混合动力汽车仿真软件及系统优化

在混合动力汽车仿真方面得到广泛应用的仿真软件很多，主要包括：1993年爱达荷州国家工程实验室（Idaho National Engineering Lab）开发的SIMPLEV2.0、1994年大气环境有限公司（Aero Vironment，Inc.）开发的CarSim2.5.4、1997年德克萨斯A＆M大学开发的V-Elph、美国可再生能源国家实验室（National Renew-able Energy Laboratory）开发的ADVISOR、美国Argonne国家实验室开发的PAST，以及奥地利李斯特内燃机及测试设备公司（AVL LIST GmbH）开发的CRUISE等。其中，PAST及CRUISE是采用前向仿真方法，其余仿真软件均采用后向仿真方法。

PAST、CRUISE和ADVISOR的模型相对比较完善、仿真精度较高、配置修改比较容易，因而在混合动力汽车仿真实验中应用较广泛；ADVISOR的代码完全公开，是目前国际上应用最为广泛的混合动力汽车仿真软件[5]。

1.ADVISOR仿真软件简介

ADVISOR（ADvanced Vehicle SimulatOR，高级车辆仿真器）从1994年开始开发与使用，1998年被正式命名为ADVISOR。1998年到2003年间，ADVISOR在全世界范围内被下载了超过7000次。2003年初，奥地利的AVL动力系统工程公司与美国能源部达成协议，获准开发和销售ADVISOR2002以后的版本，进行商业化运作。

ADVISOR提供了两种方式来定义车辆传动系统的类型：一种是ADVISOR内部保存的包括Insight和Prius在内的37种汽车的数据文件，用户可以选择合适类型的汽车，在此基础上进行修改；另一种是ADVISOR内部保存了传统汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、并联混合动力汽车、串联混合动力汽车、混联混合动力汽车等11种类型的传动系统作为模板，用户可在此基础上定义自己的传动系统。另外用户还可以自定义新类型的传动系统增加到ADVISOR的模板库中。

ADVISOR采用了后向仿真与前向仿真相结合的仿真结构。它首先应用后向仿真方法，按照与实际功率流运动相反的方向（即逆向路径），根据循环工况的要求，从汽车轮胎模块到发动机模块与蓄电池模块，在考虑各个部件的机械效率和功率限制的前提下，计算出当前部件对上一级部件的请求速度和转矩值，依次逐级传递，直到发动机模块与蓄电池模块计算出它们各自所能提供的实际功率为止。在完成后向路径的计算后，ADVISOR应用前向仿真方法，从发动机模块与蓄电池模块到汽车轮胎模块，按照实际功率流运动的方向（即正向路径），计算出当前部件能提供给下一级部件的实际速度和转矩值，逐级传递，直至汽车轮胎模块，最后计算出汽车的实际速度。

因此，可以说ADVISOR中的前向仿真是其后向仿真的补充，是在根据循环工况需求逆向计算得到发动机所能提供功率的前提下，再正向计算在此发动机功率下汽车可能达到的车速，这部分计算并不影响控制器对整车需求功率的分配，因而总的来说，后向仿真从根本上决定了ADVISOR中部件的选型配置及控制策略的设计。

ADVISOR仿真软件采用模块化的设计思想，分别建立部件仿真模块，如发动机模块、电动机模块、变速器模块、主减速器模块和车轮模块等。各个模块均包含标准数据I/O接口以便于进行模块间的数据传递，而且各模块都可以根据需求随意组合使用，也可以在现有模型的基础上对模块进行修改和完善，建立新的满足需求的汽车模型，缩短建模时间，提高建模效率。

ADVISOR仿真软件以后向仿真计算为主、前向仿真检验为辅，其仿真计算方法基于两个如下假设：

1）任何混合动力汽车传动系统部件向上级临近部件所请求的转矩和功率不会超过该部件的实际使用值。

2）在前向路径与后向路径的计算过程中，相同的部件的效率始终保持一致。

图4-3是在MATLAB/Simulink环境下ADVISOR中典型混合动力汽车仿真模型的顶层模块图。其仿真流程为：首先进行后向路径仿真计算，然后进行前向路径仿真检验。在后向路径仿真计算过程中，由道路工况提供混合动力汽车的行驶特征，经车轮模块计算得出车轮所需的转矩及转速，并通过后向路径（图中自左向右箭头所示）逐级向主减速器、变速器等上级模块传递，最后将请求功率通过控制策略模块分配给发动机模块及蓄电池模块，进而计算出发动机模块及蓄电池模块所应提供的实际功率。在前向路径仿真检验中，由发动机模块及蓄电池模块所应提供的实际功率出发，通过前向路径（图中自右向左箭头所示）逐级向下级模块传递，最后由车轮模块计算出实际行驶速度。

图4-3 ADVISOR中典型混合动力汽车仿真模型的顶层模块图

2.ADVISOR的文件结构

ADVISOR仿真软件由输入脚本文件、模块图、输出脚本文件和控制脚本文件四个部分组成^[6]。

输入脚本文件包括部件数据文件和车辆定义文件两个部分，它既可以对仿真软件工作空间的变量进行定义，又可以对其他输入脚本文件进行调用。部件数据文件中定义了混合动力汽车该部件中的相关参数，车辆定义文件则对混合动力汽车的类型和动力系统结构进行了定义。输入文件是MATLAB的脚本文件（*.m），例如车辆定义文件VEH_INSIGHT.m定义了本田公司Insight混合动力汽车的质量、运行阻力系数等各项参数。部件数据文件如MC_AC83.m、WH_PRIUS_JPN.m以及FC_INSIGHT.m等。

模块图由一些MATLAB/Simulink格式的mdl文件组成，这些文件都是混合动力汽车各部件的模型，其中包括了各种动力学方程用于仿真计算。例如，默认的并联式混合动力汽车模型文件为BD_PAR.mdl。

输出脚本文件主要由错误检查程序和画图程序组成，通过对工作空间进行搜索来实现仿真结果的一些后续处理，包括绘制关系图表和错误检测。ADVISOR中输出脚本文件也是MATLAB的脚本文件（*.m），如choutputs.m。

控制脚本文件对仿真程序的运行进行控制，既可以生成输入，同时也可以对输出进行一些处理，包括ADVISOR的图形用户界面和优化程序等，供用户选择不同的仿真功能。

ADVISOR定义的所有模型和数据文件都是以一个规定的大写前缀加上下画线构成，在这些文件中定义的变量引用相同的小写前缀，在Simulink的模型中则加上尖括号（＜＞），见表4-1。

表4-1 ADVISOR仿真软件文件命名表

ADVISOR的工作原理是：首先由控制脚本操作输入脚本输入道路工况的请求（主要包括汽车行驶速度、整车质量及道路坡度），根据部件数据文件及车辆定义文件中的相关数据，通过仿真模型计算出混合动力汽车在当前时间步长内的实际速度、燃油消耗、污染物排放等结果，然后继续进行下一步长的仿真计算，直到整个道路工况结束，最后输出仿真结果。ADVISOR仿真数据流程如图4-4所示。(www.xing528.com)

图4-4 ADVISOR仿真数据流程图

3.ADVISOR的系统功能

ADVISOR2002拥有三个仿真界面：车辆输入界面（Vehicle Input）、参数设置界面（Simulation Parameters）、结果输出界面（Results）。在车辆输入界面，左侧上方是汽车相关信息的图像描述，可以得到整个驱动系统的组成结构以及能量的流动方向，下方显示用户所选择的驱动系统中某个总成的不同性能；在界面右侧的上方，用户可以控制仿真汽车的结构形式以及驱动系统中各总成的类型。每一种总成在ADVISOR文件库中都有若干类型供用户选择，用户通过选择不同总成数据文件，就可定义仿真车辆的各种参数。其中部分参数可直接在界面上修改，如发动机的最大功率和峰值效率等参数。在右侧下方，用户可以通过修改变量列表里变量的数值来改变车辆各总成的相关参数，这样可以极大地方便用户对车辆各参数的设置。用户还可以将输入的车型文件进行保存，以便在下次仿真时可以直接调用这些参数。单击“Continue”按钮进入参数设置界面，参数设置界面主要用来选择试验方案以及设置仿真的初始条件，左侧上方是选择的道路循环的轨迹曲线，下面是循环工况的文字描述或统计信息；右侧可以选择特定的道路循环，对车辆的初始状态如温度、电池荷电状态值等进行设置，以及进行加速性能和爬坡能力仿真。同时ADVISOR还可以选择1～3个部件参数，分析它们对车辆的燃油经济性和有害气体排放等性能的影响。在对汽车仿真初始状态进行设置后，单击“RUN”按钮进行仿真，仿真结束后进入仿真结果输出界面。结果输出界面主要用来输出仿真结果。左侧是仿真结果的曲线表示，它能同时显示任意4组部件参数值随仿真时间的变化情况；右侧提供燃油消耗率、行驶距离、有害气体排放、加速度和爬坡能力报告，并提供能源消耗图和回放功能，有助于用户更直观地了解整个仿真过程^[7]。本书将从汽车参数设置、仿真参数设置和仿真结果三个方面逐步介绍ADVISOR的系统功能。

（1）汽车参数设置 启动ADVISOR，单击“Start”按钮即可进入车辆输入界面（Vehicle Input），如图4-5所示。用户可以在该页面对汽车进行参数设置，默认是一款并联式混合动力汽车的设置。单击界面右侧最上方的“Load File”按钮可调入车型文件，可以将仿真软件自带的车型或用户自定义车型数据调入，加载到AD-VISOR中。单击“Drivetrain Config”按钮可弹出仿真车辆传动系统类型的选择菜单，其下拉对话框中有传统式、并联式、串联式、用户自定义等传动系统结构供用户选择，用户既可以选择软件已有的传动系统类型，也可以通过下拉框中的“cus-tom”添加自定义模型（BD_*.mdl），对软件进行二次开发。在选择传动系统类型后，页面左上方的示意图会作相应更改，而且所有部件的默认值也会作相应调整。

选中合适的汽车结构后，可以对汽车的其他参数进行定义。用户可以在右侧的下拉对话框中选择合适的部件，也可以单击对话框左侧的按钮，在弹出的对话框中添加用户自定义的部件或者查看它们对应的数据文件（*.m）。

选中某个部件后，该部件的参数即可通过修改其m文件或单击“Edit Var”按钮进行修改，其中部分变量值可以通过直接修改其右侧参数值框中的数值来完成。值得注意的是，界面右下角有个名为“override mass”的选项，该选项的功能是直接对汽车的总质量进行定义，选中该选项后，后面的仿真均采用此数值而忽略掉根据选择的部件计算出来的质量总和。

图4-5 ADVISOR车辆输入界面

页面右下方有一组弹出式的下拉列菜单和一幅图表，选中变量后，可以在图表中查看相关部件的信息，例如燃油效率图、尾气排放图、效率图等。单击页面右上角的“Auto-Size”按钮可动态调整汽车的参数，使之最终达到加速和爬坡能力的要求。

（2）仿真参数设置 汽车参数设置完毕后，单击“Continue”按钮进入仿真参数设置页面，如图4-6所示。该页面的右上部分有“Drive Cycle”、“Multiple Cy-cles”和“Test Procedure”三个单选项。

选中“Drive Cycle”，可以在弹出的下拉菜单中选择一种循环工况。ADVISOR仿真软件给出了50多种循环工况循环供选择。若要进行蓄电池荷电状态修正，则选择“SOC Correction”，可以同时设置要测试的循环次数，默认为一次。单击“Initial Conditions”按钮可对起动时的状况进行设置。选择“Cycle Filter”可平滑循环工况的输出。选择“Constant Road Grade”用一个恒定的坡度代替循环工况中的坡度变化。选择“Interactive Simulation”则允许进行实时交互式仿真。单击“Trip Builder”按钮允许用户自定义工况进行测试。

“Multiple Cycles”保存包括了初始状况的设置信息，然后在同样的初始条件下，运行选中的各种循环工况。若要运行多种工况测试时，选择该项将提高仿真速度。

图4-6 ADVISOR仿真参数设置界面

“Test Procedure”恰当地将不同的工况按照某些规则组合起来进行测试，得到一个组合的燃油效率。选中后将在页面左下方的对话框中详细描述。

界面中间“Acceleration Text”和“Grade ability Text”两个复选框可进行加速能力测试和爬坡能力测试，是仿真设置的关键。选中“Acceleration Text”后，用户可以设置测试的条件：换挡延迟时间（系统默认为0.2s）、参与加速的动力源（发动机或蓄电池，或两者都参与加速）、电池SOC的初始值、车辆的质量；还可以设置测试结果参数：从0加速到某一车速的时间、从一个车速加速到另一个车速的时间、行驶某一段距离所需的时间、某一时间长度能行驶的距离、最大加速度、最高车速等。用户可以根据需要设定这些参数。选中“Gradeability Text”后，基本测试条件为：坡度值、爬坡车速、爬坡持续时间、参与爬坡的动力源（发动机或蓄电池，或两者都参与爬坡）、电池SOC的初始值、车辆的质量。用户可以指定以某一车速进行爬坡测试，测试出以这一车速可达到的最大爬坡度，求解约束条件为最大坡度、最小坡度等。

“Parametric Study”为参数分析选项，可以选择1～3个部件参数进行分析，需要设置参数的上下限以及中间的数据点数，参数分析会对这些参数值构成的输入矩阵运行一系列的仿真，在三维坐标图上用不同的颜色代表不同数值的方式，来分析这些参数对车辆的燃料经济性和有害气体排放等性能的影响，但程序运行耗时长。“Elec.AuX.Loads”是辅助电气设备选项，用来施加辅助电气设备载荷，并设置它们的开关时间，计算车辆上辅助电气设备的能源消耗。这些电气设备包括除霜设备、收音机和照明设备等。用户定义这些设备的电流、电压特性和与道路循环相关联的使用时间等数据后，就可以仿真出辅助电气设备的负荷。单击“Optimize cs vars”可打开控制策略优化设置窗口。在仿真参数设置页面的左侧是相应的循环工况的图表和说明。

（3）仿真结果 仿真参数设置完毕后，单击“Continue”按钮即可进入结果输出界面，如图4-7所示。

图4-7 ADVISOR结果输出界面

界面左侧列出了主要数据的图表，最多可以列出四幅图，还可以自行选择需要显示的变量。界面右侧上方列出了燃油消耗量、有害气体的排放量及行驶距离，下方给出了加速性能及爬坡性能的仿真结果。单击“Energy Use Figure”按钮，会弹出系统效率统计表，描述仿真过程中各个部件在做功模式（POWER MODE）和能量再生模式（REGEN MODE）下的输入能量、输出能量、损失能量和效率。单击“Output Check Plots”按钮则列出一系列关系曲线来展示汽车的工作情况，其中有一部分是结果输出界面左边未列出的。ADVISOR还对汽车运行的轨迹和期望轨迹是否吻合进行检测，对结果进行统计分析，结果显示在“Warnings/Messages”窗口中。比较仿真（Compare Simulations）功能可以同时打开8个仿真结果文件和测试数据文件，将它们显示在同一幅坐标图上进行比较，另外提供了条形图（Bar Chart）和极坐标图（Spider Plot）两种方式进行比较。重放（Replay）功能在可视化的GUI上动态显示仿真结果，其界面与交互式仿真的GUI相同。