ADVISOR深度二次開發與雙能量源純電動汽車仿真

張昌利，張瑾瑾，劉海波

（1.長安大學 信息工程學院，陜西 西安，710064；2.長安大學 汽車學院，陜西 西安，710064；3.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安，710064）

隨著能源短缺、全球變暖、空氣質量下降等諸多問題不斷加劇，純電動汽車以高效、節能、低噪聲、零排放等顯著優點，在環保和節能方面具有無可比擬的優勢，其應用和普及是汽車工業可持續發展的必然趨勢[1?2]。與傳統的使用蓄電池作為單一能量源的純電動汽車相比，將高比能量的蓄電池和高比功率的超級電容結合起來形成主輔雙能量源存儲系統，更能滿足純電動汽車行駛中對能量和功率的雙重要求[3]。如何合理分配雙能量源存儲系統中蓄電池和超級電容兩者的功率，使車輛獲得良好的經濟性能和動力性能，是當前純電動汽車研究的一個重要方向[4?5]。計算機仿真是純電動汽車研發的重要手段，有利于提高車輛設計的前瞻能力，縮短研發周期，降低研發成本[6]。由于汽車能源動力技術變革漫長，國內純電動汽車的研發必須采用多元、漸進的模式，計算機仿真則必須靈活支持多樣的電動汽車車型和階段性的研發目標，并支持處于同一層次或不同層次的各類仿真模型之間的互操作和復用[7]。目前，國內主要通過對 ADVISOR等電動汽車仿真軟件進行二次開發來實現具體電動汽車的仿真功能[8?11]，存在的問題包括：（1）大量的代碼級switch-case跳轉使仿真處理更加混亂；（2）頻繁的界面跳變降低了用戶操作的友好性和交互性；（3）數據、代碼、界面等 MATLAB文件混合使用影響了二次開發成果的推廣，等等。因此，急需開發一款具有適用性廣、擴展性強、集成性高等特征的電動汽車仿真軟件平臺。為了解決這些問題，本文作者根據蓄電池?超級電容雙能量源純電動汽車的仿真需求，以開源ADVISOR 2002為對象，從2個方面進行深度二次開發：基于ADVISOR現有模型，建立雙能量源純電動汽車的仿真模型；仿照ADVISOR界面邏輯，通過軟件開發工具.NET與MATLAB混合編程開發雙能量源純電動汽車的仿真軟件平臺。與ADVISOR軟件相比，新軟件平臺具有更好的集成性和友好性，特別是引入XML配置文件在仿真框架、仿真模型和仿真數據間建立了弱耦合關系，使仿真平臺具有更好的可擴展性和可移植性，可以在理論和技術上滿足我國電動汽車多元化、漸進性研發的仿真要求。最后，結合典型的循環工況對樣車的整車經濟性能和動力性能進行仿真分析，同時驗證軟件平臺的可用性。

1 雙能量源純電動汽車的仿真模型設計

蓄電池具有比能量高、續航時間長、價格便宜等優點，但循環壽命低，不適合大電流放電。超級電容具有比功率高、循環壽命長、瞬時放電電流大、充電時間短等特點。將超級電容與蓄電池混合應用，可以使電動汽車對能量源系統的比能量和比功率需求分離，蓄電池主要用于滿足車輛對能量和循環壽命的要求，超級電容則在加速爬坡時提供短時的大功率輸出，從而減小蓄電池的放電電流波動，提高雙能量源存儲系統的循環壽命，最大限度地延長汽車行駛里程，并提高整車的動力性能和制動能量回收能力[3?4]。

電動汽車仿真軟件ADVISOR由美國國家再生能源實驗室開發，使用后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法，具有車輛總成參數匹配與優化、傳動/驅動系統能量轉化分析、排放特性/能量消耗對比、車輛能量管理策略評價、整車綜合性能預測分析等功能[12?13]。以ADVISOR軟件提供的單能量源純電動汽車仿真模型為模板進行擴展，本文開發的蓄電池?超級電容雙能量源純電動汽車仿真模型如圖1所示。其中：雙能量源存儲系統包含蓄電池、超級電容、DC/DC變換器和模糊控制策略等模塊，采用超級電容接DC/DC變換器與蓄電池并聯的結構。當純電動汽車起動或正常行駛時，雙能量源按照一定的功率分配比例同時對外輸出功率，驅動電機為汽車提供動力；當汽車制動時，電機工作于再生制動狀態，按照超級電容優先的原則利用制動回收能量同時給2種能量源充電。

圖1 雙能量源純電動汽車的ADVISOR仿真模型Fig.1 ADVISOR-based simulation model for PEV with DESS

雙能量源存儲系統仿真模型中，蓄電池、超級電容、DC/DC變換器3個模塊來自ADVISOR模塊庫。模糊控制策略模塊的仿真模型如圖2所示，包含電機需求功率（再生制動狀態下取負值）、蓄電池荷電狀態SOC、超級電容荷電狀態SOC 3個輸入值，利用模糊控制器，根據一定的模糊控制規則計算需求功率的分配比例，從而將總的需求功率在蓄電池和超級電容之間進行分配。

圖2 雙能量源存儲系統的模糊控制策略仿真模型Fig.2 Simulation model of fuzzy control strategy in DESS

2 雙能量源純電動汽車仿真軟件平臺開發

仿真模型是執行雙能量源純電動汽車仿真工作的基礎，而開發一個易擴展、易移植、界面友好的支撐軟件平臺是仿真工作順利執行的保障。為此，通過總結 ADVISOR的用戶界面組成與用戶操作邏輯，利用.NET和MATLAB等工具開發了雙能量源純電動汽車的仿真軟件平臺，其框架結構如圖3所示。

圖3 雙能量源純電動汽車仿真軟件平臺的框架結構Fig.3 Framework of simulation software platform for PEV with DESS

該框架細分為3部分：用戶定制部分是整個框架的核心，將仿真框架、仿真模型和仿真數據解耦合，并通過 XML配置文件關聯起來，從而可以保證各部分的獨立性，并增強軟件的可擴展性和可移植性；.NET和MATLAB混合編程部分是框架的主干，可以充分發揮.NET和MATLAB各自的優勢，但重點需要解決二者之間的通信問題；用戶界面是人機交互的接口，將各項仿真業務集成于一個統一的界面中，增強了軟件界面的集成性和友好性。

2.1 基于XML的仿真數據定義

可擴展標記語言 XML（Extensible markup language）是近年來形成并飛速發展的數據表示和交換標準，使用標簽元素、標簽屬性等表示數據的結構特征，具有開放性、靈活性、易讀性和平臺無關性等優勢，被越來越廣泛地應用于商業和科學應用系統中[14]。提取圖1所示雙能量源純電動汽車仿真模型的必要仿真數據，使用 XML配置文件定義的數據組織形式如圖4所示。

圖4 雙能量源純電動汽車的XML配置文件結構圖Fig.4 Structure of XML configuration file for PEV with DESS

按照 XML配置結構，電動汽車仿真軟件平臺以仿真項目（Project）為單位記錄動態運行雙能量源純電動汽車仿真模型所必須的全部仿真數據，對應于一個MAT數據文件。每項仿真數據稱作1個參數，具有參數名稱、單位、數據類型（如字符串型、布爾型、整型、浮點型等）、組織方式（如單一數據、數組、映射、矩陣等）、只讀性等屬性。按照項目內數據來源不同，將參數劃分為車輛、循環工況和仿真結果3個類別。車輛參數又根據車輛組裝結構劃分到不同的零部件，如車身/底盤、車輪/車軸、電機/控制器、傳動系、能量源、控制策略、附件等。循環工況參數對應于車輛仿真所使用的路況信息，仿真結果參數則包括執行仿真的所有輸出數據。

上述XML配置文件是整個電動汽車仿真軟件平臺的核心，是連接仿真框架、仿真模型和仿真數據的“橋梁”，使三者間形成弱耦合關系，利于面向仿真模型的擴展和移植。具體而言，XML配置文件定義了仿真數據的組織結構，而仿真數據又是仿真模型的支撐。仿真模型變更會使仿真數據被調整，從而 XML配置文件也需要重新定義。但是，仿真框架主要通過解釋XML文件來實現仿真數據配置和仿真業務控制功能，仿真模型的擴展或移植僅需對 XML配置文件進行變更，而無需修改仿真框架。因此，與原ADVISOR軟件相比，引入 XML配置文件的電動汽車仿真軟件平臺具有更好的可擴展性和可移植性。

2.2.NET與MATLAB混合編程

為了充分利用.NET良好的界面開發能力與MATLAB強大的數據處理能力和仿真能力，電動汽車仿真軟件平臺采用.NET與MATLAB混合編程[15]的開發方法。

圖3所示的電動汽車仿真軟件平臺的框架結構同時給出了.NET與MATLAB混合編程的實現方案。其中，MATLAB代理是整個方案的核心，承擔了用戶界面與MATLAB的通信功能。具體地說，由于ADVISOR 2002軟件所提供的仿真模型均在MATLAB 6.5環境下搭建，無法向更高版本兼容，而僅MATLAB 7.0及以上版本才提供.NET開發支持，為此，本文基于VC++6.0開發了 MATLAB代理，作為常駐操作系統的Windows服務封裝了MATLAB的仿真與數據操作功能，并通過TCP/IP協議與上層用戶界面通信，以代理模式間接地處理用戶界面的仿真請求。

以雙能量源純電動汽車的仿真執行過程為例，上層用戶界面、MATLAB代理及底層MATLAB仿真模型之間的協作過程如圖 5所示。首先，用戶界面和MATLAB代理之間采用Proxy/Stub模式的TCP端口通信，分別使用代碼文件 MatProxy.cs和 UiStub.cpp在本地封裝了對方的TCP端口響應。因此，當用戶在界面端發出仿真執行命令時，仿真請求會直接同步到MATLAB代理端；其次，MATLAB代理封裝了MATLAB平臺的MAT文件解析引擎（代碼中表示為變量MATFile* mfp）和仿真執行引擎（代碼中表示為變量Engine* ep），二者分別操縱臨時數據文件parameter.mat、執行MATLAB代碼文件main.m實現仿真功能。具體而言，MAT文件解析引擎將用戶配置的仿真參數寫入臨時文件，仿真執行引擎操縱main.m文件讀取仿真參數、執行仿真模型，并將仿真結果寫回臨時文件；最后，MAT文件解析引擎從臨時文件讀出仿真結果數據，通過TCP端口通信同步到用戶界面端，向用戶展示仿真結果。

圖5 雙能量源純電動汽車的仿真執行過程Fig.5 Simulation process for PEV with DESS

2.3 用戶界面開發

軟件界面是人機交互的接口，友好性是評價軟件界面優劣的一項重要指標。純電動汽車仿真軟件平臺的用戶界面設計參考了一些成熟軟件的界面模式，所有的仿真業務操作都融合于一個集成的界面環境中，與原ADVISOR用戶界面相比具有更好的集成性和友好性。

圖6所示為1個純電動汽車仿真軟件平臺的用戶界面示例。從圖6可見：電動汽車仿真軟件的用戶界面由標題欄、菜單欄、項目窗口、屬性窗口、客戶區子窗口和狀態欄等組成；左邊的2個可?？看翱诜謩e用于顯示車輛零部件信息及其屬性信息，用戶可以對所選零部件的仿真參數進行設置；右邊為客戶區子窗口，主要用于顯示與行駛工況、車型配置和仿真結果等相關的特性曲線、數據統計等信息，根據不同的信息類別會有不同的展示方式。例如，圖6所示的車型配置客戶子窗口，用戶還可以通過選擇下拉列表查看車型各零部件參數的特性曲線，如圖中電機效率隨電機轉速和電機轉矩變化的特性曲線。

3 雙能量源純電動汽車仿真與結果分析

為了分析蓄電池?超級電容雙能量源純電動汽車的特點和驗證仿真軟件平臺的可用性，本文選用城市小轎車作為仿真研究的車型，表1所示為汽車整車及電機、蓄電池、超級電容的部分參數。其中驅動電機選擇西屋電氣公司（Westinghouse）生產的 75 kW 直流電機，蓄電池選擇霍克公司（Hawker）生產的閥控式鉛酸蓄電池，超級電容選用美國Maxwell公司的PC2500超級電容。荷電狀態SOC（State of Charge）指給定能量源（如蓄電池或超電容）當前容量與完全充電下容量的比例，以百分數表示。循環工況選用中心商業區工況CYC_CBD14，其需求車速曲線圖如圖7所示。

圖6 雙能量源純電動汽車仿真軟件平臺的用戶界面Fig.6 Sample graphic user interface of simulation software platform for PEV with DESS

表1 雙能量源純電動汽車參數Table 1 Parameters for PEV with DESS

圖7 CYC_CBD14循環工況的需求車速曲線截Fig.7 Vehicle speed requirement in CYC_CBD14 driving cycle

圖8 電動汽車仿真軟件平臺的仿真結果客戶區子窗口界面Fig.8 Graphical user interface of simulation results sub-window in simulation platform for PEV with DESS

利用仿真軟件平臺執行仿真后的客戶區界面如圖8所示。圖8還給出了蓄電池和超級電容的SOC值及功率變化波形，并給出了整車動力性能和能量消耗狀況的統計結果。從圖8可見：雙能量源純電動汽車在CYC_CBD14循環工況行駛了3.2 km，蓄電池和超級電容的輸出功率有正有負，蓄電池初始荷電狀態減小了0.047，超級電容初始荷電狀態減小了0.47，蓄電電池提供了95%的能量輸出，超級電容的能量利用效率達到了99%；當蓄電池和超級電容的輸出功率為正時，表示車輛處于加速或者爬坡狀態，此時，蓄電池和超級電容按照一定的模糊控制策略按比例共同提供驅動能量，避免了蓄電池的大電流放電，在提高整車動力性能的同時，保證蓄電池輸出盡可能恒定和平滑；當蓄電池和超級電容的輸出功率為負時，表示車輛處于制動狀態，此時，超級電容發揮了明顯的能量回收作用，增強了制動能量的回收能力，提高了雙能量源存儲系統的充、放電效率，從而在提高電動汽車續駛里程的同時，達到汽車動力性能和經濟性能的統一。針對其他循環工況的仿真實驗可以得到類似的結論，特別在制動頻繁的循環工況下，超級電容的制動能量回收能力更強，整車的續駛里程也明顯增加。

4 結論

（1）以開源ADVISOR 2002軟件為對象進行了深度二次開發，擴展ADVISOR相關模型，建立了蓄電池?超級電容雙能量源純電動汽車的整車仿真模型以XML配置文件為核心、通過.NET與MATLAB混合編程開發了雙能量源純電動汽車的仿真軟件平臺，可以為車輛零部件選型、參數匹配與優化、樣車研發等工作提供仿真支持。

（2）采用蓄電池?超級電容雙能量源存儲系統，能夠同時滿足純電動汽車對能量和功率的雙重要求，車輛的經濟性能和動力性能同時得到提高。

（3）在仿真軟件平臺開發中，使用XML配置文件在仿真框架、仿真模型和仿真數據之間建立了弱耦合關系，提高了仿真平臺的可擴展和可移植性；使用.NET與 MATLAB混合編程及基于代理的通信模式，可以充分利用.NET良好的界面開發能力與MATLAB強大的數據處理能力和仿真能力；軟件平臺用戶界面將所有的仿真業務操作都融合于一個統一的界面環境中，與原ADVISOR相比，用戶界面具有更好的集成性和友好性相比。

（4）采用本文 ADVISOR深度二次開發所形成的仿真軟件平臺可以使專業人員專心于電動汽車的建模，而不用關心軟件平臺的擴展開發，甚至無需掌握軟件開發或編程技能，僅需提供必要的電動汽車仿真模型、XML配置文件和必要的仿真數據即可將仿真功能向其他電動汽車車型移植。

[1]Ehsani M,Gao Y,Emadi A.Modern electric,hybrid electric,and fuel cell vehicles:fundamentals,theory,and design[M].New York:CRC Press,2009:1?18.

[2]陳清泉,孫立清.電動汽車的現狀及發展趨勢[C]//陳清泉.陳清泉院士論文選集:現代電動汽車、電機驅動及電力電子技術.北京:機械工業出版社,2005:6?10.CHEN Qing-quan,SUN Li-qing.The present status and future trends of electric vehicles[C]//CHEN Qing-quan.Academician Chen Qing-quan’s Selected Works:Modern Electric Vehicles,Electric Drives and Power Electronics.Beijing:China Machine Press,2005:6?10.

[3]曹秉剛,曹建波,李軍偉,等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報,2008,42（11）:1317?1332.CAO Bing-gang,CAO Jian-bo,Li Jun-wei,et al.Ultracapacitor with applications to electric vehicle[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2008,42（11）:1317?1332.

[4]Ortuzar M E,Moreno J,Dixon J W.Ultracapacitor-based auxiliary energy system for an electric vehicle:Implementation and evaluation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54（4）:2147?2156.

[5]張昌利,張亞軍,閆茂德,等.雙能量源純電動汽車再生制動模糊控制與仿真[J].系統仿真學報,2011,23（2）:233?238.ZHANG Chang-li,ZHANG Ya-jun,YAN Mao-de,et al.Fuzzy control modeling and simulation of regenerative braking system for pure electric vehicle with dual-source energy storage system[J].Journal of System Simulation,2011,23（2）:233?238.

[6]徐寶云,王文瑞.計算機建模與仿真技術[M].北京:北京理工大學出版社,2009:1?15,246?274.XU Bao-yun,WANG Wen-rui.Computer modeling and simulation[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2009:1?15,246?274.

[7]中國汽車 T10電動汽車工作組.我國節能與新能源汽車發展研究報告[N].北京:中國工業報,2010?08?16.China Automotive T10 Electric Vehicles Working Group.Research report on energy saving and new energy vehicles development in China[N].Beijing:China Industry News,2010?08?16.

[8]程鶯,馮能蓮,李克強,等.ADVISOR混合動力電動汽車仿真系統的二次開發和應用[J].汽車工程,2004,26（3）:249?253.CHENG Ying,FENG Neng-lian,LI Ke-qiang,et al.Redevelopment and its application of powertrain simulation system for hybrid electric vehicle based on ADVISOR[J].Automotive Engineering,2004,26（3）:249?253.

[9]于遠彬,王慶年.基于 ADVISOR的仿真軟件的二次開發及其在負荷電源混合動力汽車上的應用[J].吉林大學學報:工學版,2005,35（4）:353?357.YU Yuan-bin,WANG Qing-nian.Redevelopment of HEV simulation software based on ADVISOR for HEV with synergic electric power supply system[J].Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition,2005,35（4）:353?357.

[10]Sun T,Kim B,Lee J,et al.Determination of parameters of motor simulation module employed in ADVISOR[J].IEEE Transactions on Magnetics,2008,44（6）:1578?1581.

[11]張昌利,張瑾瑾,楊盼盼.基于ADVISOR的雙能量源純電動汽車仿真[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2011,35（3）:462?466.ZHANG Chang-li,ZHANG Jin-jin,YANG Pan-pan.ADVISOR-based simulation study on pure electric vehicle with dual-energy storage system[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science &Engineering,2011,35（3）:462?466.

[12]Markel T,Brooker A,Hendricks T,et al.ADVISOR:A systems analysis tool for advanced vehicle modeling[J].Journal of Power Sources,2002,110（2）:255?266.

[13]張云,張承慧.ADVISOR仿真軟件及其在電動汽車仿真中的應用[C]//中國自動化學會控制理論專業委員會.第三十屆中國控制會議論文集.北京:北京航空航天大學出版社,2011:6235?6238.ZHANG Yun,ZHANG Cheng-hui.ADVISOR and its application in electric vehicle simulation[C]//Technical Committee on Control Theory,Chinese Association of Automation.Proc of Chinese Control Conference.Beijing:Beihang University Press,2011:6235?6238.

[14]段春虎,沈為群,宋子善.XML存儲結構在仿真數據庫中的應用研究[J].計算機仿真,2008,25（2）:33?36,86.DUAN Chun-hu,SHEN Wei-qun,SONG Zi-shan.Application of XML storage structure in simulation database[J].Computer Simulation,2008,25（2）:33?36,86.

[15]王素立,高潔,孫新德.MATLAB混合編程與工程應用[M].北京:清華大學出版社,2008:33?54,75?92.WANG Su-li,GAO Jie,SUN Xin-de.MATLAB mixed programming and engineering application[M].Beijing:Tsinghua University Press,2008:33?54,75?92.