基于ADVISOR二次開發的水平運輸機車研究

［摘 要］針對水平運輸機車的研制、開發和測試，提出一種基于ADVISOR 二次開發的仿真測試方法。通過分析機車的構造和特性，建立其蓄電池、電動機、傳動系統及整車仿真模型，并根據機車運行工況數據建立特有的實際工況模型。使用機車實際模型對ADVISOR 軟件進行針對性開發，得到與實際效果相一致的機車性能模擬分析結果。該方法可為機車的研制和開發提供數據支撐和超前的模擬評價分析，縮短機車的研發周期，降低開發成本。

［關鍵詞］ADVISOR ；水平運輸機車；二次開發；仿真

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

我國對于機車的研發大多基于對電機牽引力、電池容量、載重等少量關鍵參數的簡單計算，結合使用中的表征特性，實現對機車性能的評估。美國可再生能源實驗室在Matlab 和Simulink 軟件環境下開發的仿真軟件ADVISOR2002，可根據需求設計車輛模型和相關參數，完成有效的仿真。文章針對45 t 水平運輸機車，利用ADVISOR2002 并進行二次開發，實現了對鋰電池能量模型下機車的仿真，填補了隧道運輸設備在仿真領域的空白。

1 水平運輸機車總成及主要參數

機車主要結構分為操縱臺、變頻器柜、車架、走行裝置、傳動系統、電池箱、制動系統、空壓機等，其電動機通過萬向聯軸器驅動齒輪減速傳動箱，經過二級齒輪減速傳動到車軸上，從而牽引機車運行。操縱臺和變頻柜安裝在駕駛室內，實現機車的駕駛操作和控制。能量電池是機車的能量來源，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 通訊實現對變頻器的多段速控制、狀態監測和報警監控。同時將數據發送至人機交互界面，實現對供電電壓、驅動電流、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。由三相異步電動機、傳動系統組成動力執行和傳輸單元，走行裝置涉及車輪與軸，使得機車平穩運行在軌道上。制動系統實現了機車制動和能量回收。

機車采用變頻器控制下的三相異步電動機作為驅動，并通過調節變頻器的頻率實現電動機轉速控制進而控制機車行駛速度。傳動系統采用單級主減速器、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作為整車電機。三相異步電動機具有結構簡單、運行可靠、自重輕、價格便宜等優點，特別適合用于牽引動力。采用分級調速，通過變頻器改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法，實現整車的調速。

基于機車的組成和原理，結合ADVISOR2002 軟件特點，將機車各部分依照軟件要求建立對應的模型，實現軟件的二次開發，搭建水平運輸機車仿真系統。

2 水平運輸機車仿真系統開發

2.1 機車整車模塊

確定機車動力性，即確定機車沿行駛方向的動力特性。對于機車整車建模，考慮將機車進行兩種不同情況的分析：①對于單獨牽引機車，將其按照四輪驅動的動力模型機型建模；②對于機車整列編組，將其簡化為前輪驅動的動力學模型進行建模。同時，主要計算模型還可分為單質點和多質點兩類。單質點將機車看作一個沒有尺寸大小的質點，所有受力都發生在質點上；多質點將機車視為多個質點構成的質點鏈，需要考慮機車車輛間的縱向力，受力分析復雜。

文章采用單質點模型，結合編組情況，將機車視為前輪驅動模型進行分析。由于機車行進的路線較遠，相較于路線而言機車本身的長度可以忽略，其動力來源主要是機車頭的動力輸出，將其模型簡化后，與實際情況一致，更有利于模擬仿真和數據分析。

2.2 機車能量模型

文章采用電動汽車仿真中最常用的內阻模型建立對應的能量模塊，即將蓄電池組視為一個理想的開路電壓源，串聯一個內阻表示，根據電壓特性方程可計算出在給定荷電狀態和請求電池功率狀態下的開路電壓和內阻。鋰電池建模根據機車工作電壓范圍、最大需求電流及電池性能參數，確定每組電池串聯數量和電池組并聯數量，其具體參數為：單體額定電壓3.2 V，額定容量25 Ah，電池總數量為2 970，即18S165P。

2.3 機車工況模型

AADVISOR 提供了CYC_ECE、CYC_FTP 和CYC_015 等56 種國外標準的道路循環供用戶選擇。但由于ADVISOR 開發時間較早及后續開發間斷問題，ADVISOR 中的默認循環工況較少，沒有我國道路工況相關數據，尤其不存在機車運行的工況數據。因此根據ADVISOR 仿真需求，針對國內工地進行現場數據采集，建立了45 t 機車的實際工況模型，同時記錄下電池SOC（剩余電量）變化區間，用以驗證仿真結果。

試驗分別采集了機車在武漢和合肥兩工地的數據，提取、整理、轉換后得到其工況數據，分別對應武漢工況下SOC 變化區間為100%～93%（表示SOC由100% 變化至93%），合肥工況下SOC 變化區間為86%～77%（表示SOC 由86% 變化至77%）。通過工況數據和電池初始狀態等參數的不同，分別進行模擬仿真，使得其結果具備普遍性特征。

2.4 輸入參數設計

ADVISOR2002 軟件的參數輸入是圖形化界面，包括迎風面積、軸距、整車質量、實際載重、阻力系數、電池電壓等。將以上數據分別將其輸入到界面，實現機車實際數據對參數輸入的二次開發。

2.5 仿真任務設定

根據測試需要，機車采用武漢、合肥兩工地實際使用過程中采集的速度工況作為仿真工況，電池初始參數設定也與速度工況對應的電池參數一致，保證了仿真工況與機車實際參數的完全一致。

3 機車仿真及驗證

對ADVISOR 進行二次開發，建立機車仿真頂層模型，內含參數輸入和對應的M文件。在頂層模型中，針對機車結構與特性，替換原有的工況drive cycle、整車vehicle、車輪與軸wheel and axle、電機及控制motor/controller 等模型，同時根據機車實際參數，對原參數和文件進行相應修改，包括減速器、電氣附件等參數，實現了對ADVISOR 的二次開發，使其符合機車的實際設計要求和性能參數。

仿真試驗針對武漢、合肥兩地工況，對鋰電池機車進行仿真測試，并與實際數據對比，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。結果表明，在機車模型下，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 仿真變化曲線和實際機車BMS 采集SOC 變化曲線，圖2（b）與圖2（c）分別是合肥工地的SOC 仿真變化曲線和實際機車BMS 采集SOC 變化曲線。實際電池SOC 數值通過機車控制PLC 采集BMS（電池管理系統）數據得到，由于PLC 存在運行周期，因此實際曲線呈折線，但不影響結果對比。仿真曲線與實際變化曲線對比表明，在機車模型下，SOC 仿真曲線的變化情況，電池電量在機車速度較大時下降速度較快，與實際電池變化情況一致。

根據圖1、2 仿真結果分析得出：①建立的機車模型在各工況下，仿真速度與工況要求速度基本吻合，能夠實現仿真速度與實際工況速度的合理跟隨，充分表明仿真結果的有效性；② SOC 仿真曲線與實際曲線吻合，特性分析上均符合實際情況，能夠實現對電池電量的模擬和分析；③鋰電池機車仿真結果，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，數據效果真實可靠。

4 結束語

文章基于市場上應用最多的45 t 鋰電池水平運輸機車，對ADVISOR 進行二次開發，建立了機車模型，與機車實際工況結合進行仿真，仿真結果符合實際情況，實現了對機車的性能評估，填補了隧道機車在仿真領域的空白，對后續產品的優化及新產品的設計具有實際的參考價值和指導意義。

參考文獻

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