù)霍爾基夫電流定理，搭建列車電流模型，各儲能單元根據(jù)功率模型計算輸入、輸出功率，進而得到流經(jīng)儲能單元的電流。

列車主要耗能單元包括CC400、空調(diào)和制動電阻，假設空調(diào)在運行中功率固定，那么其等效電阻是一個定值。根據(jù)上文描述，CC400在牽引功率變化時，等效電阻也在變化。當列車網(wǎng)壓達到860 V時，制動電阻投入，其實測阻值為2 Ω。

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

如表3所示，儲能單元通過DC/DC變換器設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，當燃料電池功率不足以滿足負載需求時，網(wǎng)壓被拉低至740 V，超級電容放電；當燃料電池和超級電容不能滿足負載需求時，網(wǎng)壓被拉低至730 V，動力電池放電。

表3 各單元電壓設定 V

4 結(jié)語

本文針對燃料電池、超級電容混合動力低地板列車的特點，設計了TCMS軟件測試平臺。該平臺在原有功能基礎上增加了能量單元、能量流動、列車功率、列車電流和列車網(wǎng)壓等模型的仿真計算，實現(xiàn)了能量流動仿真、能耗仿真和能量管理仿真，為TCMS軟件在混合動力管理和監(jiān)控方面的邏輯驗證提供測試環(huán)境。

［1］ 郭航，馬重芳，汪茂海，等．燃料電池在中國的發(fā)展及其在電動車輛上的應用［J］．中國公路學報，2004（1）：106．

［2］ 梅櫻，趙紅衛(wèi)，黃楓，等．基于ControlBuid的TCMS集成軟件開發(fā)平臺設計［J］．鐵道機車車輛，2016（2）：20．

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

［4］ 陳維榮，卜慶元，劉志祥，等．燃料電池混合動力有軌電車動力系統(tǒng)設計［J］．西南交通大學學報，2016（6）：432．

［5］ 王旭峰．燃料電池混合動力機車建模及能量管理策略研究［D］．成都：西南交通大學，2012．

［6］ 陳彥秋，張繼業(yè)，宋鵬云，等．混合動力列車運行控制的研究［J］．鐵道學報，2013（8）：23．

［7］ 李志峰．燃料電池／蓄電池混合動力電動汽車能量控制策略研究［J］．機械設計與制造，2007（8）：139.

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

［9］ 李明，付穩(wěn)超，黃烈威.100%低地板輕軌車混合動力性能匹配計算［J］．鐵道機車車輛，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）