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外文翻译
UsinganAdvancedVehicleSimulator（ADVISOR）toGuideHybrid
VehiclePropulsionSystemDevelopment
KeithB.Wipke，MatthewR.Cuddy．
NationalRenewableEnergyLaboratory，GoldenCO．
基于advisor的混合动力车辆动力系统的开发
基思B.Wipke，马修R.Cuddy．
美国国家再生能源实验室, 科罗拉多州戈尔登．
摘要：
全国可再造能源实验室开发了一种名为ADVISOR的先进的汽车模型仿真软件，用来对汽车进行系统分析和交易研究。
由于ADVISOR的快速的执行速度和MATLAB/Simulink的开放程序环境，这个仿真系统非常地适用于合乎新一代汽车合作伙伴计划PNGV要求的，高燃油经济性车辆的参数设计和研究。
配置五种不同汽车模型，包括3种轻量级车（并联型、串联型和传统型）与1996年车重量的2辆车一起（平行和常规传动）。
还有在1996年加入的2种重型车（并联型和传统型）。
对每类车的重要燃料经济敏感性参数进行分析，并且车的行驶工况参数进行设置。
通过分析这些车的仿真结果，来独立的分析串联和并联两种混合动力方式对汽车的影响。
先进的汽车仿真模型：
ADVISOR
1994年11月，国家可再生能源实验室的交通技术中心在Mathworks公司的面向对象的编程语言的MATLAB∕Simulink环境下创造了进的车辆模型仿真系统。
这个模型是在汽车工业的能源部的支持下建立的。
ADVISOR可以将汽车各个部件那些不连续的动作近似地看作为连续动作状态下的稳定状态。
那样，在每个时刻都将忽略掉电流、电压、转矩、转速的改变对系统的影响。
这样通过测试动力传动系统在一个固定的转矩和转速下，在每单位时间步长下对电力的需求，允许有效率或功率的损耗。
在Simulink∕Matlab的环境下利用这个模型有一个非常显著的优势，那就是灵活容易地来改变模型，例如可以更换一种控制策略或是更换一种再生制动算法。
MATLAB也可以容易的分析仿真结果，尽可能详细地分析车辆的配置。
ADVISOR是由输入一些车辆行驶的参数来去驱动的，包含一些经典的特性曲线，如美国的城市循环工况，或者是速度与爬坡能力的特性曲线。
在给定驱动的目标配置文件后，ADVISOR将采取向后的方式从轮毂和各动力源间各部分所需车轮速度要求的扭矩和速度来控制，这取决于混合动力单元或由电池供电。
图1显示了一系列高级的混合模型的数值仿真。
图1高级的混合模型的数值仿真。
仿真和交互作用的检验是重要的重要之处是建立模型的可信度。
通过与那些成功制造和测试混合动力汽车大学的合作，国家再生能源实验室获得了一些验证组件模型，包含了量化的不确定性，并增加了可信的数据。
最后车辆几倍的验证，包含详细的不确定性分析在1996年的九月完成。
同时，与公共汽车模型相关的部分已完成，才外还加入了一些汽车行业中的专用模型。
在此基础上比较，ADVISOR看来是在根据多数模型之内相同输入的2%以内。
因此，在ADVISOR的结果是通过它的算法来反映最小的不确定性；输入数据的不确定性是分析不确定性的要原因。
所以，所有输入数据的来源模仿的在分析下面指定。
车辆模型和假设：
五种不同的车辆配置建模。
串、并联混合动力车以小的质量和高效的传动系统建模是为了得到像PNGV一样的混合动力车,获得城市∕高速路的燃油经济性在80英里∕加仑。
这些被称为“3倍”的车,是因为他们得到3倍于传统车辆的燃油经济性城市∕高速路26.6英里∕加仑。
第三个配置是创建一个没有混合动力的常规的车辆。
第四和第五车辆配置是由以传统的车辆（大概在1.45倍由于柴油机和手操作的传动系统）,并将它变成并联混合动力。
表1提供五种车辆仿真配置的燃油经济性的差异,而表2给出了数据来源的输入。
表1:
车辆配置模型的主要参数值：
Vehicle
Config
3X
Parallel
Hybrid
3X
Series
Hybrid
2.46X
Light
Wt
（non
hybrid）
1.45X
Conv.
（diesel）
1.70X
Parallel
Hybrid
Mass
（kg）
1000.
000
1000.
000
1000.
000
1611.
000
1611.
000
Battery
Cap.
（kWh）
1.100
3.700
n/a
n/a
1.800
Peak
HPU
Power
（kW）
31.00
0
30.00
0
47.00
0
77.00
0
52.000
PeakMotor
Power
（kW）
12.00
0
41.00
0
n/a
n/a
20.000
CDA
0.400
0.400
0.400
0.700
0.700
C
rolling-
resistance
0.008
0.008
0.008
0.011
0.011
City
（mpg）
73.80
0
72.30
0
56.10
0
33.80
0
40.700
Highway
（mpg）
94.30
0
93.60
0
82.10
0
47.00
0
52.800
Combined
（mpg）
81.80
0
80.50
0
65.40
0
38.70
0
45.300
缩放比例：
因为从0-60英里/小时的加速时间和在55英里/小时和爬坡能力是所有车的性能要求，液压动力系统，在这种情况下类似奥迪五缸的涡轮柴油引擎和电动机可以满足这两个参数目标。
一个主要的假设下,这两种结构的转矩/速度（相当于功率损耗效率图）可以在坐标图上简单的标出扭矩比例。
众所周知,这不是最精确的方法,但被用于缺乏一个可合理尺度算法的情况下。
质量：
这些传统的1.45倍的和混合动力的车辆的质量数据来源于美国技术评估局对于当时流行的福特品牌的金牛座车的评估报告。
在报告中对于那些质量大概在一吨左右的3X型的车辆会在2015年以后用铝来代替其他的金属作为制造的主要材料。
这与今天的车辆在质量比较上是巨幅的减少；并且这些数据还可以用在其它的高效率的总成以及作为满足PNGV计划中所要求的技术参数。
混合动力控制策略：
串联的混合控制是用一个类似于“恒温器”的东西来操纵液压动力装置，当在开启状态时HPU是在一个固定的扭矩和转速下运行。
在这项研究中，当电池的充电量低于40%时HPU将打开，而电池的充电电量达到80%以上时将关闭。
并立案的混合控制策略对于那些电池使用时间短的车有影响，除非在电池电量低的时候保持电池充电。
它是样定义的，将60%的SOC状态定位高，将50%的SOC状态定为低：
*HPU不会停机（除非实在不需要时）
*不论是否达在电池的充电状态发动机都可以产生在成制动力。
*HPU一般会在遇到指令或是在发动机需要必要的动力时会提供动力，也有一些特殊情况：
1、当电量过低时会提高扭矩来重新充电。
2、当点亮过高时将不会充电。
燃油经济性的计算：
为了证明在一个测试循环中电池组充电状态的变化，推荐用一个简单版本的美国汽车工程是学会的混合动力汽车测试程序。
为了提高城市燃油的经济性，两个紧接的从高电量状态到低电量状态的城市循环工况各自反映了电池电量的减少和增加。
在电池充电状态变化不大的情况下，可以用一种简单的线性插值的方法来预测汽车燃油经济性的评估值。
这将确保一个公平的比较常规的车辆和混合动力汽车对电池组的任何电能盈余或赤字。
如果没有这样计算电池组的充电状态，由于电能被用来代替燃料能源，混合动了可能似乎已经具有极高的燃油经济性。
表2：
数据的来源为模仿输入和性能要求
Vehicle
Parameter
Values
Used
SourceofInput
Data
CDA
0.4,
0.7m2
PNGVGoals,
Moore,T.C
Crolling-resistance
0.008,
.011
OTA
Transmission
Efficiencies:
5spd。
（parallel,
conventional）/1
spd.（series）
92%/
98%
Automotive
Engineering,
1996
HeatEngine（HPU）
Scaled
85kW
TDI
Diesel
Stock,D.,1990
Motor/Controller
Scaled
75kW
AC
Induction
Lesster,L.,1993
EnergyStorage:
Batteries
Horizon
12N8
5
Electrosource
0-60mphtime
12.0
second
s
PNGVGoals
Gradeabilityat55
mph
6.5%
indefinitely
Morestringent
thanPNGV
goal,whichis
6.5%for20
minutes
车辆的燃油经济性的关键参数：
灵敏度分析的关键参数的模拟车辆说明如何敏感输出（燃油经济性在这种情况下）是变化的输入参数。
这允许并排比较输入参数，以便把重点放在提高燃油经济性的重要技术领域。
此外，相对比较有可能的是，由于输入参数的变化可以很容易地计算出燃油经济性的数量变化。
对于五种基本模型中的每一种都可以对关键参数进行上下5%的调整。
这表明这些系数可以在超出10%的情况下计算，但是信任值不能超出正负10%。
对于这五种汽车模型的参数分析的结果显示在图2的条形图中。
参照表1中的五种车的基本参数。
请注意，所有五种车的灵敏度系数是1.0。
这也就是说，增加1%的引擎效率，将增加1%的燃油经济性。
由于发动机是混合动力或常规车辆的能量转换器，这并不奇怪，但仍然必须牢记。
由于这种大型HPU的效率敏感性很强，工业部和政府正将极大的努力放在研究燃气轮机，先进的柴油机，斯特林发动机和燃料电池上。
图2：
燃油经济性的主要参数
图2的结果表明，电池效率和电机效率的敏感性系数为3倍串联式车辆大致是并联式车辆的三倍。
这样的理由是，因为所有的到车轮的驱动力，来自于串联式电动机，高功率和高功率损耗发动机的串联。
这样串联式的比并联式可以通过电池提供更多的动力，也会引起电池更多的消耗。
在技术层面有一定的风险，这就是说串联式混合动力汽车在提高发动机效率和电池方面受到的影响比并联式的要多，如果不能通过改进来解决将遇到更大的困难。
坐标轴下的四个参数量会在燃油经济性提高的时候减小。
我们的目标是让这些参数尽可能的维持在低水平。
举例说明尽可能减少负荷对3倍车的影响：
每减少1％配件负荷，燃油经济性有0.24％的升幅。
观察负荷为800w的曲线，每降低10%将提高2.4%的燃油经济性。
这些结果使燃油经济性的权衡是可以量化的附加功能的汽车，如白天行驶的时候
开灯。
混合动力汽车的设计空间映射参数的研究:
图3显示了在advisor的计算了考虑表1中的3倍的并联式混合动力车在有空气阻力和滚动阻力情况下，HPU的平均效率和质量的燃油经济性曲线。
可以得出80英里每加仑的曲线是PNGV计划中所要求的。
图3：
HPU效率和装备质量对并联式混合动力车燃油经济性的影响
两种大众的质量在图3中显示的为1000公斤和1600多公斤并且在五种车辆模型中被定义。
从这个图中可以清晰显示出对于今天传统的HPU效率在20%左右的花火点火式发动机减重和减阻是不够的。
车重将减少一半以上，在近期还很难实现。
同时，该图显示使3倍的混合动力车提高HPU效率，采用混合动力模式以及减阻还很难。
根据这张图，我们可以推断，一辆3倍的混合动力车在1600公斤的装备质量时要求HPU的效率达到47%，远远超过了柴油车在这个质量时的平均值。
混合动力的作用：
单独考虑混合动力的作用，也就是用混合动力装置来代替传统的动力驱动装置，在最初的五种汽车模型中，3倍的混合动力车没有被定为混合动力而1.45倍的被定为混合动力。
由于比较表1中的燃油经济性，传统轻质量的汽车在达到65.4英里每加仑时3倍的串联和并联的混合动力车将分别达到80.5英里每加仑和81.8英里每加仑。
这样传统的轻质量的车在用了混合动力装置后保持车辆质量不变的情况下，会将在65.4英里每加仑的时速时提高约24%。
对于38.7英里每小时的传统汽车，在这特定的情况下会提高17%。
这表明这些车的混合动力装置并没达到完美的地步。
我们不能将混合动力的估计值作为上限，而应仅作为参考值。
混合动力的另一个方面的作用可以从3倍的混合动力车采取串联式和并联式之间的差异来获得。
对于这两种不完美的配置，燃油经济性将会达到串联式为81.8英里每加仑，并联式为80.5英里每加仑。
这就意味着，在保持质量相同的情况下，两种混合动力的布置形式得到的燃油经济性几乎相同。
一个合理的理由认为串联式的混合动力比并联式的混合动力需要更强和更大的电池组。
如果将串联式混合动力的车的质量定为1100公斤，而不是最初定位的1000公斤，那么燃油经济性将达到76.5英里每加仑。
让我们来考虑这两种使燃油经济性达到80英里每加仑的技术方法。
图4是一个二维的图，来显示在质量为1100公斤时，燃油经济性与传动效率的关系。
图4：
配件负荷1100公斤条件下的串联式混合动力的燃油经济性和传动效率
由图中1100公斤车辆基线的圆点指出，当配件的负荷在800w时看传动效率为84.5%的等高线，对于这辆车有一些可能的方法让燃油经济性回到80英里每加仑：
没减少200w的配件负荷或者将传动效率提高4%，也可以同时满足上述两个条件。
给出这样串联式的混合动力模型用在这里会有更高的效率，通过交流式异步电机可以提高单齿变速器的效率到达98%，但是传动效率会有所限制。
一些谨慎的设计师会倾向于减少辅助负荷。
结束语：
全国可再造能源实验室发明了一种名为ADVISOR的先进的汽车模型仿真软件，用来对汽车进行系统分析和交易研究。
定义了五种车辆模型并对关键的参数进行计算。
串联形式和并联形式的混合动力模式的燃油经济性都被设计到，包括在燃油经济性到达80英里每加仑的情况也被涉及到。
有了这些汽车模型，燃油经济性回因为混合动力而提高17-24%。
三倍的串联式和并联式的混合动力车在相同的整备质量下有相同的燃油经济性，但是当汽车的重量在提高100公斤是到达80英里每加仑将会非常困难。
参考文献：
1.Duleep,K.G.,"FuelEconomyPotentialofLightDutyVehiclesin2015+,"DraftFinalReport,EnergyandEnvironmentalAnalysis,Inc.,Arlington,Virginia,April1995.
2."EfficiencyGuidelinesforFutureManualTransmissions,"AutomotiveEngineering,Jan.1996.
3.Lesster,L.W.,Lindberg,F.A.,Young,R.M.,andHall,W.B.,"AnInductionMotorPowerTrainforEVs--TheRightPowerattheRightPrice,"AdvancedComponentsforElectricandHybridElectricVehicles:
WorkshopProceedings,NationalTechnicalInformationService.October27-28,1993.
4.Moore,T.,Lovins,A.,"VehicleDesignStrategiestoMeetandExceedPNGVGoals,"SAEPaper#951906,1995.
5.OfficeofTechnologyAssessment（OTA）,"AutomotiveTechnologiestoImproveFuelEconomyto2015,"Washington,DC,December1994.
6.PartnershipforaNewGenerationofVehicles,ProgramPlan,July,1994.
7.SAE,DraftSAEJ1711,MeasuringtheElectricEnergyConsumption,AllElectricRange,FuelEconomy,andExhaustEmissionsofHybridElectricVehicles,1995.
8.Stock,D.,Bauder,R.,"TheNewAudi5-CylinderTurboDieselEngine:
TheFirstPassengerCarDieselEnginewithSecondGenerationDirectInjection,"SAESpecialPublication823,SAEPaper#900648,1990.
外文原文：
UsinganAdvancedVehicleSimulator（ADVISOR）toGuide:
HybridVehiclePropulsionSystemDevelopment
KeithB.Wipke
NationalRenewableEnergyLaboratory,Golden,CO
MatthewR.Cuddy
Abstract
AnadvancedvehiclesimulatormodelcalledADVISORhasbeendevelopedattheNationalRenewableEnergyLaboratorytoallowsystem-levelanalysisandtrade-offstudiesofadvancedvehicles.BecauseofADVISOR'sfastexecutionspeedandtheopenprogrammingenvironmentofMATLAB/Simulink,thesimulatorisideallysuitedfordoingparametricstudiestomapoutthedesignspaceofpotentialhighfueleconomyvehicles（3X）consistentwiththegoalsofthePartnershipforNewGenerationofVehicles（PNGV）.Fiveseparatevehicleconfigurationshavebeenmodeledincluding3lightweightvehicles（parallel,series,andconventionaldrivetrains）alongwith2vehicleswith1996vehicleweights（parallelandconventionaldrivetrains）.Thesensitivityofeachvehicle'sfueleconomytocriticalvehicleparametersisthenexaminedandregionsofinterestforthevehiclesmappedoutthroughparametricstudies.Usingthesimulationresultsforthesevehicles,theeffectofhybridizationisisolatedandanalyzedandthetrade-offsbetweenseriesandparalleldesignsareillustrated.
AdvancedVehicleSimulationModel:
ADVISOR
InNovemberof1994,NREL'sCenterforTransportationTechnologiesandSystemscreatedasimulationmodelforadvancedvehiclescalledADVISOR（ADvancedVehIcleSimulatOR）inthegraphical,object-orientedprogramminglanguageofSimulink/MATLABfromtheMathWorks,Inc.ThemodelwascreatedinsupportofthehybridvehiclesubcontractswiththeautoindustryfortheDepartmentofEnergy.ADVISORapproximatesthecontinuousbehaviorofavehicleasaseriesofdiscretestepsduringeachofwhichthecomponentsareassumedtobeatsteadystate.
Thatis,ateachtimestep,theeffectsofchangingcurrent,voltage,torque,andRPMareneglected.Thisallowsefficiencyorpowerlosstables,whicharegeneratedbytestingadrivetraincomponentatafixedtorqueandRPM（andcurrentandvoltage,ifapplicable）,tobeusedtorelatethepowerdemandsofthecomponentsateachtimestep.AsignificantadvantageofusingamodelthatisintheSimulink/MATLABenvironmentistheflexibilityandeaseofchangingthemodel,suchasreplacingonecontrolstrategyorregenerativebra
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