ADVISOR深度二次开发与双能量源纯电动汽车仿真

张昌利，张瑾瑾，刘海波

（1.长安大学 信息工程学院，陕西 西安，710064；2.长安大学 汽车学院，陕西 西安，710064；3.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安，710064）

随着能源短缺、全球变暖、空气质量下降等诸多问题不断加剧，纯电动汽车以高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有无可比拟的优势，其应用和普及是汽车工业可持续发展的必然趋势[1−2]。与传统的使用蓄电池作为单一能量源的纯电动汽车相比，将高比能量的蓄电池和高比功率的超级电容结合起来形成主辅双能量源存储系统，更能满足纯电动汽车行驶中对能量和功率的双重要求[3]。如何合理分配双能量源存储系统中蓄电池和超级电容两者的功率，使车辆获得良好的经济性能和动力性能，是当前纯电动汽车研究的一个重要方向[4−5]。计算机仿真是纯电动汽车研发的重要手段，有利于提高车辆设计的前瞻能力，缩短研发周期，降低研发成本[6]。由于汽车能源动力技术变革漫长，国内纯电动汽车的研发必须采用多元、渐进的模式，计算机仿真则必须灵活支持多样的电动汽车车型和阶段性的研发目标，并支持处于同一层次或不同层次的各类仿真模型之间的互操作和复用[7]。目前，国内主要通过对 ADVISOR等电动汽车仿真软件进行二次开发来实现具体电动汽车的仿真功能[8−11]，存在的问题包括：（1）大量的代码级switch-case跳转使仿真处理更加混乱；（2）频繁的界面跳变降低了用户操作的友好性和交互性；（3）数据、代码、界面等 MATLAB文件混合使用影响了二次开发成果的推广，等等。因此，急需开发一款具有适用性广、扩展性强、集成性高等特征的电动汽车仿真软件平台。为了解决这些问题，本文作者根据蓄电池−超级电容双能量源纯电动汽车的仿真需求，以开源ADVISOR 2002为对象，从2个方面进行深度二次开发：基于ADVISOR现有模型，建立双能量源纯电动汽车的仿真模型；仿照ADVISOR界面逻辑，通过软件开发工具.NET与MATLAB混合编程开发双能量源纯电动汽车的仿真软件平台。与ADVISOR软件相比，新软件平台具有更好的集成性和友好性，特别是引入XML配置文件在仿真框架、仿真模型和仿真数据间建立了弱耦合关系，使仿真平台具有更好的可扩展性和可移植性，可以在理论和技术上满足我国电动汽车多元化、渐进性研发的仿真要求。最后，结合典型的循环工况对样车的整车经济性能和动力性能进行仿真分析，同时验证软件平台的可用性。

1 双能量源纯电动汽车的仿真模型设计

蓄电池具有比能量高、续航时间长、价格便宜等优点，但循环寿命低，不适合大电流放电。超级电容具有比功率高、循环寿命长、瞬时放电电流大、充电时间短等特点。将超级电容与蓄电池混合应用，可以使电动汽车对能量源系统的比能量和比功率需求分离，蓄电池主要用于满足车辆对能量和循环寿命的要求，超级电容则在加速爬坡时提供短时的大功率输出，从而减小蓄电池的放电电流波动，提高双能量源存储系统的循环寿命，最大限度地延长汽车行驶里程，并提高整车的动力性能和制动能量回收能力[3−4]。

电动汽车仿真软件ADVISOR由美国国家再生能源实验室开发，使用后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法，具有车辆总成参数匹配与优化、传动/驱动系统能量转化分析、排放特性/能量消耗对比、车辆能量管理策略评价、整车综合性能预测分析等功能[12−13]。以ADVISOR软件提供的单能量源纯电动汽车仿真模型为模板进行扩展，本文开发的蓄电池−超级电容双能量源纯电动汽车仿真模型如图1所示。其中：双能量源存储系统包含蓄电池、超级电容、DC/DC变换器和模糊控制策略等模块，采用超级电容接DC/DC变换器与蓄电池并联的结构。当纯电动汽车起动或正常行驶时，双能量源按照一定的功率分配比例同时对外输出功率，驱动电机为汽车提供动力；当汽车制动时，电机工作于再生制动状态，按照超级电容优先的原则利用制动回收能量同时给2种能量源充电。

图1 双能量源纯电动汽车的ADVISOR仿真模型Fig.1 ADVISOR-based simulation model for PEV with DESS

双能量源存储系统仿真模型中，蓄电池、超级电容、DC/DC变换器3个模块来自ADVISOR模块库。模糊控制策略模块的仿真模型如图2所示，包含电机需求功率（再生制动状态下取负值）、蓄电池荷电状态SOC、超级电容荷电状态SOC 3个输入值，利用模糊控制器，根据一定的模糊控制规则计算需求功率的分配比例，从而将总的需求功率在蓄电池和超级电容之间进行分配。

图2 双能量源存储系统的模糊控制策略仿真模型Fig.2 Simulation model of fuzzy control strategy in DESS

2 双能量源纯电动汽车仿真软件平台开发

仿真模型是执行双能量源纯电动汽车仿真工作的基础，而开发一个易扩展、易移植、界面友好的支撑软件平台是仿真工作顺利执行的保障。为此，通过总结 ADVISOR的用户界面组成与用户操作逻辑，利用.NET和MATLAB等工具开发了双能量源纯电动汽车的仿真软件平台，其框架结构如图3所示。

图3 双能量源纯电动汽车仿真软件平台的框架结构Fig.3 Framework of simulation software platform for PEV with DESS

该框架细分为3部分：用户定制部分是整个框架的核心，将仿真框架、仿真模型和仿真数据解耦合，并通过 XML配置文件关联起来，从而可以保证各部分的独立性，并增强软件的可扩展性和可移植性；.NET和MATLAB混合编程部分是框架的主干，可以充分发挥.NET和MATLAB各自的优势，但重点需要解决二者之间的通信问题；用户界面是人机交互的接口，将各项仿真业务集成于一个统一的界面中，增强了软件界面的集成性和友好性。

2.1 基于XML的仿真数据定义

可扩展标记语言 XML（Extensible markup language）是近年来形成并飞速发展的数据表示和交换标准，使用标签元素、标签属性等表示数据的结构特征，具有开放性、灵活性、易读性和平台无关性等优势，被越来越广泛地应用于商业和科学应用系统中[14]。提取图1所示双能量源纯电动汽车仿真模型的必要仿真数据，使用 XML配置文件定义的数据组织形式如图4所示。

图4 双能量源纯电动汽车的XML配置文件结构图Fig.4 Structure of XML configuration file for PEV with DESS

按照 XML配置结构，电动汽车仿真软件平台以仿真项目（Project）为单位记录动态运行双能量源纯电动汽车仿真模型所必须的全部仿真数据，对应于一个MAT数据文件。每项仿真数据称作1个参数，具有参数名称、单位、数据类型（如字符串型、布尔型、整型、浮点型等）、组织方式（如单一数据、数组、映射、矩阵等）、只读性等属性。按照项目内数据来源不同，将参数划分为车辆、循环工况和仿真结果3个类别。车辆参数又根据车辆组装结构划分到不同的零部件，如车身/底盘、车轮/车轴、电机/控制器、传动系、能量源、控制策略、附件等。循环工况参数对应于车辆仿真所使用的路况信息，仿真结果参数则包括执行仿真的所有输出数据。

上述XML配置文件是整个电动汽车仿真软件平台的核心，是连接仿真框架、仿真模型和仿真数据的“桥梁”，使三者间形成弱耦合关系，利于面向仿真模型的扩展和移植。具体而言，XML配置文件定义了仿真数据的组织结构，而仿真数据又是仿真模型的支撑。仿真模型变更会使仿真数据被调整，从而 XML配置文件也需要重新定义。但是，仿真框架主要通过解释XML文件来实现仿真数据配置和仿真业务控制功能，仿真模型的扩展或移植仅需对 XML配置文件进行变更，而无需修改仿真框架。因此，与原ADVISOR软件相比，引入 XML配置文件的电动汽车仿真软件平台具有更好的可扩展性和可移植性。

2.2.NET与MATLAB混合编程

为了充分利用.NET良好的界面开发能力与MATLAB强大的数据处理能力和仿真能力，电动汽车仿真软件平台采用.NET与MATLAB混合编程[15]的开发方法。

图3所示的电动汽车仿真软件平台的框架结构同时给出了.NET与MATLAB混合编程的实现方案。其中，MATLAB代理是整个方案的核心，承担了用户界面与MATLAB的通信功能。具体地说，由于ADVISOR 2002软件所提供的仿真模型均在MATLAB 6.5环境下搭建，无法向更高版本兼容，而仅MATLAB 7.0及以上版本才提供.NET开发支持，为此，本文基于VC++6.0开发了 MATLAB代理，作为常驻操作系统的Windows服务封装了MATLAB的仿真与数据操作功能，并通过TCP/IP协议与上层用户界面通信，以代理模式间接地处理用户界面的仿真请求。

以双能量源纯电动汽车的仿真执行过程为例，上层用户界面、MATLAB代理及底层MATLAB仿真模型之间的协作过程如图 5所示。首先，用户界面和MATLAB代理之间采用Proxy/Stub模式的TCP端口通信，分别使用代码文件 MatProxy.cs和 UiStub.cpp在本地封装了对方的TCP端口响应。因此，当用户在界面端发出仿真执行命令时，仿真请求会直接同步到MATLAB代理端；其次，MATLAB代理封装了MATLAB平台的MAT文件解析引擎（代码中表示为变量MATFile* mfp）和仿真执行引擎（代码中表示为变量Engine* ep），二者分别操纵临时数据文件parameter.mat、执行MATLAB代码文件main.m实现仿真功能。具体而言，MAT文件解析引擎将用户配置的仿真参数写入临时文件，仿真执行引擎操纵main.m文件读取仿真参数、执行仿真模型，并将仿真结果写回临时文件；最后，MAT文件解析引擎从临时文件读出仿真结果数据，通过TCP端口通信同步到用户界面端，向用户展示仿真结果。

图5 双能量源纯电动汽车的仿真执行过程Fig.5 Simulation process for PEV with DESS

2.3 用户界面开发

软件界面是人机交互的接口，友好性是评价软件界面优劣的一项重要指标。纯电动汽车仿真软件平台的用户界面设计参考了一些成熟软件的界面模式，所有的仿真业务操作都融合于一个集成的界面环境中，与原ADVISOR用户界面相比具有更好的集成性和友好性。

图6所示为1个纯电动汽车仿真软件平台的用户界面示例。从图6可见：电动汽车仿真软件的用户界面由标题栏、菜单栏、项目窗口、属性窗口、客户区子窗口和状态栏等组成；左边的2个可停靠窗口分别用于显示车辆零部件信息及其属性信息，用户可以对所选零部件的仿真参数进行设置；右边为客户区子窗口，主要用于显示与行驶工况、车型配置和仿真结果等相关的特性曲线、数据统计等信息，根据不同的信息类别会有不同的展示方式。例如，图6所示的车型配置客户子窗口，用户还可以通过选择下拉列表查看车型各零部件参数的特性曲线，如图中电机效率随电机转速和电机转矩变化的特性曲线。

3 双能量源纯电动汽车仿真与结果分析

为了分析蓄电池−超级电容双能量源纯电动汽车的特点和验证仿真软件平台的可用性，本文选用城市小轿车作为仿真研究的车型，表1所示为汽车整车及电机、蓄电池、超级电容的部分参数。其中驱动电机选择西屋电气公司（Westinghouse）生产的 75 kW 直流电机，蓄电池选择霍克公司（Hawker）生产的阀控式铅酸蓄电池，超级电容选用美国Maxwell公司的PC2500超级电容。荷电状态SOC（State of Charge）指给定能量源（如蓄电池或超电容）当前容量与完全充电下容量的比例，以百分数表示。循环工况选用中心商业区工况CYC_CBD14，其需求车速曲线图如图7所示。

图6 双能量源纯电动汽车仿真软件平台的用户界面Fig.6 Sample graphic user interface of simulation software platform for PEV with DESS

表1 双能量源纯电动汽车参数Table 1 Parameters for PEV with DESS

图7 CYC_CBD14循环工况的需求车速曲线截Fig.7 Vehicle speed requirement in CYC_CBD14 driving cycle

图8 电动汽车仿真软件平台的仿真结果客户区子窗口界面Fig.8 Graphical user interface of simulation results sub-window in simulation platform for PEV with DESS

利用仿真软件平台执行仿真后的客户区界面如图8所示。图8还给出了蓄电池和超级电容的SOC值及功率变化波形，并给出了整车动力性能和能量消耗状况的统计结果。从图8可见：双能量源纯电动汽车在CYC_CBD14循环工况行驶了3.2 km，蓄电池和超级电容的输出功率有正有负，蓄电池初始荷电状态减小了0.047，超级电容初始荷电状态减小了0.47，蓄电电池提供了95%的能量输出，超级电容的能量利用效率达到了99%；当蓄电池和超级电容的输出功率为正时，表示车辆处于加速或者爬坡状态，此时，蓄电池和超级电容按照一定的模糊控制策略按比例共同提供驱动能量，避免了蓄电池的大电流放电，在提高整车动力性能的同时，保证蓄电池输出尽可能恒定和平滑；当蓄电池和超级电容的输出功率为负时，表示车辆处于制动状态，此时，超级电容发挥了明显的能量回收作用，增强了制动能量的回收能力，提高了双能量源存储系统的充、放电效率，从而在提高电动汽车续驶里程的同时，达到汽车动力性能和经济性能的统一。针对其他循环工况的仿真实验可以得到类似的结论，特别在制动频繁的循环工况下，超级电容的制动能量回收能力更强，整车的续驶里程也明显增加。

4 结论

（1）以开源ADVISOR 2002软件为对象进行了深度二次开发，扩展ADVISOR相关模型，建立了蓄电池−超级电容双能量源纯电动汽车的整车仿真模型以XML配置文件为核心、通过.NET与MATLAB混合编程开发了双能量源纯电动汽车的仿真软件平台，可以为车辆零部件选型、参数匹配与优化、样车研发等工作提供仿真支持。

（2）采用蓄电池−超级电容双能量源存储系统，能够同时满足纯电动汽车对能量和功率的双重要求，车辆的经济性能和动力性能同时得到提高。

（3）在仿真软件平台开发中，使用XML配置文件在仿真框架、仿真模型和仿真数据之间建立了弱耦合关系，提高了仿真平台的可扩展和可移植性；使用.NET与 MATLAB混合编程及基于代理的通信模式，可以充分利用.NET良好的界面开发能力与MATLAB强大的数据处理能力和仿真能力；软件平台用户界面将所有的仿真业务操作都融合于一个统一的界面环境中，与原ADVISOR相比，用户界面具有更好的集成性和友好性相比。

（4）采用本文 ADVISOR深度二次开发所形成的仿真软件平台可以使专业人员专心于电动汽车的建模，而不用关心软件平台的扩展开发，甚至无需掌握软件开发或编程技能，仅需提供必要的电动汽车仿真模型、XML配置文件和必要的仿真数据即可将仿真功能向其他电动汽车车型移植。

[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]陈清泉,孙立清.电动汽车的现状及发展趋势[C]//陈清泉.陈清泉院士论文选集:现代电动汽车、电机驱动及电力电子技术.北京:机械工业出版社,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]曹秉刚,曹建波,李军伟,等.超级电容在电动车中的应用研究[J].西安交通大学学报,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]张昌利,张亚军,闫茂德,等.双能量源纯电动汽车再生制动模糊控制与仿真[J].系统仿真学报,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]徐宝云,王文瑞.计算机建模与仿真技术[M].北京:北京理工大学出版社,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]中国汽车 T10电动汽车工作组.我国节能与新能源汽车发展研究报告[N].北京:中国工业报,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]程莺,冯能莲,李克强,等.ADVISOR混合动力电动汽车仿真系统的二次开发和应用[J].汽车工程,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]于远彬,王庆年.基于 ADVISOR的仿真软件的二次开发及其在负荷电源混合动力汽车上的应用[J].吉林大学学报:工学版,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]张昌利,张瑾瑾,杨盼盼.基于ADVISOR的双能量源纯电动汽车仿真[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,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]张云,张承慧.ADVISOR仿真软件及其在电动汽车仿真中的应用[C]//中国自动化学会控制理论专业委员会.第三十届中国控制会议论文集.北京:北京航空航天大学出版社,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,沈为群,宋子善.XML存储结构在仿真数据库中的应用研究[J].计算机仿真,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,高洁,孙新德.MATLAB混合编程与工程应用[M].北京:清华大学出版社,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.