1汽车仿真软件advisor.pdf

2 0 0 7年第 2期 总第 1 8 7期 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A L E Q U I P M E N T V E H I C L E E N G I N E E R I N G NO 2 2 O o 7 T o t a l l y 1 8 7 汽车仿真软件 AD VI S OR 刘磊 刚宪约 王树凤 柴山 山东理工大学交通与车辆工程学院 山东 淄博 2 5 5 0 4 9 摘要 A DVI S OR 软件能够快速分析传统汽车 纯电动汽车和混合动力汽车的动力性 燃油经济性以及排放性等各种 性能 本文系统地介绍了A DVI S OR2 0 0 2 软件的功能特点 仿真策略和操作方法 并对该软件的应用以及汽车性能仿 真软件的进一步研制作了展望 关键词 A DVI S OR 传统汽 车 电动汽车 混合动力汽车 仿 真 中图分 类号 T P 3 1 文献标识 码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 0 7 0 2 0 0 4 0 0 4 Au t o mo b i l e S i mu l a t i o n S o f t wa r e ADVI S oR L I U I e i GANG Xi a n y u e WANG S h u f e n g CHAI S h a n S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n a n d V e h i c l e E n g i n e e ri n g S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Z i b o 2 5 5 049 C h i n a Ab s t r a c t T h e s o f t w a r e ADVI S OR c a n b e u s e d f o r r a p i d a n a l y s i s o f t h e p e r f o r ma n c e o f c o n v e n t i o n a l e l e c t ric a n d h y b ri d v e h i c l e s s u c h as d y na mi c s f e u l e c o n omi e s e mi s s i o n b eh a v i o r e t e I n t hi s p a pe r t h e f u nc t i o n a l c h a r a c t eris t i c s s i mul a t i n g s t r a t e g y a n d o p e r a t i n g me t h o d s o f t h e s o f t wa r e AD VI S OR 2 0 0 2 i s i n t r o d u c e d a n d t b e r e s p e c t o f t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s o f t w a r e a n d t b e f u rth e r d e v e l o p me n t o f a u t o mo b i l e s i mu l a t i o n s o f t w a r e i s g i v e n Ke y W o r d s AD VI S OR c o n v e n t i o n a l v e h i c l e e l e c t ri c v e h i c l e h y b ri d v e h i c l e s i mu l a t i o n A D V I S O R A d v a n c e d V e h i c l e S i mu l a t O R 高 级 车辆仿真 器 是 由美 国可再 生能 源实验室 N R E L N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y 在 MA T L A B 和 S I MU L I N K软件 环境下开 发的高级 车辆 仿真软 件 该软件从 1 9 9 4年 1 1月份开始开发和使用 最 初是 用来帮助 美 国能 源部 D O E D e p a r t m e n t o f E n e r gy 开发某混合动力汽车的动力系统 随后功 能 逐渐扩展 目前最新的正式 版本 A D VI S O R 2 0 0 2可 以对传统汽车 纯电动汽车和混合动力汽车的各种 性能作快速分析 是世界上能在 网站上免费下载和 用户数量最多的汽车仿真软件 由于该软件通过大 量 的实践被证实具有较好的实用性 现在世界上许 多生产企业 研究机构和高校都在使用该软件做汽 车仿真方面的研究 1 A D VI S OR的主要功能和特点 A D V I S O R是 MA T L AB和 S I MU L I N K软件环境 下的一系列模型 数据和脚本文件 它在给定的道路 循环条件下利用车辆各部分参数 能快速地分析传 统汽车 纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性 动力性 以及排放性等各种性能 此外 该软件的开放 性也允许对用户 自定义的汽车模型和仿真策略做仿 收稿 日期 2 0 0 6 0 9 2 5 作者简介 刘 磊 1 9 8 3 一 男 山东 菏泽 人 硕 士研究生 主要研 究方 向为车辆数 字化设计 与制造 4 0 真分析 它主要有以下特点 1 仿真模型采用模块化的思想设计 A D V I S O R 软件分模块建立了发动机 离合器 变速器 主减速 器 车轮和车轴等部件的仿真模型 各个模块都有标 准的数据输入 输出端口 便于模块间进行数据传 递 而且各总成模块都很容易扩充和修改 各模块也 可以随意地组合使用 用户可以在现有模型的基础 上根据需要对一些模块进行修改 然后重新组装需 要的汽车模型 这样会大大节省建模时间 提高建模 效率 2 仿真模型和源代码全部开放 A D V I S O R 2 0 0 2 的仿真模型和源代码在全球范围内完全公开 可以在 网站上免费下载 用户可以方便地研究 A D V I S O R的 仿真模型及其工作原理 在此基础上根据需要修改或 重建部分仿真模型 调整或重新设计控制策略 使之 更接近于实际情形 得出的仿真结果也会更合理 3 采用了独特的混合仿真方法 现在的汽车 仿真方法主要有前向仿真和后向仿真两种 仿真软 件也多采用其 中的一种方法 使两种方法优劣不能 互补 而 A D V I S O R采用了以后向仿真为主 前向仿 真为辅的混合仿真方法 这样便较好地集成了两种 方法的优点 既使仿真计算量较小 运算速度较快 同时又保证 了仿真结果的精度 4 在 MA T L A B和 S I MU L I N K软件环境下开发 维普资讯 刘磊 等 汽车仿真软件 A D V I S O R 2 0 0 7年2月 研制 MA T L A B是世界上顶尖的可视化科学计算与 数学应用软件 其语法结构简单 数值计算 高效 图 形功能完备 集成了诸多专业仿真工具包 而且它还 提 供 了方便 的应 用程 序接 口 A P I 用户可以在 MA T L A B环境下直接调用 C F o r t r a n等语言编写的 程序 M A T L A B内置的计算程序 专业的仿真工具 以及与其他应用程序的接 口 会减少汽车模型的搭 建和仿真计算过程 中工作量 同时也方便 了熟悉不 同编程语言的用户之间的合作 5 能与其他 多种软件 进行联 合仿真 C o s i mu l a t i o n 汽车是一个复杂的系统 其仿真更是涉 及机械 电子 控制等 多个领 域 工作量很大 A D V I S O R软件开发过程 中也难 以涉及所有领域 这 样就 限制了它一些功能 的实现 但是 A D V I S O R设 计 了 开 放 的 软 件 接 口 能 与 S a b e r S i m p l o r e r V i s u a D O C S i n d a F l u i n t 等软件进行联合仿真 为用 户改进和拓展其功能提供了方便 虽然 AD V I S OR软件也有一些缺陷 例 如 它的 部件模型都是 准静态的 q u a s i s t a t i c 不 能预测小 于十分之一秒左右时间范围内的一些现象 机械振 动 电磁振荡等许多动态特性也不能通过 A D V I S O R 软件进行仿真 但它 的优越性仍然吸引了国内外的 众多用户 要正确使用 A D V I S O R软件 就必须深入了解 它的仿真策略和掌握它的操作方法 下面将从这两 点着重介绍 2 A D V I S OR的仿真策略 A D V I S O R采用 了独特的将 后向仿真和前 向仿 真相结合的混合仿真方法 以后向仿真为主 前向仿 真为辅 它首先进行后向仿真 沿着与实际功率流相 反的方 向 根据道路循环的要求 向整车模块发出速 度和转矩请求 整车模块再向车轮和车轴模块 主减 速器模块 变速器模块等逐级发出请求 直到动力源 模块 发动机和蓄 电池等 计算 出动力源所能提供 的功率 然后进行前向仿真 沿着实际功率流的方 向 从动力源模块出发直至车轮与车轴模块 逐级传 递当前部件能提供给下一级部件的速度值和扭矩 值 最后计算 出汽车的实际速度 下面以传统汽车模型为例来说明它的整个仿真 过程 图 l 为 S I MU L I N K环境下某传统汽车的仿真 模型 该模型中箭头方向代表仿真数据传递方向 数 据 自左 向右传递代表 后向仿真路径 数据 自右 向左 传递代表前向仿真路径 图 1 A D V I S OR的传统汽车仿真模型 A D V I S O R首先进行后向仿真 由道路循环模块 d r i v e c y c l e 提供给汽车所应该满足 的行驶轨迹 向 整车模块 v e h i c l e 请求 所需 的速度 整车模 块利用 汽车行驶方程式计算出满足这一速度请求所需的车 轮转速和力 再向车轮和车轴模块 w h e e l a n d a x l e 发出请求 请求沿后向路径逐级向上级模块主减速 器模块 fi n a l d r i v e 变速器模块 g e a r b o x 离合器 模 块 c l u t c h 机 械负载模块 Me c h a n i c a l A c c e s s o r y L o a d s 等传递 直到发动机模块 f u e l c o n v e rt e r 燃料 转换器 计算出需要发动机提供的实际功率 由此 完成了后向仿真过程 后向仿真不需要驾驶员模型 计算速度也很快 但是由于仿真过程中所使用的各 种特性参数都是在稳态时测定的 该方法并不能用 于实际行驶状态下汽车的动态仿真 在完成 后 向仿 真 后 AD VI S O R便 进行 前 向仿 真 它首先从发动机模块开始 将后向仿真计算出的 发动机功率沿前 向路径传递给机械负载模块 所获 得的扭矩和转速传递给下一级模块 所得仿真数据 41 维普资讯 2 0 0 7 年第2 期 农业装备与车辆工程 再逐级向下传递直到车轮和车轴模块 从而计算出 汽车的实 际速度 前 向仿真包括驾驶员模型 考虑 了请求速度和当前速度 更接近于汽车的实际状况 计算结果较后向仿真更为准确 但 这种仿真方法会 增加计算量 使运行速度减慢 而且传动系统的功率 计算还要依赖与汽车的实际状态 后向仿真和前向仿真各有优缺点 A D V I S O R采 用后向仿真为主 前向仿真方为辅的混合仿真方法 将两种仿真方法较好地结合起来 既使计算量较小 同时又保证 了仿真结果的精度 3 AD Vl S OR的操作方法 用 A D V I S OR软件做汽车仿真有两 种方法 一 种是在 ma t l a b命令 窗 口定义 汽车参数和调用相应 的文件 这种方法 容易 出错 而且不易 于检 查和修 改 一般很少使用 另一种方法就是通过用户界面完 成相应的各种操作 本文主要介绍第二种方法 A D V I S O R拥 有 良好 的 图 形 用 户 界 面 G U I G r a p h i c a l U s e r I n t e r f a c e 便于用户操作 而且各种 仿真结果能够可视化 也便于用户对仿真结果进行 分析 A D V I S O R的操作主要分为三大步 输入汽车 参数 设置仿真参数和查看仿真结果 它们通过三个 主要的界面来完成 下面以传统车型为例来介绍它 的相关操作 3 1汽车参数的输入 汽车参数输入界面如图 2所示 图 2 汽车参数输入界面 通过这 个界面 可 以输入汽车的各种参数 以对 汽车进行定义 界面左侧为汽车相关图像信息 右 侧为相关操作区域 图像信息的显示随着用户操作 的不同会有相应变化 在右侧 可 以通过下拉菜单 42 读取 已经存储 的整车定义文件 存储位置 为 a dv i s o r 2 0 02 s a v e d v e h i c l e 传 动系统结 构形式 如 并联 串联等共 9种 汽车部件数据文件 存储位置 为 a d v i s o r 2 0 0 2 d a t a 以及部件 的版本 v e r s i o n 及类 型 t y p e 有些部件参数 如发动机最大功率和峰值 效率 也可在 界面上直接修改 单击 右侧下方的 Vi e w B l o c k D i a g r a m 按钮可以查看汽车的仿真模 型 再下面的按钮可以查看和重新设置 已经定义好 的汽车部件参数 图 2中界面左上方为汽车的结构 示意图 标识了汽车的整个动力传动系统结构和能 量的传递方 向 单击图中的每个汽车部件都会弹出 一 个对话框 通过它可以读取 已经存储的部件数据 也可查看或编辑相应的 m文件 左下方为发动机或 传动系统的某个总成的性能曲线 可以根据 自己的 需要通过下拉菜单选择要 显示的其 中一种 曲线 图 2中所示即为发动机在不同转速和转矩下消耗的能 量曲线 最后 用户可以将定义好的汽车文件进行保 存 以便以后仿真时可直接调用 3 2仿真参数的设置 汽车仿真参数设置界面如图 3所示 m f18 1 0 图 3 仿真参数设置界面 通过这个界面可以选择试验方案和设定仿真初 始条件 界面右侧上方可 以设置仿真条件 如道路循 环 时间阶跃 循环次数 初始条件等 道路坡度 是 否交互仿真以及是否进行加速度测试和爬坡能力测 试为可选项 用户可 以根据需要进行选择 右侧下方 可以对最多 3个部件参数进行灵敏度分析 有助于 研究这些参数对汽车性能的影响 为汽车的设计提 供参考 界面左侧为道路循环相关信息 左侧上方为 所选道路循化的轨迹曲线 图 4中所示为美国环境 保 护 署 E P A制 定 的城 市 道 路 循 环 U D D S U r b a n 维普资讯 刘磊 等 汽车仿真软件 A D VI S OR 2 0 0 7年 2月 D y n a m o m e t e r D r i v i n g S c h e d u l e 的轨迹 曲线 下面的 下拉菜单可以选择坐标轴参数 图 3中所示以时间 为横坐标 以速度为纵坐标 以根据需要显示不同 的曲线形式 左侧下方为相应道路循环 的文字描述 或统计柱状 图 可根据需要使它显示不同的形式 3 3查看仿真结果 设置好汽车参数 仿真参数后便可运行仿真 查 看仿真结果 仿真结果输出界面如 图 4所示 图 4 仿真 结果输 出界面 界面左侧 为仿真结果 的曲线图 最多可以显示 4个子窗口 右侧显示仿真结果的数值 并可通过下 拉菜单控制左侧显示 曲线 的类型 图 4中所示分别 为发动机的输出转速 发动机的输 出转矩 变速器的 输出转速和主减速器的输 出转矩 另外还可以得到 汽 车传动系统 的能量利 用图和 仿真 过程的动 画演 示 有助于更加直 观地了解整个仿真过程 5 结论与展望 A D V I S O R软件的功能 比较完善 但在应用 中也 有一定的局限性 它定义的动力传动系统型式只有 固定的 9种 不能很好地适用于 目前很多现有的和 待 开 发 的车型 需 要 对它 进 行 二次 开发 利用 AD V I S OR现有 的大部分模型 仅对少数不符合要求 的模型进行修改或重新建模 并根据具体情况对仿 真策略进行调整 应用于具体车型的仿真 这样既能 节省大量的建模 时间 同时又确保了模型的准确性 和数据的可靠性 我国在汽车仿真方面的研究一直 比国外滞后 且国外的仿真软件中的个别部件参数 的单位及标准与国内有较大差异 在使用过程中有 些困难 我们有必要利用现有仿真软件的汽车模型 搭建出符合 国内标准要求的汽车模型 国内也曾开 发了一些汽车仿真程序或软件 但功能都比较单一 且在市场上还未 出现国产商业化汽车仿真软件 如 果能在深入研究 A D V I S O R软件基础上 开发出 自 己的功能较完善的汽车仿真软件 将会填补我 国的 这项空白 参考文献 1 K B Wi p k e M R C u d d y a n d S B B u r c h A DV I S O R 2 1 A Us e r Fr i e nd l