混合动力有轨电车列车控制和管理系统软件测试平台设计

付稳超

混合动力有轨电车列车控制和管理系统软件测试平台设计

付稳超

（中车唐山机车车辆有限公司，063035，唐山∥高级工程师）

针对燃料电池和超级电容混合动力有轨电车的列车控制和管理系统（TCMS）软件测试需求，运用ControlBuild仿真软件搭建了适用于燃料电池和超级电容混合动力列车的TCMS软件测试平台。该平台在具有列车电路和常用子系统仿真功能上，采用拟合方法搭建了燃料电池模型、超级电容模型、动力电池模型和列车能量流动模型，为TCMS软件进行混合动力能量管理和整车能量管理提供测试环境，提高了燃料电池超级电容有轨电车TCMS软件测试的范围和效率。

有轨电车；燃料电池；超级电容；列车控制和管理系统；软件测试

随着国内环境问题日益突出，人们越来越重视新能源的开发和利用。燃料电池有轨电车以可再生能源氢气为燃料，实现了零污染、零温室气体排放目标。所以，作为城市绿色交通工具，燃料电池有轨电车受到了城市绿色交通建设的青睐［1］。

燃料电池、超级电容混合动力系统作为新储能系统具有自身能量特性。这与传统的受电弓供电有着很大的区别，所以需要整车耗能单元和储能单元协同配合，合理利用储存能源，使列车在满足性能要求的前提下，获得更好的能量利用率和续航能力。TCMS（列车控制和管理系统）承担着列车各个子系统的管理和监视功能，也负责着整车系统与燃料电池系统之间的协议控制。所以搭建一套适合于燃料电池、超级电容混合动力有轨电池的TCMS软件测试平台是十分必要的。

本文针对燃料电池TCMS软件测试需求，设计了一种适用于燃料电池、超级电容混合动力系统的有轨电车TCMS软件测试平台。该平台在具有常规TCMS测试功能基础上，从能量流动角度搭建了燃料电池模型、超级电容模型、动力电池模型和高压系统模型，能够为TCMS混合动力能量管理和整车能量管理提供测试环境。

1 软件测试平台结构

图1为基于仿真软件ControlBuild（以下简称CB）的混合动力TCMS软件测试平台。该测试平台主要由被测系统、仿真系统以及监控系统3部分组成［2］。

被测系统主要由燃料电池列车的VCU（整车控制器）、HMI（集线器管理接口）和以太网交换机组成，三者之间采用以太网进行通信；被测系统包含了列车的主要TCMS设备（RIOM模块由软件仿真实现），用于软件开发人员的软件开发和测试。

图1 TCMS软件测试平台组成

仿真系统的硬件部分主要由安装CB软件和CAN通讯卡的仿真主机构成。根据TCMS软件开发和测试的需求，仿真主机基于CB软件仿真了列车的车辆动力学系统、硬线控制电路、远程输入输出模块、牵引系统、制动系统、空调系统、车门系统、燃料电池、超级电容、动力蓄电池和高压等系统［3］。车辆动力学模型主要模拟了列车运行的阻力、坡道和弯道阻力；列车硬线电路主要仿真了列车低压控制电路，包括继电器、空开和电缆的仿真；远程输入输出模块仿真网络系统RIOM模块信号输入输出和总线信号；各子系统模型仿真了系统的逻辑功能、硬线输入输出信号和CAN总线信号。

监控系统由总线分析仪和数据记录设备组成，通过总线数据的采集、分析和记录，能够从总线数据的角度分析软件逻辑功能和执行特性。

2 燃料电池混合动力系统介绍

如图2所示，本文所提出的燃料电池混合动力系统主要由燃料电池（整流器输出直流电）、超级电容、蓄电池、双向直流/直流（DC/DC）变换器、单向DC/DC变换器和能量管理控制器等组成。能量管理控制器通过CAN总线与DC/DC、超级电容、蓄电池和燃料电池组成了局域网，实现对各设备的管理和监视功能［4］。

混合系统采用双向DC/DC变换器对超级电容/蓄电池进行控制，通过能量管理控制器双向DC/DC跟踪检测整车的运行状态以及超级电容/蓄电池的剩余电量水平，并根据列车动力总线的电压，判断是否投入能量。

能量管理控制器根据车辆的运行状态（起车、加速和制动等）通过单向DC/DC对燃料电池进行能量的控制。

图2 燃料电池混合动力系统

3 软件测试平台关键模型设计

本文针对混合动力有轨电车的TCMS软件开发和测试需求，将重点介绍燃料电池模型、超级电容模型、动力电池模型、牵引能耗模型以及高压模型的简化设计。

3.1 燃料电池模型设计

本文采用的燃料电池额定功率为150 kW，通过DC/DC接到列车动力总线，DC/DC的额定输出电压为750 V，最大输出功率为216 kW。燃料电池效率计算公式为：

式中：

ηfc——燃料电池的输出效率；

Pfc——输出功率，J/s；

根据式（1）可以得到燃料电池在某一功率下的氢耗量的燃料模型计算公式：

根据图3曲线，可以得到Pfc下ηfc的拟合函数：

3.2 动力电池和超级电容模型设计

本文中动力电池通过DC/DC连接到母线上,动力电池和其DC/DC变换器的主要参数见表1。

图3 氢气在不同功率下的输出效率

表1 动力电池和DC/DC变换器的参数

蓄电池模块的荷电状态计算公式如下：

式中：

SOC（t）——蓄电池在当前时刻的荷电状态值；

SOC（t-1）——蓄电池在上一时刻的荷电状态值；

i——蓄电池的输出电流量；

Q——蓄电池的最大电量［6］。

设定蓄电池放电深度为80%，根据图4，电池电压U和SOC（t）关系可以表示如下：

U=57.5 SOC（t）+344.25，SOC（t）≥0.2（5）

图4 电池电压和荷电状态曲线

选择的超级电容的参数如表2所示。

超级电容的能量E、电容C和电压U之间的关系可以表示如下：

表2 超级电容和DC/DC变换器的参数

超级电容的放电深度为U0到Umax（即DC 200 V~528 V），所以超级电容时刻t的功率可以表示为［7］：

式中：

It——电容在时刻t时的放电电流，A；

Et-E0——电容在完成放电后剩余的能量，J；

C——超级电容的容量，F。

3.3 牵引系统模型设计

牵引系统是影响整车耗能和再生能量的重要系统。本文采用了ABB公司的CC400牵引系统（包含辅助系统和充电机）。该牵引系统的牵引电机性能曲线如图5所示。

图5 CC400牵引电机性能曲线

本文选择的低地板列车共有12个牵引电机，根据牵引电机特性，在列车速度v下，列车牵引系统最大功率为［8］：

式中：

Pm——牵引电机功率，kW；

v——列车当前速度，km/h。

牵引系统在最大牵引和制动工况下的电流曲线如图6所示。最大牵引和制动工况下的电流和列车速度的关系可以表示为：

式中：

I——电流强度，A。

图6 牵引系统电流与速度关系曲线

根据式（8）、（9），可以得到牵引系统拟合等效电阻和功率之间的关系［9］：

式中：

R——等效电阻，kΩ。

3.4 高压系统模型设计

本文基于各系统之间能量供需关系、电流流动关系和网压关系，设计了列车燃料电池、超级电容、动力电池和牵引系统等能量单元的仿真模型，描述了各单元之间能量的转换。

如图7所示，根据能量守恒原理，搭建列车的功率计算模型。所有耗能单元（例如空调系统）以请求的形式向功率计算模型申请功率，该模型再向各储能单元（超级电容、动力电池和燃料电池）请求功率。当在制动工况下，CC400由耗能单元转为产能单元，为了消耗这些能量，能量将流向超级电容、动力电池、空调、辅助系统和制动电阻。

根据霍尔基夫电流定理，搭建列车电流模型，各储能单元根据功率模型计算输入、输出功率，进而得到流经储能单元的电流。

列车主要耗能单元包括CC400、空调和制动电阻，假设空调在运行中功率固定，那么其等效电阻是一个定值。根据上文描述，CC400在牵引功率变化时，等效电阻也在变化。当列车网压达到860 V时，制动电阻投入，其实测阻值为2 Ω。

列车网压是随着储能单元能量和耗能功率输出的变化而变化，而各储能单元也是根据网压比较实现能量的投入和吸收判断，网压可根据式（9）和式（10）计算获得。

如表3所示，储能单元通过DC/DC变换器设定能量单元输出电压，根据能量单元电压和高压系

图7 高压系统模型

统的电压判断各能量单元是产能单元还是耗能单元。例如，燃料电池放电，当燃料电池功率不足以满足负载需求时，网压被拉低至740 V，超级电容放电；当燃料电池和超级电容不能满足负载需求时，网压被拉低至730 V，动力电池放电。

表3 各单元电压设定 V

4 结语

本文针对燃料电池、超级电容混合动力低地板列车的特点，设计了TCMS软件测试平台。该平台在原有功能基础上增加了能量单元、能量流动、列车功率、列车电流和列车网压等模型的仿真计算，实现了能量流动仿真、能耗仿真和能量管理仿真，为TCMS软件在混合动力管理和监控方面的逻辑验证提供测试环境。

［1］ 郭航，马重芳，汪茂海，等．燃料电池在中国的发展及其在电动车辆上的应用［J］．中国公路学报，2004（1）：106．

［2］ 梅樱，赵红卫，黄枫，等．基于ControlBuid的TCMS集成软件开发平台设计［J］．铁道机车车辆，2016（2）：20．

［3］ 胡贵华．燃料电池混合动力机车建模及优化控制［D］．成都：西南交大，2013.

［4］ 陈维荣，卜庆元，刘志祥，等．燃料电池混合动力有轨电车动力系统设计［J］．西南交通大学学报，2016（6）：432．

［5］ 王旭峰．燃料电池混合动力机车建模及能量管理策略研究［D］．成都：西南交通大学，2012．

［6］ 陈彦秋，张继业，宋鹏云，等．混合动力列车运行控制的研究［J］．铁道学报，2013（8）：23．

［7］ 李志峰．燃料电池／蓄电池混合动力电动汽车能量控制策略研究［J］．机械设计与制造，2007（8）：139.

［8］ 潘辛怡．长春轻轨车辆的牵引变流器［J］．城市轨道交通研究，2009（5）：65．

［9］ 李明，付稳超，黄烈威.100%低地板轻轨车混合动力性能匹配计算［J］．铁道机车车辆，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）