基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，其特征在于，包括依次相连的工况模型、列车模型、车轮模型、齿轮箱模型、电动机模型、逆变器、辅助负载和CAN总线，并且CAN总线的一端通过直流母线连接能量存储模型，另一端与能量管理策略模型连接，能量存储模型与能量管理策略模型连接，其中首先使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量；然后使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量。本发明专利技术将后向仿真和前向仿真两种方式相结合，可以降低仿真结果误差。

Semi-physical simulation system of virtual railway train based on hybrid power

The invention provides a semi-physical simulation system of virtual track train based on hybrid power, which is characterized by working condition model, train model, wheel model, gear box model, motor model, inverter, auxiliary load and CAN bus. One end of CAN bus connects energy storage model through DC bus, the other end connects energy management strategy model with energy management strategy model. The energy storage model is connected with the energy management strategy model. Firstly, the demand of each level is calculated step by step from the working condition model to the energy management strategy model according to the opposite direction of energy flow transmission by backward simulation, and then the demand of the energy management strategy model is calculated according to the direction of energy flow transmission by forward simulation. From the energy management strategy model to the working condition model, the actual quantities at all levels are calculated step by step. The invention combines backward simulation and forward simulation to reduce simulation result error.

【技术实现步骤摘要】
基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统
本专利技术属于列车仿真运行领域，具体涉及一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统。
技术介绍
随着我国城市化以及区域城镇化建设的发展，城市交通出现人、车、路三者不协调的现象。交通环境恶化、环境污染、能源利用和噪声等问题都对城市的发展造成了极大压力。市内以及环城区市群居民对便捷车型提出了新的要求。大力发展城市便捷交通方式，尤其是以城市轨道交通方式为核心的高效率交通方式，是缓解城市交通压力的有效对策。基于虚拟轨道的自导向有轨列车就是在这种大形势下提出，它是一种按照轨道交通方式运行的新型道路交通技术。虚拟轨道列车是城市轨道交通系统中的重要组成部分，它能够有效利用城市的空间层次，衔接城市交通体系，会给城市轨道交通的发展带来革命性的影响。虚拟轨道有轨列车能够节约城市轨道交通建设成本，优化城市公共交通体系架构，减少城市街道破坏，能够实现城市轨道交通的高效与便捷。但目前基于混合动力虚拟轨道列车的模型大多为软件数据仿真，无法最大限度的模拟实际运行状况。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，以解决无法最大限度模拟基于混合动力虚拟轨道列车的实际运行状况的问题。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，包括依次相连的工况模型、列车模型、车轮模型、齿轮箱模型、电动机模型、逆变器、辅助负载和CAN总线，并且CAN总线的一端通过直流母线连接能量存储模型，另一端与能量管理策略模型连接，能量存储模型与能量管理策略模型连接，其中首先使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量；然后使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量；将后向仿真中工况模型输出的需求车速与前向仿真中工况模型接收到的实际车速进行比较，若工况模型的实际车速小于需求车速，则表示是由于模型本身物理条件限制列车无法到达期望的需求车速；若工况模型的实际车速大于需求车速，则表示是由于模型环节设计出现问题所致。在一种可选的实现方式中，在使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量时，工况模型，用于根据线路信息，基于目标距离-速度工况模型计算出需求车速；列车模型，用根据所述需求车速计算出在牵引工况下的牵引力合力以及在制动工况下的制动力合力；车轮模型，用于在轮胎滑动子系统的限制下，根据所述牵引力合力和制动力合力计算出齿轮箱的需求转矩和转速；齿轮箱模型，用于根据所述齿轮箱的需求转矩和转速，计算出电动机的需求转矩和转速；电动机模型，用于根据电动机的需求转矩和转速，计算出逆变器的需求功率；逆变器，用于根据所述逆变器的需求功率计算出辅助负载的需求功率；辅助负载，用于根据其需求功率，计算出能量存储模型的需求功率；CAN总线，用于将所述能量存储模型的需求功率传输给直流母线，根据所述能量存储模型的需求功率计算出能量管理策略的需求功率并将所述能量管理策略的需求功率传输给能量管理策略模型；直流母线，用于在接收到能量存储模型的需求功率后，在速度限制器的约束下，通过其电池组测试系统测出其需求电压；能量存储模型，用于在接收到所述需求电压后，将能量状态信息反馈给能量管理策略模型。在另一种可选的实现方式中，在使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量时，能量管理策略模型，用于根据列车牵引运行的需求功率大小、有无接触网、车载ESS最大输入输出功率和车载ESS的工作状态，划分对应模式，通过不同模式下的功率分配计算出能量存储模型的需求功率，并根据所述能量存储模型提供的能量状态信息以及所述CAN总线提供的能量管理策略的需求功率，通过不同模式下的功率分配计算出所述CAN总线的第一实际功率，所述能量管理策略模型中对应模式为5个，分别为：有网牵引模式、低功率牵引模式、高功率牵引模式、低功率制动模式、高功率制动模式；能量存储模型，用于将其需求功率传输给直流母线；直流母线，用于在所述能量存储模型的限制下，根据所述能量存储模型的需求功率计算出CAN总线的第二实际功率；CAN总线，用于根据所述能量管理策略模型提供的第一实际功率以及所述直流母线提供的第二实际功率，计算出辅助负载的实际功率；辅助负载，用于根据其实际功率计算出逆变器输出给传动系统的实际电功率；逆变器，用于根据实际电功率，在转换效率的限制下，计算出电动机模型的实际转矩和转速；电动机模型，用于根据其实际转矩和转速，根据逆变器可用电动机输入功率在旋转探测器模型的限制，计算出齿轮箱模型中传动系统的转子的实际转矩和转速；齿轮箱模型，用于根据齿轮箱模型中传送系统的转子的的实际转矩和转速在传动系统的限制下，计算出车轮模型中轮轨系统的实际转矩和转速；车轮模型，用于根据轮轨系统的实际转矩和转速在传动系统中对轮胎补片牵引力的影响，在刹车控制器的限制下，计算出列车模型的实际牵引力合力和制动力合力；列车模型，用于根据其实际牵引力合力和制动力合力，通过列车速度计算器计算出列车的实际车速并传输给工况模型。在另一种可选的实现方式中，所述目标距离-速度工况模型为：{v*＝f(x)|xstart≤x≤xend,0≤v*≤vlim(x)}，其中，x为列车运行在线路上的位置,m；v*为列车在对应位置处的需求速度；xstart、xend分别为起点站和终点站位置，vlim(x)为线路上限速。在另一种可选的实现方式中，所述列车模型在计算牵引力合力和制动力合力时，将列车考虑为刚性连接的多质点模型，并使用以下列车纵向动力学模型进行表述：式中，j为质点的编号；n为列车质点数，有轨电车编组数较少，本专利技术以每个动力转向架为一个质点；v为列车速度,km/h,考虑为刚性连接时各质点的速度相同；Fj,tr为质点所受的牵引力,kN；mj,D为包含回转质量在内的质点质量，t,惯性质量根据惯性质量系数求解；g为重力加速度；Fj,b为质点所受的制动力，kN；wj,f为质点所受单位阻力的和，包括基本阻力和附加阻力，N/kN。在另一种可选的实现方式中，所述齿轮箱模型的计算公式为：式中，T*gear,in、w*gear,in分别为齿轮箱的需求输入转矩和转速；T*gear,out、w*gear,out分别为齿轮箱的需求输出转矩和转速；i0为齿轮箱的固定传动比；Tinertia、Tloss分别为齿轮箱转动惯量和机械转矩损失。在另一种可选的实现方式中，电动机模型在后向仿真路径中的需求转矩计算考虑电动机的牵引特性和制动特性：式中，ω为电动机转速；为后向仿真路径中电动机输入功率；为电动机的需求输出功率；为电动机最大牵引转矩和最大制动转矩。在另一种可选的实现方式中，所述系统基于ADVISOR建模方法，利用MATLAB/Simulink进行环境开发，建立虚拟轨道列车仿真模型，利用DSPACE平台来模拟现场。在另一种可选的实现方式中，针对系统中的每个组件，将后向仿真中输入该组件的需求量与前向仿真中输入该组件的实际量进行比较，并根据比较结果确定是否对该组件的设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，其特征在于，包括依次相连的工况模型、列车模型、车轮模型、齿轮箱模型、电动机模型、逆变器、辅助负载和CAN总线，并且CAN总线的一端通过直流母线连接能量存储模型，另一端与能量管理策略模型连接，能量存储模型与能量管理策略模型连接，其中首先使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量；然后使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量；将后向仿真中工况模型输出的需求车速与前向仿真中工况模型接收到的实际车速进行比较，若工况模型的实际车速小于需求车速，则表示是由于模型本身物理条件限制列车无法到达期望的需求车速；若工况模型的实际车速大于需求车速，则表示是由于模型环节设计出现问题所致。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，其特征在于，包括依次相连的工况模型、列车模型、车轮模型、齿轮箱模型、电动机模型、逆变器、辅助负载和CAN总线，并且CAN总线的一端通过直流母线连接能量存储模型，另一端与能量管理策略模型连接，能量存储模型与能量管理策略模型连接，其中首先使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量；然后使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量；将后向仿真中工况模型输出的需求车速与前向仿真中工况模型接收到的实际车速进行比较，若工况模型的实际车速小于需求车速，则表示是由于模型本身物理条件限制列车无法到达期望的需求车速；若工况模型的实际车速大于需求车速，则表示是由于模型环节设计出现问题所致。2.根据权利要求1所述的基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，其特征在于，在使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量时，工况模型，用于根据线路信息，基于目标距离-速度工况模型计算出需求车速；列车模型，用根据所述需求车速计算出在牵引工况下的牵引力合力以及在制动工况下的制动力合力；车轮模型，用于在轮胎滑动子系统的限制下，根据所述牵引力合力和制动力合力计算出齿轮箱的需求转矩和转速；齿轮箱模型，用于根据所述齿轮箱的需求转矩和转速，计算出电动机的需求转矩和转速；电动机模型，用于根据电动机的需求转矩和转速，计算出逆变器的需求功率；逆变器，用于根据所述逆变器的需求功率计算出辅助负载的需求功率；辅助负载，用于根据其需求功率，计算出能量存储模型的需求功率；CAN总线，用于将所述能量存储模型的需求功率传输给直流母线，根据所述能量存储模型的需求功率计算出能量管理策略的需求功率并将所述能量管理策略的需求功率传输给能量管理策略模型；直流母线，用于在接收到能量存储模型的需求功率后，在速率限制器约束下通过电池组测试系统测出其需求电压；能量存储模型，用于在接收到所述需求电压后，将能量状态信息反馈给能量管理策略模型。3.根据权利要求1所述的基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，其特征在于，在使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量时，能量管理策略模型，用于根据列车牵引运行的需求功率大小、有无接触网、车载ESS最大输入输出功率和车载ESS的工作状态，划分对应模式，通过不同模式下的功率分配计算出能量存储模型的需求功率，并根据所述能量存储模型提供的能量状态信息以及所述CAN总线提供的能量管理策略的需求功率，通过不同模式下的功率分配计算出所述CAN总线的第一实际功率，所述能量管理策略模型中对应模式为5个，分别为：有网牵引模式、低功率牵引模式、高功率牵引模式、低功率制动模式、高功率制动模式；能量存储模型，用于将其需求功率传输给直流母线；直流母线，用于在所述能量存储模型的限制下，根据所述能量存储模型的需求功率计算出CAN总线的第二实际功率；CAN总线，用于根据所述能量管理策略模型提供的第一实际功率以及所述直流母线提供的第二实际功率，计算出辅助负载的实际功率；辅助负载，用于根据其实际功率计算出逆变器输出给传动系统的实际电功率；逆变器，用于根据实际电功率，在转换效率的限制下，计算出电动机模型的实际转矩和转速；电动机模型，用于根据其实际转矩和转速，根据逆变器可用电动机输入功率在旋转探测器模型的限制，计算出齿轮箱模型中传动系统的转子的实际转矩和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天冬，宋鹏云，冉恒，孙萌萌，崔泓铭，彭安金，杨继斌，张晗，张继业，张卫华，
申请(专利权)人：西南民族大学，
类型：发明
国别省市：四川,51