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ADVISOR软件的混合仿真方法
张翔  赵韩  钱立军  张炳力
合肥工业大学机械与汽车工程学院
摘要：本文在介绍前向仿真方法和后向仿真方法的基础上，分析了美国电动汽车仿真软件ADVISOR的混合仿真方法，最后以ADVISOR中的一个仿真模块为例，具体说明了混合仿真方法的实现。该文对ADVISOR软件的应用具有参考作用。
关键词：电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、仿真
Combined Backward/Forward Simulation Approach in the ADVISOR
Zhang Xiang,Zhao Han,Qian lijun,Zhang Bingli
School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology
Abstract: Based on introducing the backward-facing approach and forward-facing approach, this paper analyses the hybrid backward/forward approach in the American electric vehicle simulation software ADVISOR. In the end, the principle of simulation of the ADVISOR is described by analyzing the model of a module in the ADVISOR. This paper gives a reference for the application of ADVISOR.
Keyword: electric vehicle, Fuel cell vehicle, hybrid vehicle, simulation
ADVISOR是由美国可再生能源实验室在Matlab® 和 Simulink® 软件环境下开发的电动汽车仿真软件。该软件从1994年开始开发与使用，目前最新版本是ADVISOR 2002，它也是目前世界上能在网站[1] 免费下载和用户数量最多的电动汽车仿真软件。分析ADVISOR的仿真方法具有以下意义：
1.        ADVISOR按照汽车中的部件种类设计了不同的部件仿真模块，由于电动汽车的部件众多，并且每一部件存在很多参数和特性曲线，但是ADVISOR的帮助文件中对一些参数缺乏具体说明，导致用户难以使用。因此分析ADVISOR的模型，有助于明确参数的具体含义，正确使用软件，获得可靠的仿真结果；
2.        在电动汽车的控制策略的建模过程时，必须设计控制策略和发动机控制系统模块，它是mdl格式的Simulink模型文件，由于这些模块必须与其它模块进行仿真数据通讯，因此必须理解其它模块的工作原理和变量的意义，才能设计控制策略和发动机控制系统模块。所以分析ADVISOR模型是应用ADVISOR的基础；
3.        在理解ADVISOR模型的基础上，可以按照自己的需要，为特殊的部件建立仿真模块，扩展ADVISOR的使用范围，使其功能更加强大。
以下将对ADVISOR的仿真方法进行系统分析。
1 ADVISOR的混合仿真方法
ADVISOR采用了独特的将前向仿真方法和后向仿真方法的相结合的混合仿真方法[2,3]。以下分别对前向仿真方法、后向仿真方法和混合仿真方法进行介绍。
1.1后向仿真方法
后向仿真方法是在假设车辆能满足道路循环的请求行驶轨迹（包括汽车行驶速度、道路坡度和汽车动态质量）的前提下，计算汽车中各个部件性能的仿真方法。这种模型不要求驾驶员的特性参数，它直接根据请求的速度轨迹来计算加速车辆所需要的力。该力直接向后传递给部件用于计算所需要的扭矩，通常会考虑机械效率，车辆前进的线性速度被转换成请求的旋转速度，这种计算方法逐个部件地沿着传动系统向后执行，与车辆的实际驱动功率流的方向相反。最后计算出满足行驶轨迹要求的燃料和电能消耗量。
因为汽车传动系统的部件已经测试出不同扭矩和速度情况下的效率特性和其它特性，这意味着一个直接的计算能决定部件的各种效率。所以用后向方法进行仿真，计算速度很快。
后向仿真方法的缺点是，它假设轨迹被满足。但是当速度轨迹的加速度超出传动系统的能力时，汽车实际的加速度必然小于轨迹请求的加速度，而后向仿真方法不能正确反映出这种真实情况。并且这种假设也不适合计算汽车的最佳性能。
后向仿真方法中使用的各种特性通常是在稳态时测试出来的，它们在计算能量消耗中不包括动态效果。这样它不能处理实际车辆中的可测量数据，例如在模型中不存在诸如节气门和制动器位置等控制信号，进一步阻碍了动态系统的仿真和控制系统的开发。
1.2前向仿真方法
前向仿真方法的车辆仿真程序包括了驾驶员模型，它考虑请求速度和现在速度，来生成节气门和制动命令（通常使用PI控制器）。节气门命令被转换成发动机（和/或电动机）的扭矩和能源利用率，其中发动机产生的扭矩送到变速箱模型，然后根据效率和传动比计算转换扭矩，该扭矩再按照车辆中实际功率流的方向向前传送，直到计算出轮胎的驱动力。
前向仿真方法适合用于开发硬件在回路系统，其控制仿真效果特别理想。因为前向仿真方法能处理实际传动系统中的测量数据，例如控制信号和真实扭矩（不是请求扭矩）。车辆控制器能在仿真过程中有效地开发和测试。动态模型也很自然地被包括在前向仿真方法的车辆模型中。最后前向仿真方法也很适合计算节气门全开情况下的最大加速度能力。
前向仿真方法的主要弱点是计算量大，速度通常要比采用后向仿真方法的软件要慢，传动系统的功率计算依赖于车辆状态。其优点是其部件模型之间的联系更加接近于车辆的实际情况，这种算法比后向仿真方法的计算结果更准确。
1.3 ADVISOR的混合仿真方法
ADVISOR的混合仿真方法与后向仿真方法有紧密的关系。它首先应用后向仿真方法，按照与实际功率流相反的方向（即后向路径），根据道路循环的要求，从汽车车轮模块到发动机模块与蓄电池模块，考虑了各个部件的机械效率和功率限制，计算出当前部件对上一级部件的请求速度和扭矩值，逐级传递，直到发动机模块与蓄电池模块计算出它们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车轮模块，按照实际功率流动的方向（即前向路径），计算出当前部件能提供给下一级部件的可用速度和扭矩值，逐级传递，直到汽车车轮模块，最后计算出汽车的实际速度。
ADVISOR这种以后向方法为主，前向仿真方法为辅的混合仿真方法的仿真计算量较小，同时也保证了仿真结果的精度。
ADVISOR的混合仿真方法建立在两个假设的基础上：
1.        任何传动系统的部件不能从它上级的邻近部件处请求到比它实际使用更多的扭矩和功率。
2.        任何部件在前向路径的计算过程中的效率与在后向路径中的相同。
下面选择ADVISOR中的混合动力汽车模型来说明以上原理，图1是其在Simulink环境中的顶级模型，模型中的方框代表道路循环（drive cycle）、车辆（vehicle）、车轮与半轴（wheel and axle，本文中简称车轮）、主减速器（final drive）… …、发动机（fuel converter）和蓄电池（energy storage）等多个部件模块。各个模块之间用带箭头的连线连接，箭头表示了仿真数据流的方向。箭头从左到右传递是后向路径，通常模块会向上级模块传递请求（required）上级部件的扭矩和速度。箭头从右到左传递是前向路径，通常模块会向下级模块传递部件提供的可用(available)扭矩和速度，然后下级部件再计算出实际(achievable)扭矩和速度。

图1  ADVISOR的混合动力汽车模型
2 分析ADVISOR的模型
下面以车轮模块的模型为例说明ADVISOR的混合仿真方法[4]。车轮模块用于连接车辆模块和主减速器模块。图2是车轮模块在Simulink环境里的顶级模型，其中上半部分为后向路径，下半部分为前向路径。左边为仿真数据输入端口，右边为仿真数据输出端口。在后向路径中，驱动力控制子系统（traction controller）的作用是根据汽车行驶的附着条件计算最大的驱动力限制，轮胎滑动子系统（tire slip model）是车轮模块的性能限制，该限制使得在车轮滑移工况下，请求主减速器的转速 小于道路循环的请求速度，能量损失子系统（loss）计算车轮的损失扭矩，惯性子系统（effect of inertia）计算车轮的惯性扭矩。在前向路径中，制动力控制子系统（front/rear brake controller interface）根据制动力的分配关系计算制动器的前/后制动力。

图2  ADVISOR的车轮模型
2.1后向路径
在后向路径中，车辆模块根据道路循环模块的要求，利用汽车驱动力计算公式计算出驱动力 ，车轮模块接收车辆模块传递的请求轮胎的驱动力 和汽车速度 。然后将其转换为车轮的扭矩和角速度。这一过程受到两个限制：一是汽车驱动力受路面附着力限制，其计算公式为
                                                                        (公式1)
其中 ——附着力，单位：N
另外车轮转速受滑动率限制。车轮转速 （单位：rad/s）的计算公式
                                                                                (公式2)
其中         ——轮胎滑动系数
请求从传动系统到前轮（假设汽车为前轮驱动）的驱动扭矩的计算公式
                                                                                (公式3)
其中 ——传动系统的驱动扭矩，单位：N*m
                 ——前轮的损失扭矩，单位：N*m
                 ——前轮的惯性扭矩，单位：N*m
传动系统的驱动扭矩的计算公式
                                                                        (公式4)
其中 ——轮胎半径，单位：m
——请求前制动器的制动力，单位：N
在计算出 和 后，车轮模块将其值传递给上级的主减速器模块。
2.1前向路径
在前向路径中，车轮模块接收主减速器模块传递的传动系统提供的可用扭矩 和转速 ，计算出可用的驱动力和速度，最后传递给车辆模块，得到实际的汽车行驶速度。
实际前轮驱动力的计算公式
                                                                (公式5)
实际汽车驱动力的计算公式
                                                                        (公式6)
其中         、 ——前/后制动器的制动力，单位：N
汽车实际速度的计算公式
                                                                        (公式7)
可以看出，车轮模块的前向路径实际是后向路径的逆计算过程，只不过后向路径的计算过程比前向路径多了驱动力受路面附着力的限制（即公式1）。
3结论
车轮模块是ADVISOR软件中的一个很典型的仿真模块，ADVISOR的其它模块也使用了类似的建模方法。ADVISOR的混合仿真方法表明，后向路径与前向路径是互逆的计算过程，只是后向路径比前向路径多了一些对部件功率的限制。ADVISOR的所有仿真模型都是稳态模型，其中有不少计算过程是采用实验数据进行拟合得到的。这种建模方法的优点是模型简单，计算速度快。但是它不能仿真汽车的动态工作过程，难以进一步开发硬件在回路的控制功能，这是它的主要限制。

参考文献
1、        www.ctts.nrel.gov/analysis
2、        ADVISOR Documentation，National Renewable Energy Laboratory，2002
3、        K.B. Wipke, M.R. Cuddy, and S.B. Burch, ADVISOR 2.1: A User Friendly Advanced Powertrain Simulation Using a Combined Backward/Forward Approach, NREL/JA-540-26839, 1999
4、        余志生主编，汽车理论，机械工业出版社，2003
ADVISOR软件的混合仿真方法
张翔  赵韩  钱立军  张炳力
合肥工业大学机械与汽车工程学院
摘要：本文在介绍前向仿真方法和后向仿真方法的基础上，分析了美国电动汽车仿真软件ADVISOR的混合仿真方法，最后以ADVISOR中的一个仿真模块为例，具体说明了混合仿真方法的实现。该文对ADVISOR软件的应用具有参考作用。
关键词：电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、仿真
Combined Backward/Forward Simulation Approach in the ADVISOR
Zhang Xiang,Zhao Han,Qian lijun,Zhang Bingli
School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology
Abstract: Based on introducing the backward-facing approach and forward-facing approach, this paper analyses the hybrid backward/forward approach in the American electric vehicle simulation software ADVISOR. In the end, the principle of simulation of the ADVISOR is described by analyzing the model of a module in the ADVISOR. This paper gives a reference for the application of ADVISOR.
Keyword: electric vehicle, Fuel cell vehicle, hybrid vehicle, simulation
ADVISOR是由美国可再生能源实验室在Matlab® 和 Simulink® 软件环境下开发的电动汽车仿真软件。该软件从1994年开始开发与使用，目前最新版本是ADVISOR 2002，它也是目前世界上能在网站[1] 免费下载和用户数量最多的电动汽车仿真软件。分析ADVISOR的仿真方法具有以下意义：
1.        ADVISOR按照汽车中的部件种类设计了不同的部件仿真模块，由于电动汽车的部件众多，并且每一部件存在很多参数和特性曲线，但是ADVISOR的帮助文件中对一些参数缺乏具体说明，导致用户难以使用。因此分析ADVISOR的模型，有助于明确参数的具体含义，正确使用软件，获得可靠的仿真结果；
2.        在电动汽车的控制策略的建模过程时，必须设计控制策略和发动机控制系统模块，它是mdl格式的Simulink模型文件，由于这些模块必须与其它模块进行仿真数据通讯，因此必须理解其它模块的工作原理和变量的意义，才能设计控制策略和发动机控制系统模块。所以分析ADVISOR模型是应用ADVISOR的基础；
3.        在理解ADVISOR模型的基础上，可以按照自己的需要，为特殊的部件建立仿真模块，扩展ADVISOR的使用范围，使其功能更加强大。
以下将对ADVISOR的仿真方法进行系统分析。
1 ADVISOR的混合仿真方法
ADVISOR采用了独特的将前向仿真方法和后向仿真方法的相结合的混合仿真方法[2,3]。以下分别对前向仿真方法、后向仿真方法和混合仿真方法进行介绍。
1.1后向仿真方法
后向仿真方法是在假设车辆能满足道路循环的请求行驶轨迹（包括汽车行驶速度、道路坡度和汽车动态质量）的前提下，计算汽车中各个部件性能的仿真方法。这种模型不要求驾驶员的特性参数，它直接根据请求的速度轨迹来计算加速车辆所需要的力。该力直接向后传递给部件用于计算所需要的扭矩，通常会考虑机械效率，车辆前进的线性速度被转换成请求的旋转速度，这种计算方法逐个部件地沿着传动系统向后执行，与车辆的实际驱动功率流的方向相反。最后计算出满足行驶轨迹要求的燃料和电能消耗量。
因为汽车传动系统的部件已经测试出不同扭矩和速度情况下的效率特性和其它特性，这意味着一个直接的计算能决定部件的各种效率。所以用后向方法进行仿真，计算速度很快。
后向仿真方法的缺点是，它假设轨迹被满足。但是当速度轨迹的加速度超出传动系统的能力时，汽车实际的加速度必然小于轨迹请求的加速度，而后向仿真方法不能正确反映出这种真实情况。并且这种假设也不适合计算汽车的最佳性能。
后向仿真方法中使用的各种特性通常是在稳态时测试出来的，它们在计算能量消耗中不包括动态效果。这样它不能处理实际车辆中的可测量数据，例如在模型中不存在诸如节气门和制动器位置等控制信号，进一步阻碍了动态系统的仿真和控制系统的开发。
1.2前向仿真方法
前向仿真方法的车辆仿真程序包括了驾驶员模型，它考虑请求速度和现在速度，来生成节气门和制动命令（通常使用PI控制器）。节气门命令被转换成发动机（和/或电动机）的扭矩和能源利用率，其中发动机产生的扭矩送到变速箱模型，然后根据效率和传动比计算转换扭矩，该扭矩再按照车辆中实际功率流的方向向前传送，直到计算出轮胎的驱动力。
前向仿真方法适合用于开发硬件在回路系统，其控制仿真效果特别理想。因为前向仿真方法能处理实际传动系统中的测量数据，例如控制信号和真实扭矩（不是请求扭矩）。车辆控制器能在仿真过程中有效地开发和测试。动态模型也很自然地被包括在前向仿真方法的车辆模型中。最后前向仿真方法也很适合计算节气门全开情况下的最大加速度能力。
前向仿真方法的主要弱点是计算量大，速度通常要比采用后向仿真方法的软件要慢，传动系统的功率计算依赖于车辆状态。其优点是其部件模型之间的联系更加接近于车辆的实际情况，这种算法比后向仿真方法的计算结果更准确。
1.3 ADVISOR的混合仿真方法
ADVISOR的混合仿真方法与后向仿真方法有紧密的关系。它首先应用后向仿真方法，按照与实际功率流相反的方向（即后向路径），根据道路循环的要求，从汽车车轮模块到发动机模块与蓄电池模块，考虑了各个部件的机械效率和功率限制，计算出当前部件对上一级部件的请求速度和扭矩值，逐级传递，直到发动机模块与蓄电池模块计算出它们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车轮模块，按照实际功率流动的方向（即前向路径），计算出当前部件能提供给下一级部件的可用速度和扭矩值，逐级传递，直到汽车车轮模块，最后计算出汽车的实际速度。
ADVISOR这种以后向方法为主，前向仿真方法为辅的混合仿真方法的仿真计算量较小，同时也保证了仿真结果的精度。
ADVISOR的混合仿真方法建立在两个假设的基础上：
1.        任何传动系统的部件不能从它上级的邻近部件处请求到比它实际使用更多的扭矩和功率。
2.        任何部件在前向路径的计算过程中的效率与在后向路径中的相同。
下面选择ADVISOR中的混合动力汽车模型来说明以上原理，图1是其在Simulink环境中的顶级模型，模型中的方框代表道路循环（drive cycle）、车辆（vehicle）、车轮与半轴（wheel and axle，本文中简称车轮）、主减速器（final drive）… …、发动机（fuel converter）和蓄电池（energy storage）等多个部件模块。各个模块之间用带箭头的连线连接，箭头表示了仿真数据流的方向。箭头从左到右传递是后向路径，通常模块会向上级模块传递请求（required）上级部件的扭矩和速度。箭头从右到左传递是前向路径，通常模块会向下级模块传递部件提供的可用(available)扭矩和速度，然后下级部件再计算出实际(achievable)扭矩和速度。

图1  ADVISOR的混合动力汽车模型
2 分析ADVISOR的模型
下面以车轮模块的模型为例说明ADVISOR的混合仿真方法[4]。车轮模块用于连接车辆模块和主减速器模块。图2是车轮模块在Simulink环境里的顶级模型，其中上半部分为后向路径，下半部分为前向路径。左边为仿真数据输入端口，右边为仿真数据输出端口。在后向路径中，驱动力控制子系统（traction controller）的作用是根据汽车行驶的附着条件计算最大的驱动力限制，轮胎滑动子系统（tire slip model）是车轮模块的性能限制，该限制使得在车轮滑移工况下，请求主减速器的转速 小于道路循环的请求速度，能量损失子系统（loss）计算车轮的损失扭矩，惯性子系统（effect of inertia）计算车轮的惯性扭矩。在前向路径中，制动力控制子系统（front/rear brake controller interface）根据制动力的分配关系计算制动器的前/后制动力。

图2  ADVISOR的车轮模型
2.1后向路径
在后向路径中，车辆模块根据道路循环模块的要求，利用汽车驱动力计算公式计算出驱动力 ，车轮模块接收车辆模块传递的请求轮胎的驱动力 和汽车速度 。然后将其转换为车轮的扭矩和角速度。这一过程受到两个限制：一是汽车驱动力受路面附着力限制，其计算公式为
                                                                        (公式1)
其中 ——附着力，单位：N
另外车轮转速受滑动率限制。车轮转速 （单位：rad/s）的计算公式
                                                                                (公式2)
其中         ——轮胎滑动系数
请求从传动系统到前轮（假设汽车为前轮驱动）的驱动扭矩的计算公式
                                                                                (公式3)
其中 ——传动系统的驱动扭矩，单位：N*m
                 ——前轮的损失扭矩，单位：N*m
                 ——前轮的惯性扭矩，单位：N*m
传动系统的驱动扭矩的计算公式
                                                                        (公式4)
其中 ——轮胎半径，单位：m
——请求前制动器的制动力，单位：N
在计算出 和 后，车轮模块将其值传递给上级的主减速器模块。
2.1前向路径
在前向路径中，车轮模块接收主减速器模块传递的传动系统提供的可用扭矩 和转速 ，计算出可用的驱动力和速度，最后传递给车辆模块，得到实际的汽车行驶速度。
实际前轮驱动力的计算公式
                                                                (公式5)
实际汽车驱动力的计算公式
                                                                        (公式6)
其中         、 ——前/后制动器的制动力，单位：N
汽车实际速度的计算公式
                                                                        (公式7)
可以看出，车轮模块的前向路径实际是后向路径的逆计算过程，只不过后向路径的计算过程比前向路径多了驱动力受路面附着力的限制（即公式1）。
3结论
车轮模块是ADVISOR软件中的一个很典型的仿真模块，ADVISOR的其它模块也使用了类似的建模方法。ADVISOR的混合仿真方法表明，后向路径与前向路径是互逆的计算过程，只是后向路径比前向路径多了一些对部件功率的限制。ADVISOR的所有仿真模型都是稳态模型，其中有不少计算过程是采用实验数据进行拟合得到的。这种建模方法的优点是模型简单，计算速度快。但是它不能仿真汽车的动态工作过程，难以进一步开发硬件在回路的控制功能，这是它的主要限制。

参考文献
1、        www.ctts.nrel.gov/analysis
2、        ADVISOR Documentation，National Renewable Energy Laboratory，2002
3、        K.B. Wipke, M.R. Cuddy, and S.B. Burch, ADVISOR 2.1: A User Friendly Advanced Powertrain Simulation Using a Combined Backward/Forward Approach, NREL/JA-540-26839, 1999
4、        余志生主编，汽车理论，机械工业出版社，2003

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？？？？？？？？？？？？？

nickle

怎么哪里都看的到这三个字啊~钱立军