基于MATLAB GUI的AMT插電式系統數據分析軟件設計*

李勇華，郭淑英，宋超（.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 4000；.南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 4007；.湖南南車時代電動股份有限公司，湖南 株洲 4000）

基于MATLAB GUI的AMT插電式系統數據分析軟件設計*

李勇華1，郭淑英2，宋超3
（1.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000；2.南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412007；3.湖南南車時代電動股份有限公司，湖南 株洲 412000）

AMT插電式汽車經濟性、動力性和換擋平順性對其整車性能有著重要影響。通過分析AMT插電式系統結構，設計了集數據采集與數據分析的上位機軟件，此上位機軟件采用MATLAB與C語言混合編程的方法，同時利用MATLAB強大數據處理和數據分析功能，實現了對工況數據采集和存儲，完成數據的解析和圖形的繪制。重點闡述AMT插電式系統分析軟件設計方法。對用戶開發MATLAB GUI應用程序和數據分析等相關問題具有借鑒意義。

MATLAB；GUI；AMT；插電式

0　引言

環保與節能成為當今世界主題，改善傳統汽車高污染、高耗能的狀況成為當前世界各國重點研究方向，因此高效、節能的新能源汽車成為汽車行業發展的必然趨勢[1]。插電式混合動力汽車作為當前主要的新能源汽車，其中AMT（Automated Mechanical Transmission）插電式混合動力汽車具有功率傳遞能力強、成本低[2-4]等特點，已被廣泛應用。

AMT插電式系統具有復雜的動力系統結構，對其動力性、經濟性和換擋平順性進行評價時，需要處理大量工況數據。當前上位機軟件主要在VC和Java界面開發平臺下使用，但是在數據處理時需要編寫大量程序代碼，但MATLAB可以用少量且簡單的函數語句實現數據處理功能[5]。MATLAB強大的矩陣運算功能，能在短時間內完成數據整理和重建，同時MATLAB具有強大繪圖功能，利用簡單的繪圖指令就能實現圖形繪制，MATLAB還擁有GUI（Graphical User Interface）圖形界面工具箱，能實現MATLAB在科學計算領域分析和結果可視化。因此采用MATLAB/GUI開發了AMT插電式系統數據分析軟件有巨大優勢。

1　AMT插電式系統

1.1系統結構

AMT插電式系統具有純電動起步，可以外接電源充電，并且能自動變速等特點，其動力系統由發動機、離合器、驅動電機、電池、AMT變速箱和機械傳動裝置組成，結構圖如1所示。發動機與電機通過電控離合器同軸連接，電控離合器適時地連接和中斷發動機與電機之間聯系；電機通過AMT變速器檔位變換并通過機械傳動裝置將動力傳遞給車輪，驅動汽車行駛；動力電池為儲能裝置。

圖1　ATM插電式動力系統結構Fig.1 ATM plug-in power system architecture

1.2網絡架構

CAN（Controller Area Network，CAN） 是ISO國際標準化通信協議，AMT插電式系統是基于多條CAN總線構建的整車網絡。由圖2可知，AMT插電式系統中CAN通信設備包括整車控制器、電機控制器、發動機控制器ECU、AMT控制器、電池管理系統，儀表等。整車控制器、電機控制器、AMT控制器的通信任務影響車輛運行狀態與駕駛安全、實時性要求最高，因此將其分布在實時性要求高的CANA網絡上；電池管理系統對儲能系統運行狀態進行維護，實時性要求一般，信息量大，儀表主要進行數據接收，將它們接到實時性要求不高的CANB網絡；由于發動機ECU消息遵循SAE J1939協議，將其掛在CANC網絡[6]。

1.3工作模式

AMT插電式電動汽車工作模式復雜，根據其系統結構特點，車輛行駛時，可以分為以下幾種工作模式。

1）純電動模式：車輛起步和低速行駛時，AMT變速器自動分離離合器，利用電機低速大扭矩的特性，電池將電能傳遞給電機，由電機單獨驅動車輛起步行駛。同時發動機一直處于關閉狀態，避開發動機效率工作低的區間。

2）混合驅動模式：當車輛需要大功率時，比如爬坡和急加速時，AMT變速器會控制離合器結合與檔位變換，使發動機和電機共同驅動汽車行駛。

圖2　AMT插電式系統網絡結構Fig.2 AMT plug-in system network architecture

3）發動機驅動和電機發電模式：電池荷電狀態（SOC）低于限定值時，驅動電機由驅動模式變為發電模式，發動機一部分能量用于驅動車輛行駛，另一部分通過電機給電池沖電。

4）制動能量回收模式：當駕駛員踩制動踏板使汽車車速降低時，電機此時變為發電機，回收能量給電池充電。

5）停車充電模式：汽車停車，發動機熄火，AMT變速器控制離合器分離，若此時電池SOC較低，則外接電網實行充電。

由上可知，整車控制器負責電機、發動機的動力分配；AMT控制器在車輛運行時完成檔位切換和離合控制。由于部件的復雜性和工作模式的多變性，在評價整車性能時，需進行大量工況數據分析，基于此需求設計了集數據采集與數據分析上位機軟件—AMT插電式系統數據分析軟件。

2　設計思想

AMT插電式系統數據分析軟件，利用MATLAB與C語言混合編程，MATLAB做上層調用，利用M語言進行開發，C語言做底層驅動，調用C語言編寫好的函數庫，以MATLAB的GUIDE工具箱進行輔助，設計該軟件人機交互界面。

圖3　AMT插電式混合動力系統軟件結構Fig.3 AMT plug-in hybrid system software architecture

2.1軟件結構

AMT插電式系統數據分析軟件應具有采集和分析工況數據功能，并將分析結果以圖形和報表的形式直觀反映出來，為了實現此要求，需要滿足以下幾個條件：

1）實現CAN通信，可以采集數據并存儲到寄存器中。

2）將采集到的數據進行解析，并且進行數據分析。

3）完成數據分析后，提供數據繪圖和數據報表。

4）具有完整的系統接口，方便數據導入與導出。

在詳細的設計分析基礎上，構建基于MATALAB GUI的AMT插電式系統數據分析軟件，如圖3所示，先執行通信模塊中的程序，完成對工況數據采集和存儲，然后將存儲到數據通過數據解析模塊，實現數據解析，完成解析后該軟件會將數據解析結果存儲在MATLAB工作空間，完成數據分析后，數據將以繪圖和報表形式顯示分析后的結果。

2.2通信模塊

MATLAB提供了動態鏈接庫DLL接口，可以在MATLAB中調用動態鏈接庫所導出的函數。完成MATLAB對動態鏈接庫函數調用步驟：首先打開動態鏈接庫，再調用函數準備的數據，然后調用動態鏈接庫中導出的函數，最后關閉動態鏈接庫。其中要用到的MATLAB函數有：loadlibrary，calllib，libfunctions，libpointer，libstruct，unloadlibrary[7-8]。

AMT插電式系統數據分析軟件開始通信時，首先調用C語言編譯好的動態鏈接庫，導出其中函數，實現CAN驅動，然后實現對上位機軟件初始化、接收與發送CAN網絡信號，完成對動力系統部件數據采集工作，具體流程如圖4所示。由于CAN網絡中的數據是持續不斷發送的，所以在MATLAB中加入了定時器函數，周期性調用DLL中的接收函數，并采集工況數據；在CAN網絡中有些報文數據非廣播幀，需要請求幀報文進行激活，所以通過發送函數激活此報文發送[9]。

在進行數據采集同時，該軟件將采集到的數據保存在寄存器中，同時為了保存數據的可靠性和穩定性，在調用C語言函數庫中，定義了CAN濾波器的范圍結構體，通過數字濾波算法[10]確保數據可靠性，同樣也在C語言中編譯對緩沖區數據的接收和清除的函數，并采用緩存算法[11]，防止數據出現丟包現象。

2.3數據解析

在CAN協議中，所有數據消息都是按照固定格式發送報文。CAN有兩類消息幀：標準幀和擴展幀。其中擴展幀具有29位標識符（ID），前11位與標準幀一樣，后18位專用標記CAN2.0B的消息幀。CAN的消息幀中數據幀用于數據的傳送與接收，數據幀中數據段由發送數據組成，可包括0～8字節。

AMT插電式系統數據分析軟件對報文進行解析時，首先通過C語言匯編賦值，將每個控制變量賦值給不同ID數據段，數據段中每個字節分別對應變量不同狀態。數據格式定義：數據類型、比例因子、范圍、偏移量和字節數，為了增加網絡的容錯性，關鍵的控制變量增加了偏移量。公式如下：

式中T為解析后數據值，A為實際值，D為偏移量，R為比例因子。其中偏移量相加還是相減，由數據處于發送端還是接收端進行決定。

如總線電壓，如果控制器測到總線電壓是384.5V，則該數據的值應是3845，但是如果要通過網絡將該值發送出去，則實際應發送（3845-（-10000））=13845，也就是說，其他結點收到這個值是13845，應該這樣計算：（13845+（-10000））*0.1=384.5V。顯然，如果網絡上傳來一個表示總線電壓的數據其值在0到10000之間的話，那么肯定該值是網絡傳輸過程中受到了干擾，應該濾掉該數據，因為該值減去10000后小于0，超出了該數據的范圍。

圖4　數據采集流程圖Fig.4 Data Acquisition flowchart

2.4數據分析

由AMT插電式系統結構可知，整車性能與發動機、電機、AMT和電池等部件相關，同時司機的駕駛行為也影響著整車性能。因此在對工況數據進行分析時需主要關注以下變量。

1）發動機需關注參數：水溫、轉速和油門。水溫正常，說明發動機工作時散熱正常；通過發動機轉速與油門，將其轉換成發動機效率分布圖，可了解發動機的工作狀態和其經濟性。

2）電機具有驅動和制動的功能，通過電機的轉速和扭矩，了解電機工作情況，同時通過描點可得電機效率分布圖，得到制動和驅動時電機效率利用情況，分析電機對整車動力性的影響。

3）AMT變速器換擋策略影響著整車平順性，如果換擋控制時間過長，會使車輛出來強烈的扥挫感，并對換擋機構造成嚴重機械損傷，所以AMT變速器數據，有助于優化換擋策略。

4）電池承擔著能量存儲和供給，在純電動模式和混動模式下，如果電池的電壓、電流，SOC和充放電電流設置不合理，BMS會對電池限功保護，甚至禁止電流輸出，直接影響整車動力性。

5）不同的駕駛員駕駛習慣存在差異，駕駛行為對整車經濟性有直接影響，對駕駛行為的分析有助于提高整車的經濟性，駕駛行為可以通過制動踏板與加速踏板被踩頻繁次數與行程深度分析得出。

2.4.1發動機分析

以發動機效率分布圖為例，結合發動機萬有特性圖，觀察發動機效率利用情況。發動機萬有特性曲線由等燃油率消耗曲線、發動機外特性曲線和等功率曲線組成，利用最小二乘法[12]和插值法，結合公式Pe=Tq*n/9550，其中Pe為功率，Tq為扭矩，n為轉速，繪制發動機萬有特性圖，將繪制好的發動機萬有特性圖作為發動機效率分配圖的背景圖。將發動機工作點描繪在萬有特性圖上，觀察點的分布情況，得到發動機效率區間。發動機工作點是由轉速與扭矩關系所得，但發動機扭矩不能直接通過采集數據得到，而發動機負荷率可以得到，利用發動機負荷率與外特性的關系，采用插值法就能得到此負荷率的扭矩。

2.4.2整車信息

為了對AMT插電式動力汽車整車工況進行整體分析，AMT插電式系統分析軟件將整車信息以報表方式顯示出來。整車信息包括：百公里油耗、運行時間、百公里怠速油耗、平均車速、行駛里程、工作模式和工作狀態。通過整車信息可以直觀的得到整車的經濟性和能量利用情況；其中通過工作模式和工作狀態，可以了解到純電動模式、混合動力模式、行車發電等狀態時能量輸入與輸出，效率利用和發動機油耗等情況。

3　試驗結果

本論文以某型號AMT插電式汽車為實驗對象，使用AMT插電式系統數據分析軟件對某段公交線路進行數據采集和數據分析，對其進行驗證。通過此數據分析軟件數據分析后，得到如下的分析數據圖。由圖5可知，由左圖電機效率分布圖可知，在純電動起步時，電機主要工作在較低轉速高扭矩區間。當轉速過低且扭矩越大時，效率越低。當純電動起步時，由于加速度大，扭矩需求大，如果為了滿足高效率而限制扭矩，會導致車輛動力性不足。因此純電損耗的改進與電機自身效率特性相關，選擇低轉速的電機或增加減速比，可提高電機工作效率，降低純電起步階段的能量損耗。由右圖發動機效率分布圖可知，發動機主要工作在怠速模式和驅動模式下。由圖可知發動機怠速模式過長，這樣會導致怠速油耗過高，會對車輛的經濟性產生影響，需要對整車控制策略進行優化，增加停機時間，減少怠速時間。

通過圖6可知，其中紫色為電機轉速，紅色為電流，灰色為檔位，AMT插電式汽車2檔起步，電機工作，發動機處于怠速狀態，當進行4檔后，發動機進入直驅，電池在此變換過程中，出現了充放電情況，進行了能量的循環，并使SOC一直處于動態穩定狀態，實現了動力電池的電池保護和充分運用的平衡，說明控制策略合理，提高整車的經濟性和動力性。

4　總結

通過對MATLAB和C語言混合編程使用，同時結合MATLAB/GUI工具，開發了AMT插電式系統數據分析軟件。該軟件對工況數據處理后，將結果以圖形和表格的方式，清晰、形象的顯示出來，清晰準確的對AMT插電式汽車整車性能進行評價。同時它還能可通過分析采集到的工況數據，發現系統中潛在的問題，完成控制策略優化，從而提高整車性能。通過大量事例和測試，AMT插電式系統數據分析軟件能方便有效的對AMT插電式汽車整車性能進行評價。

圖5　發動機與電機效率特性圖Fig.5 Engine and the motor efficiency characteristic diagram

圖6　AMT電池信息圖Fig.6 AMT battery information map

[1] 陳長同. 并聯混合動力客車AMT換擋策略的研究[M]. 吉林大學，2011：1-3.

CHEN Chang-tong. Study on the AMT shift strategy for Parallel Hybrid Electric Bus[M]. Jilin University，2011: 1-3.

[2] 王鋒，冒曉建，卓斌，等. AMT混合動力系統驅動模式能量優化控制[J]. 吉林大學學報，2009：15-17.

WANG Feng，MAO Xiao-yan，ZHUO Bin，et al. Power management for hybrid electric system during driving[J]. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition），2009: 15-17.

[3] 姜建偉，易吉良，賀正蕓，等. 純電動汽車制動分配策略的建模與仿真[J]. 新型工業化，2015，2（2）：19-26.

JIANG Jian-wei，YI Ji-liang，HE Zheng-yun，et al. Modeling and Simulation of pure electric cars brake distribution strategy[J]. The Journal of New Industrialization，2015，2 （2）: 19-26.

[4] DENG Y，GONG J，YANG J，et al. An investigation on energy optimisation of the CFA6470 parallel hybrid electric vehicle[J]. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles，2008，1（2）: 166-187.

[5] 邱金蕙，王矞輝，李振全. 基于Matlab/GUI的新界面開發方式[J]. 河北工業科技，2008：233-236.

QIU Jin-hui，WANG Yu-hui，LI Zheng-quan. Interface developed new way Based on Matlab / GUI [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2008: 233-236.

[6] 宋超，席立克，羅銳. 基于AMT并聯混合動力系統的CAN通信設計[J]. 微型機與應用，2015：59-60.

SONG Chao，Xi Li-ke，Luo Rui. The CAN communication design based on AMT parallel hybrid system [J]. Microcomputer&Its Applications，2015: 59-60.

[7] 羅華飛. MATLAB GUI設計學習筆記[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009：346-420.

LUO Hua-fei. MATLAB GUI design study notes [M]. Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2009: 346-420.

[8] 陳杰. MATLAB寶典[M]. 北京：電機工業出版社，2007.

Chen Jie. MATLAB Collection [M]. Beijing: Motor Industry Press，2007.

[9] 潘大夫，汪渤，周志強. Matlab與C/C++混合編程技術研究[J]. 計算機工程與設計，200930（2）：465- 468.

Pan Dai-fu，Wang Bo，ZHOU Zhi-qiang. Research on mixed programming technology of Matlab and C/C++ [J]. Computer Engineering and Design，2009，30 （2）: 465-468.

[10] 任克強，劉暉. 微機控制系統的數字濾波算法[J]. 現代電子技術，2004，3（3）：15-18.

Ren Ke-qiang，Liu Hui. Digital filtering algorithm microcomputer control system[J]. Modern electronic technology，2004，3 （3）: 15-18. [11] Jtraining. 緩存、緩存算法和緩存框架簡介[OL]. 2013-3-13，http://blog.jobbole.com/30940/ Jtraining caching. Caching algorithms and caching frameworks Profile [OL]. 2013-3-13，http: //blog.jobbole.com/30940/

[12] 朱宗明，姜占才. 小波遞歸最小二乘語音自適應增強[J]. 新型工業化，2015，7（1）：18-23.

ZHU Zong-ming，JIANG Zhan-cai. Recursive Least Squares adaptive wavelet speech enhancement [J]. The Journal of New Industrialization，2015，7 （1）: 18-23.

The Software Design of AMT Plug-in System Data Based on the MATLAB GUI

LI Yong-hua1, GUO Shu-ying2, SONG Chao3
(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412000, China; 2.The CSR zhuzhou electric locomotive research institute co., LTD., Zhuzhou Hunan 412007, China; 3.Hunan CSR times electric co., LTD., Zhuzhou Hunan 412000, China)

AMT plug-in cars economy, power and smooth shifting of its vehicle performance has an important impact. By analyzing the AMT plug-in system structure, design a set of data collection and data analysis upper computer software, the upper computer software using C language and MATLAB mixed programming method, while using MATLAB powerful data processing and data analysis functions, the realization of data acquisition and storage conditions, complete analytical drawing and graphic data. AMT focuses on plug-in system analysis software design methods. With a reference to the related problems of user MATLAB GUI application development and data analysis.

MATLAB; GUI; AMT; Plug-in

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.006

LI Yong-hua, GUO Shu-ying, SONG Chao. The Software Design of AMT Plug-in System Data Based on the MATLAB GUI[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 32-37.

插電式混合動力客車產業技術攻關（國家863計劃）（2011AA11A209）

李勇華（1989-），男，在讀研究生，主要從事復雜系統建模與仿真；郭淑英（1957-），女，教授，主要從電動汽車研究；宋超（1987-），男，工程師，主要從事電動汽車整車系統研究

本文引用格式：李勇華，郭淑英，宋超.基于MATLAB GUI的AMT插電式系統數據分析軟件設計[J]. 新型工業化，2015，5（10）：32-37.