汽车仿真软件ADVISOR

2007 年第 2 期 农业装备与车辆工程汽车仿真软 件 ADVISOR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 255049 )摘要 : ADVISOR 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 ADVISOR2002 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 : ADVISOR ； 传统汽车 ； 电动汽车 ； 混合动力汽车 ； 仿真中图分类号 : TP31 文献标识码 : A 文章编号 : 1673- 3142 ( 2007 ) 02- 0040- 04收稿日期 : 2006- 09- 25作者简介 : 刘磊 ( 1983- ) , 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。Automobile Simulation Software ADVISORLIU Lei , GANG Xian- yue , WANG Shu- feng , CHAI Shan( School of Transportation and Vehicle Engineering , Shandong University of Technology , Zibo 255049 , China )Abstract: The software ADVISOR can be used for rapid analysis of the performance of conventional , electric and hybrid vehicles ,such as dynamics , feul economies , emission behavior , etc. In this paper the functional characteristics , simulating strategy and operatingmethods of the software ADVISOR2002 is introduced , and the respect of the application of the software and the further developmentof automobile simulation software is given.Key Words: ADVISOR ； conventional vehicle ； electric vehicle ； hybrid vehicle ； simulationADVISOR ( Advanced VehIcle SimulatOR , 高 级车辆仿真器 ) 是由美国可再生能源实验室 NREL( National Renewable Energy Laboratory ) 在 MATLAB和 SIMULINK 软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该软件从 1994 年 11 月份开始开发和使用 , 最初 是 用 来 帮 助 美 国 能 源 部 DOE ( Department ofEnergy ) 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 ADVISOR2002 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 ADVISOR 的主要功能和特点ADVISOR 是 MATLAB 和 SIMULINK 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。 ADVISOR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。 ADVISOR2002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 ADVISOR 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 ADVISOR 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 MATLAB 和 SIMULINK 软件环境下开发农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING2007 年第 2 期( 总第 187 期 )No.2 2007( Totally 187 ) 40 2 0 0 7 年 2 月研 制 。 M A 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M A 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 m u 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 A D V I S O R 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 O R 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 1 为 S I M U 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 。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 ( f i 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 ( M e c h a n i c a l A c c e s s o r yL o a d s ) 等 传 递 , 直 到 发 动 机 模 块 ( f u e l c o n v e r t 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 , A D V I 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 据图 1 A D V I S O R 的 传 统 汽 车 仿 真 模 型C l o c kt i m eG o t o d r i v e c y c l ev e h i c l e V e r s i o n &C o p y r i g h tf i n a l d r i v e g e a r b o x c l u t c h M e c h a n i c a l A c c e s s o r yL o a d s w h e e l a n da x l e f u e lc o n v e r t e r c o n v c o n vA l t i a _ o f ft o t a l f u e l u s e d ( g a l )g a le x h a u s t s y sA N D- c - c -e m i sH C , C O , N O x ,P M ( g / s )e x _ c a t _ t m p刘 磊 等 : 汽 车 仿 真 软 件 A D V I S O R 4 1 2 0 0 7 年 第 2 期 农 业 装 备 与 车 辆 工 程图 2 汽 车 参 数 输 入 界 面图 3 仿 真 参 数 设 置 界 面再 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 A D V I S O R 的 操 作 方 法用 A D V I S O R 软 件 做 汽 车 仿 真 有 两 种 方 法 : 一种 是 在 m a 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 。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 单读 取 已 经 存 储 的 整 车 定 义 文 件 ( 存 储 位 置 为 : a d v i s o r 2 0 0 2 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“ V i 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 。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 4 2 2007 年 2 月Dynamometer Driving Schedule ) 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。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ADVISOR 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ADVISOR 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