CN109829259A - 一种混合动力列车运行仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力列车运行仿真计算方法，首先将全线分为等长的小段距离，对每一小段线路建立数学模型，将线路数据、列车数据和牵引控制策略作为输入条件，并分别进行牵引运行计算，输出过程边界结果作为下一小段的输入边界条件，从而计算出全线每一小段线路的机车运用状态，最后对计算结果进行数据分析和图表输出。本发明针对混合动力干线牵引，在设计前期进行多种方案的仿真分析，可以对比分析不同的动力配置和运用方法，确定合适的控制策略和动力匹配方案，还可以评估燃油节省率和经济效益,为混合动力车型的开发和使用提供支持。在试运行前期进行仿真分析，可以评估混合动力车组牵引通过能力，确定合适的牵引策略。

Description

一种混合动力列车运行仿真计算方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种混合动力列车运行仿真计算方法。

背景技术

目前国内外仅有基于时间步长的内燃或电力列车运行仿真计算方法，能够输出时间，速度，功率等基本运行结果，但没有针对混合动力机车和动车组的基于距离步长的运行仿真计算方法，无法输出动力电池的使用状态。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种混合动力列车运行仿真计算方法，首先将全线分为等长的小段距离，对每一小段线路建立数学模型，将线路数据、列车数据和牵引控制策略作为输入条件，并分别进行牵引运行计算，输出过程边界结果作为下一小段的输入边界条件，从而计算出全线每一小段线路的机车运用状态，最后对计算结果进行数据分析和图表输出。

其中，所述数学模型包括如下步骤：

S1.动力源判定：利用每一小段的边界条件，判断可用动力源，其中动力源包括动力电池和/或柴油机；

S2.牵引工况判定：利用输入条件与每一小段的边界条件，判定列车在该小段所采取的牵引工况，其中牵引工况包括满功率提速、调速、进站制动和滑行；

S3.牵引合力计算：根据动力源状态和列车牵引能力计算该小段所能发挥的牵引力或者制动力，再根据当前的牵引工况计算实际发挥的牵引力或制动力，得到牵引力或制动力之后，最后结合线路信息求得该小段的多质点模型运行阻力，最终得到列车合力；

S4.边界结果计算：在计算出该小段的列车合力之后，进一步求得该小段的末端速度、通过时间、柴油机功率与做功以及动力电池功率与做功，以作为该小段的边界结果和下一小段的边界条件。

进一步的，所述步骤S1中：

S11.当动力电池电量低于设定的电池切断SOC值时，切断动力电池，机车采用纯柴油机牵引；

S12.当动力电池电量高于设定的电池恢复牵引SOC值时，重新投用动力电池；

S13.当动力电池电量低于设定的柴油机优先SOC值时，优先采用柴油机牵引；

S14.当动力电池电量高于设定的电池优先SOC值时，优先采用动力电池牵引。

进一步的，所述步骤S2中：

S21.当前速度低于限速时，采用满功率提速工况，逐步提升手柄至最大手把位；

S22.当前方有限速条件或者站点时，通过判定前方的限速要求和常用制动减速度，解算提前制动距离，及时采用调速和进站制动工况；

S23.当前速度达到限速时，列车在设定的速度范围内采用滑行工况；判定前方坡度大小和当前速度大小，采用降手把位或零手把位的牵引方法。

作为优选实施方式，所述列车数据包括列车基本信息、机车基本信息和其他信息，所述列车基本信息包括列车重量、列车长度、列车供电功率、阻力公式和机车数量，所述机车基本信息包括柴油机功率、电池容量、电池功率、最大牵引力、辅助功率、各传动环节效率、电阻制动功率和电池发热功率，所述其他基本信息包括燃油密度、电池比热容和电池单体质量。

作为优选实施方式，所述线路数据包括关系到阻力大小和控制方法的数据，所述关系到阻力大小的数据包括坡道、弯道和隧道数据，所述关系到控制方法的数据包括限速、站点和隧道数据。

作为优选实施方式，所述牵引控制策略包括电池使用控制策略和列车控制策略，所述电池使用控制策略包括电池切断SOC、电池优先或柴油优先转换SOC和柴油机给电池充电SOC策略，所述列车控制策略包括列车滑行速度范围和制动减速度策略。

本发明的有益效果在于：针对混合动力干线牵引，在设计前期进行多种方案的仿真分析，可以对比分析不同的动力配置和运用方法，确定合适的控制策略和动力匹配方案，还可以评估燃油节省率和经济效益,为混合动力车型的开发和使用提供支持。在试运行前期进行仿真分析，可以评估混合动力车组牵引通过能力，确定合适的牵引策略。同时，该仿真计算方法也能够推广到传统内燃机车，以及电力机车的运用仿真工作中。

附图说明

图1是本发明的计算思路示意图；

图2是本发明的仿真模型图；

图3是全线速度曲线图；

图4是站间时间和能耗图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1.本方法的基本思路

主要采用线路数据、列车数据和牵引控制策略作为输入条件，利用数学模型，通过数据计算和处理，输出全线运行状况的模拟结果以及所有过程中的关键数据。

如图1所示，本方法首先通过数据处理手段将全线分为等长的小段距离，对每一小段建立相应的计算用数学模型，并单独进行牵引运行计算，输出过程边界结果作为下一小段的输入边界条件，依靠计算机，能迅速计算出全线每一小段线路的机车运用状态，最后对计算结果进行数据分析和图表输出。

2.数学模型

2.1仿真计算考虑的输入条件

(1)列车数据

列车数据主要包含三类：

·列车基本信息如列车重量、列车长度、列车供电功率、阻力公式、机车数量等；

·机车基本信息如柴油机功率、电池容量、电池功率、最大牵引力、辅助功率、各传动环节效率、电阻制动功率、电池发热功率等；

·其他基本信息如燃油密度、电池比热容和电池单体质量。

(2)线路数据

线路数据包括两类：

·关系到阻力大小的数据如坡道、弯道、隧道等；

·关系到控制方法的数据如限速、站点、隧道等。

(3)牵引控制策略

牵引控制策略包括两类：

·电池使用控制策略如电池切断SOC、电池优先或柴油优先转换SOC、柴油机给电池充电SOC；

·列车控制策略如列车滑行速度范围、制动减速度等。

2.2数学模型

(1)动力源判定

利用每一小段的边界条件，首先判断可用动力源，动力源可能为纯电池、纯柴油机、混合电池优先或混合柴油机优先等情况。

·当动力电池电量低于设定的电池切断SOC值时，切断电池，机车采用纯柴油机牵引；

·当动力电池电量高于设定的电池恢复牵引SOC值时，电池重新投用；

·当动力电池电量低于设定的柴油机优先SOC值时，采用柴油机优先牵引策略以节省电池用电；

·当动力电池电量高于设定的电池优先SOC值时，采用动力电池优先牵引策略以节省燃油消耗。

(2)牵引工况判定

利用输入条件与每一小段的边界条件，判定列车在该小段所采取的牵引工况，牵引工况可能为满功率提速、调速、进站制动和滑行等状态。

·当前速度低于限速时，采用满功率提速工况，逐步提升手柄至最大手把位；

·前方有限速条件或者站点时，通过判定前方的限速要求和常用制动减速度，解算提前制动距离，及时采用调速和进站制动工况；

·当前速度达到限速时，列车在设定的速度范围内采用滑行工况。模拟司机判定前方坡度大小和当前速度大小，采用降手把位、0手把位等不同的牵引方法。

(3)牵引合力计算

根据动力源状态和列车牵引能力计算该小段所能发挥的牵引力或者制动力，再根据当前的牵引工况计算实际发挥的牵引力或制动力，得到牵引力或制动力之后，最后结合线路信息求得的该段多质点模型运行阻力，最终得到列车合力。

其中，仿真模型如图2所示。

(4)边界结果计算

在计算出该小段的合力之后，则可以根据物理学公式求得该小段的末端速度、通过时间、柴油机功率与做功、动力电池功率与做功等结果，作为该小段的边界结果，也作为下一小段的边界条件。

3.输出结果

依靠计算机将每小段距离依次计算完成之后，可将所有边界结果汇总，得到全线的仿真计算结果。

本方法可以计算出的运行数据有：

·通过性：全线与站间通过时间，全线与站间速度曲线等。

·柴油机：全线与站间柴油机负荷率，功率曲线，做功量，油耗等。

·动力电池：全线与站间的充放电功率曲线、耗电量、温度变化曲线、SOC变化曲线等。

·列车：牵引功率与制动功率曲线等。

输出图表的示例如图3、图4所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种混合动力列车运行仿真计算方法，其特征在于，首先将全线分为等长的小段距离，对每一小段线路建立数学模型，将线路数据、列车数据和牵引控制策略作为输入条件，并分别进行牵引运行计算，输出过程边界结果作为下一小段的输入边界条件，从而计算出全线每一小段线路的机车运用状态，最后对计算结果进行数据分析和图表输出；

其中，所述数学模型包括如下步骤：

S1.动力源判定：利用每一小段的边界条件，判断可用动力源，其中动力源包括动力电池和/或柴油机；

S2.牵引工况判定：利用输入条件与每一小段的边界条件，判定列车在该小段所采取的牵引工况，其中牵引工况包括满功率提速、调速、进站制动和滑行；

S3.牵引合力计算：根据动力源状态和列车牵引能力计算该小段所能发挥的牵引力或者制动力，再根据当前的牵引工况计算实际发挥的牵引力或制动力，得到牵引力或制动力之后，最后结合线路信息求得该小段的多质点模型运行阻力，最终得到列车合力；

S4.边界结果计算：在计算出该小段的列车合力之后，进一步求得该小段的末端速度、通过时间、柴油机功率与做功以及动力电池功率与做功，以作为该小段的边界结果和下一小段的边界条件。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力列车运行仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S1中：

S11.当动力电池电量低于设定的电池切断SOC值时，切断动力电池，机车采用纯柴油机牵引；

S12.当动力电池电量高于设定的电池恢复牵引SOC值时，重新投用动力电池；

S13.当动力电池电量低于设定的柴油机优先SOC值时，优先采用柴油机牵引；

S14.当动力电池电量高于设定的电池优先SOC值时，优先采用动力电池牵引。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力列车运行仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S2中：

S21.当前速度低于限速时，采用满功率提速工况，逐步提升手柄至最大手把位；

S22.当前方有限速条件或者站点时，通过判定前方的限速要求和常用制动减速度，解算提前制动距离，及时采用调速和进站制动工况；

S23.当前速度达到限速时，列车在设定的速度范围内采用滑行工况；判定前方坡度大小和当前速度大小，采用降手把位或零手把位的牵引方法。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力列车运行仿真计算方法，其特征在于，所述列车数据包括列车基本信息、机车基本信息和其他信息，所述列车基本信息包括列车重量、列车长度、列车供电功率、阻力公式和机车数量，所述机车基本信息包括柴油机功率、电池容量、电池功率、最大牵引力、辅助功率、各传动环节效率、电阻制动功率和电池发热功率，所述其他基本信息包括燃油密度、电池比热容和电池单体质量。

5.根据权利要求1所述的一种混合动力列车运行仿真计算方法，其特征在于，所述线路数据包括关系到阻力大小和控制方法的数据，所述关系到阻力大小的数据包括坡道、弯道和隧道数据，所述关系到控制方法的数据包括限速、站点和隧道数据。

6.根据权利要求1所述的一种混合动力列车运行仿真计算方法，其特征在于，所述牵引控制策略包括电池使用控制策略和列车控制策略，所述电池使用控制策略包括电池切断SOC、电池优先或柴油优先转换SOC和柴油机给电池充电SOC策略，所述列车控制策略包括列车滑行速度范围和制动减速度策略。