（1）线路信息 北京西郊线全线共7个停靠站（不包括起点端和终点端），分别为香山站、植物园站、万安公墓站、玉泉郊野公园站、颐和园西门站、颐和园南门站、巴沟站。线路平面走向如图5-55所示。
设左线（上行线）中香山站为始发站，巴沟站为终点站；右线（下行线）中巴沟站为始发站，香山站为终点站。其中植物园站，左线与右线的公里标不同，其余站点公里标均相同。在停靠站内架设电网，为列车的车载电源充电，列车停车时间30s。列车进入站台后即刻开始充电，在起动出站台前的一段距离由电网供电，出站后由车载电源供电。
线路中的坡度信息和弯道信息的具体数据见表5-16～表5-21。
图5-54 线路仿真回放界面
图5-55 北京西郊线平面走向示意图
表5-16 北京西郊线（左）线路停靠站位置信息
表5-17 北京西郊线（左）线路坡度信息
表5-18 北京西郊线（左）线路弯道信息
注：表中的inf表示无穷大，曲线半径为无穷大，即为直线。
表5-19 北京西郊线（右）线路停靠站位置信息
表5-20 北京西郊线（右）线路坡度信息
表5-21 北京西郊线（右）线路弯道信息
（续）
本节中考虑了列车运行时的曲线阻力和坡道阻力，坡道阻力这里不再赘述。采用的曲线阻力计算公式为
式中，A为经验常数，取A=600；R为曲线半径，m。
为保证列车安全通过曲线，列车在曲线运行时有速度限制。曲线限速的计算公式为
式中，vmax为列车最大速度值，m/s；R为曲线半径，m。
本节主要是研究混合动力有轨电车在北京西郊线运行时，车载电源配置是否满足要求。
（2）列车相关参数 仿真采用车型为唐山轨道客车有限公司设计的100%低地板有轨电车，编组采用“3动1拖”结构，整车质量为84t（AW3，载员474人）。每辆动车配有4个牵引电机，全车总共12个牵引电机，牵引电机额定功率50kW。每辆车辅助功率为10kW。
单辆动车配有一套电源箱，超级电容与动力电池的配置为“2C1B”，即混合动力电源箱由两组超级电容（Maxwell165F）+一组动力电池（苏州星恒40A·h）组成。复合电源系统由超级电容、动力电池和DC/DC变流器组成。复合电源输出电压为750V（与电网母线电压相同）。动力电池初始输出电压为480V，最大放电电流为120A，最大充电电流为40A，设定当SOC（荷电状态）下降至30%时停止工作。超级电容初始输出电压为480V，最大放电电流设定为700A，最大充电电流最大为300A，设定当SOE（能量状态）下降至45%时停止工作。
DC/DC变流器的低压侧接电源，高压侧接直流母线，直流母线的电压为750V。轮周功率通过传动系统、牵引电机、牵引变流器、DC/DC变流器到电源的功率传递效率约为0.68。功率分配策略为：低功率指令时动力电池为主要能量提供者，高功率指令时超级电容为主要能量提供者。
5.6.2.1 设计工况一的计算分析
针对原方案进行分析计算。部分设计输入条件如表5-22所示。
表5-22 参数表
（1）列车下行（右线行驶） 由巴沟站出发，最终到达香山站。仿真结果如下：
图5-56 电源能量状态、车速与时间关系曲线
图5-57 电源能量状态、车速与行驶距离关系曲线
从图5-56和图5-57中可以看出，动力电池SOC下降很快，未到终点站动力电池SOC已经下降到30%，无法再放电，列车无法行驶至终点站。
由图5-58可知，列车的起动加速度在0.8m/s2左右，制动加速度达到-1.2m/s2。
图5-58 列车加速度曲线
由图5-59和图5-60可以看出，这种配置的电源已经不能满足列车正常运行的能量需求，在运行过程中出现了由于电源能力下降引起的性能下降。
图5-59 列车速度与期望速度关系曲线
（2）列车上行（左线行驶） 由香山站出发，最终到达巴沟站。仿真结果如下：
由图5-61和图5-62可以看出，列车在左线可以行驶完全程，但是到达终点站时动力电池SOC下降到46%左右。动力电池的最大放电电流从120A改成200A后，SOC下降更厉害，列车性能提升不明显。列车运行时间为1200s。
图5-60 电源功率能力、输出功率与时间关系曲线
图5-61 电源能量状态、车速与行驶距离关系曲线
图5-62 电源能量状态、车速与时间关系曲线
由图5-63可以看出，列车起动加速度最大达到0.8m/s2，制动加速度最大达到-1.2m/s2。
图5-63 列车加速度曲线
由图5-64可以看出，列车速度不能很好地跟踪期望速度，电源能力不足。
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图5-64 列车速度与期望速度关系曲线
该线路中曲线半径最小的路段是在颐和园西门站西侧右线85m处，曲线半径为60m。根据曲线限速计算公式可得，此处限速为33.3km/h。而线路中的其他曲线半径第二小值为150m，限速为42km/h，其余曲线半径均远大于150m。因此只需要在颐和园西门站西侧85m处左右（K5+840）做限速处理，但该限速设置对列车整体能量变化情况不构成质的影响。由图5-65可知，列车在进入弯道时，速度已经降到限速范围内，列车可安全通过曲线。
5.6.2.2 设计工况二的计算分析
北京西郊线有三段地下线、一段高架线和一个与公路相交的交叉路口。地下线相应的里程标为：①植物园站与万安公墓站之间的地下线。左线—起点1384.382m，终点1825.457m。右线—起点1822m，终点1383m。②玉泉郊野公园站与颐和园西门站之间的地下线。左线—起点4827.418m，终点5294.323m。右线—起点5295m，终点4825m。③万安公墓站与玉泉郊野公园站之间的地下线。左线—起点3171m，终点3527.768m。右线—起点3530m，终点3171m。高架线相应的里程标为：颐和园南门站与巴沟站间的高架线。左线—起点7939.307m，终点8654.237m。右线—起点8660.492m，终点7938.552m。交叉路口的里程标为：左线—4203m，右线—4215m。
图5-65 曲线限速段列车速度曲线
本工况中进行优化设计，即考虑地下线和高架线架设接触网，交叉路口停车60s这种情况进行仿真。其他仿真参数如表5-23所示。
表5-23 参数表
假定站台长度为64m。
（1）列车下行（右线行驶） 由巴沟站出发，最终到达香山站。仿真结果如下：
图5-66和图5-67中，实线代表动力电池SOC，点划线代表超级电容SOE，虚线代表列车车速。从图5-66和图5-67中可以看出，到终点站时动力电池SOC下降到原有容量的68%左右。列车顺利行驶完全程，运行时间约为1318s。
从图5-68中可以看出，在一些上坡区段，列车速度下降，不能以期望速度运行。但相比前面没有接触网的工况，列车速度下降得较少。除了在终点站前的那个坡道速度下降到约10km/h，其他坡道由于有接触网速度最低也在20km/h左右。
由图5-69得，列车的起动加速度在0.8m/s2左右，制动加速度达到-1.2m/s2，加减速性能良好。超级电容可以满足列车加速时的能量需求。
图5-66 电源能量状态、车速与时间关系曲线
图5-67 电源能量状态、车速与行驶距离关系曲线
图5-68 列车速度与期望速度关系曲线
图5-69 列车加速度曲线
由图5-70可以看出，列车准确地停到了每一站，停车时间都是30s。在交叉路口停车时间为60
图5-70 列车行驶距离、速度与时间关系曲线
图5-71～图5-73是列车运行过程中，电源箱及动力电池、超级电容各自的输出电流大
图5-71 复合电源箱DC高压侧输出电流曲线
小变化情况。从图中可以看出，动力电池的最大输出电流接近120A，超级电容的最大输出电流达到约700A．都在允许范围之内。
图5-72 动力电池输出电流曲线
图5-73 超级电容输出电流曲线
由图5-74可以看出列车运行过程中弯道阻力和坡道阻力对列车速度的影响。列车的续航速度为36km/h．在线路曲线限速范围内，所以弯道对列车速度影响不大。坡道对列车速度影响比较大，在坡度大的地方列车速度降低。由于地下线和高架线架设了接触网，所以列车在有接触网的坡道行驶时性能下降较少，没有接触网的坡道上行驶时性能下降较大。
(2)列车上行（左线行驶） 由香山站出发，最终到达巴沟站。仿真结果如下：
图5-74 线路弯道阻力、坡道阻力和列车速度曲线
由图5-75和图5-76可以看出，列车在左线行驶到达终点站时，动力电池SOC下降到78%左右，列车运行时间大约为1218s。地下线和高架线架设接触网后，减少了动力电池的能量消耗，动力电池SOC在到达终点时保持较高状态，列车运行性能有所提高，运行时间变短。
图5-75 电源能量状态、车速与时间关系曲线
从图5-77中可以看出，在一些上坡区段，列车速度下降，不能以期望速度运行。但相比前面没有接触网的工况，列车速度下降得较少，最低时大约为20km/h。
由图5-78得，列车的起动加速度在0.8m/s2左右，制动加速度达到-1.2m/s2，加减速性能良好。超级电容可以满足列车加速时的能量需求。
图5-76 电源能量状态、车速与行驶距离关系曲线
图5-77 列车速度与期望速度关系曲线
图5-78 列车加速度曲线
由图5-79可以看出，列车准确地停到了每一站，停车时间都是30s。在交叉路口停车时间为60s。
图5-79 列车行驶距离、速度与时间关系曲线
图5-80～图5-82是列车运行过程中，电源箱及动力电池、超级电容各自的输出电流大小变化情况。从图中可以看出，动力电池的最大输出电流接近120A，超级电容的最大输出电流达到约700A，都在允许范围之内。
图5-80 复合电源箱DC高压侧输出电流曲线
由图5-83可以看出列车运行过程中弯道阻力和坡道阻力对列车速度的影响。列车的续航速度为36km/h，在线路曲线限速范围内，所以弯道对列车速度影响不大。坡道对列车速度影响比较大，在坡度大的地方列车速度降低。由于地下线和高架线架设了接触网，所以列车在上坡时性能下降较少。
图5-81 动力电池输出电流曲线
图5-82 超级电容输出电流曲线
图5-83 线路弯道阻力、坡道阻力和列车速度曲线
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