汽车电源系统电平衡仿真技术研究31679.docx

汽车电源系统电平衡仿真技术研究【摘要】：电平衡是汽车电源系统设计时需要考虑的主要问题之一。本文通过分析蓄电池和发电机工作特性，建立起相应的外特性等效电路模型，并利用零部件的标准试验数据提取得到电路模型的相关参数，从而完成汽车电源系统电平衡的仿真预测模型。在对模型的准确性进行试验验证后，应用该模型对某车型电源系统的电平衡进行了仿真预测。试验和应用结果说明了提出的电平衡建模和仿真技术的正确性和有效性。【关键词】：汽车；电源系统；电平衡；仿真Simullatiion Stuudy of Chaargiing Ballancce ffor Vehhiclle EElecctriic PPoweer SSysttemAbstrractt: Chaargingg baalannce is onee off thhe kkey isssuess wheen ddesiigniing thee veehiccle eleectrric powwer sysstemm. TThe equuivaalennt ccirccuitt moodell off baatteery andd allterrnattor is sett upp reespeectiivelly aafteer aanallyziing theeir opeerattingg chharaacteerissticcs. Thee ciircuuit parrameeterrs aare callcullateed bby uusinng sstanndarrd ttestt daata. Annd tthenn a simmulaatioon mmodeel oof ccharrginng bbalaancee foor vvehiiclee ellecttricc poowerr syysteem iis eestaabliisheed iin tthiss paaperr. AAfteer vvaliidattingg thhe vveraacitty oof tthe simmulaatioon mmodeel bby eexpeerimmentts, it is appplieed tto ppreddictt thhe ccharrginng bbalaancee foor ssomee veehiccle. Booth thee exxperrimeentss annd aappllicaatioon rresuultss shhow thaat tthe proopossed moddel andd meethood iis ccorrrectt annd eeffeectiive.Key wwordds: vehhiclle; eleectrric powwer sysstemm; ccharrginng bbalaancee; ssimuulattionn前言为满足消消费者对对汽车舒舒适性、经经济性等等的需求求及日益益严格的的环保和安安全法规规，汽车车电气部部件越来来越多，整整车供电电需求平平均每110年增增加100%15%1，对电电源系统统的设计计匹配要求求越来越越高。另另一方面面，汽车车实际行行驶工况况的复杂杂性也增增加了电电源系统统的设计计匹配难度度。依靠传传统的方方法难以以在项目目开发早早期保证证电源系系统的设设计精度度。针对上上述问题题，大众众、捷豹豹等汽车车公司已已经建立立了电平平衡仿真真平台345，在在项目开发发前期实实现电平平衡状态态的定量量评估，以指导电电源系统统的设计匹配配。国内汽车车企业在在进行电电源系统统设计时时，还主主要依赖赖传统方方法，即即根据配置置表与目目标市场场气候条条件、发发动机转转速概率率落点等等因素进进行经验验性的静态估估计，成成车后再再进行发发电机和和蓄电池池的电平平衡试验验2。这种方方法成本本高、错错估风险险大，易造成成后期整整改成本本和周期期增加，而且对工程师的经验要求也很高。要提升国内汽车企业的电源系统设计能力，必须掌握电源系统的电平衡仿真技术。为此，本文文从汽车车电源系系统出发发，在分析蓄蓄电池和和发电机机和的工工作特性性基础上上，建立立了能够描描述蓄电电池和发发电机外外部特性性的等效效电路模模型。为简化化建模成成本，利利用供应应商已有有的蓄电电池和发发电机标标准试验验数据，提提取得到到等效电电路模型型的相关关参数。在此基础上，进一步建立负载的等效电阻模型，从而完成汽车电源系统的电平衡仿真模型，并通过试验工况的设计，对仿真模型的准确性进行充分验证。最后，应用该模型对某车型在NEDC循环，夏季夜间雨天工况下的电平衡进行了预测。1 电平衡仿仿真模型型1.1 汽车电源源系统概概述图1 电源源系统如图1所示，汽汽车电源源系统由由发电机机、蓄电电池和用用电负载载构成。电电平衡是是指发电电机、蓄蓄电池和和用电负负载之间间的电能能产生与与消耗的的相互制制约关系系6。当发电电机输出出电压高高于蓄电电池电压压时，发发电机对对蓄电池池充电，同同时为用用电负载载提供电电源；当当发电机机输出电电压低于于蓄电池池电压时时，蓄电电池放电电，由发发电机和和蓄电池池共同对对用电负负载供电电。本文文研究的的电平衡衡仿真技技术便是要通过过建立蓄电电池、发发电机和和用电负负载的电电气特性性模型，实现在项目开发前期对整车电平衡的定量评估，从而指导电源系统的设计匹配。下面分别进行阐述。1.2 蓄电池模模型进行汽车电电源系统统设计匹匹配时，主主要关注注蓄电池池的外部部电气特特性。通通常可以以采用等等效内部部电动势势和电阻阻来描述述电源特特性，为为此，本本文采用用Error! Reference source not found.所示的的蓄电池池模型89。图2 蓄电电池等效效电路模模型图中，E表表示电化化学反应应产生的的内部电电动势，Rc表示充电电阻，Rd表示放电电阻，这三个参数均受蓄电池荷电状态SOC和温度T影响，Ub为蓄电池端电压，Ib为流经蓄电池的电流。上述参数满足如下关系式8：，（1），（2），（3）其中，a、b为待定系系数，反反应了电电动势EE与SOCC之间的的关系，SOC0为蓄电池初始荷电状态， Q为蓄电池容量，RX为蓄电池内阻，放电时为Rd，充电时为Rc。通常都通过设计的特定实验或根据蓄电池的电化学反应机理来获取模型参数24678。这些方法需要特殊的试验设备，试验工作量大，而且需要对蓄电池的电化学反应机理非常熟悉，而汽车厂在进行电源系统设计时，重点关注蓄电池所表现出来的外部电气特性。为此，本文以式（1）（3）描述的蓄电池等效模型为基础，根据9规定的试验数据（该试验为国家规定的蓄电池试验），通过如下步骤得到模型中的相关参数：第一步：计计算参数数a和b。在蓄电池开开路情况况下，蓄蓄电池端端电压即即为蓄电电池的内内部电动动势E。这样，由由实测的的试验开开始前与与结束后后的蓄电电池SOOC值和和开路电电压Ub，根据据式（11）即可以计算算得到参参数a和b。第二步：计计算放电电电阻RRd。由式（1）（3），可可以得到到。（4）式中，Ubb和Ib是试验验中实时时测量的的参数，每个时刻的蓄电池SOC可以由实测的Ib根据式（2）计算得到。这样，由文献9规定的不同温度下的25A储备容量试验数据，根据式（4）即可得到等效的蓄电池放电电阻Rd，如图3（a）所示。第三步：计计算充电电电阻RRc。充电电阻RRc的计算算思路与与放电电电阻一致致。由文文献9规定定的不同同温度下下的恒流流充电试试验数据据，根据据式（44）即可可得到等等效的蓄蓄电池充充电电阻阻Rc，如图3（b）所所示。 （a）Rdd随SOCC和T的关系系 （bb）Rc随SOCC和T的关系系图3 蓄电电池等效效内阻1.3 发电机模模型在发电机转转速较高高，负载载功率相相对较小小情况下下，在发电电机调节节器作用用下，发发电机以以固定电电压输出出功率；在发电电机转速速较低，而而负载功功率相对对较大情情况下，发电机以最大电流输出功率，输出电压有所降低。考虑如上的发电机工作特性，本文参考11采用稳压源或稳流源等效发电机的输出特性，建立的发电机模型如图4所示。图4 发电电机等效效电路模模型图中，Rgg为发电电机等效效内阻，Ug和Ig分别为发电机的端电压和输出电流，EU为发电机的等效稳压源。EI为发电机的等效电流源，即发电机的最大输出电流，与发电机转速和温度有关。发电机输出的最大电流与发电机转速和温度之间的关系曲线可由10规定的试验得到，该试验为国家规定的交流发电机输出特性试验。本文研究对象的发电机最大输出电流曲线如图5所示。根据发电机当前输出特性以及负载情况，通过切换开关在稳压源和稳流源之间进行切换，实现对发电机输出特性的模拟。稳压源与稳流源的切换逻辑如图6所示。 图5 发电电机最大大输出电电流 图6 稳压压源与稳稳流源切切换逻辑辑电压源有效效时，若若发电机机输出电电流Ig大于当前前工况下下发电机机输出的的最大电电流EI，则切切换开关关将稳流流源连接接到负载载，断开开稳压源源，使发发电机以以最大电电流输出出功率。电流源有效时，若发电机的端电压大Ug于或等于设定的稳压源电压EU，则切换开关将稳压源连接到负载，断开稳流源，使发电机以设定电压输出功率。1.4 负载模型型与进行汽车车电源系系统电平平衡评估估时的时时间尺度度比，可可以忽略略电器负负载的动动态过程程。因此此，本文文采用等等功率电电阻描述述负载。由由负载的的功率PPL、工作作电压UUL根据下下式可计计算得到到负载的的等效电电阻RL：。（5）仿真过程中中，通过过改变功功率来模模拟开关关不同负负载的工工况。2 试验验证证上面介绍了了汽车电电源系统统各部分分的模型型及模型型参数的的提取方方法，基基于Annsofft SSimpplorrer软软件，将将各部件件模型根根据图1所示的的汽车电电源系统统进行连连接，即即可得到到图7所示的的汽车电电平衡仿仿真模型型。图7 电平平衡仿真真模型本节将进一一步通过过试验对对建立的的电平衡衡仿真模模型的准准确性和和有效性性进行验验证。设设计的验验证试验验工况包包含了蓄蓄电池充充电、放放电状态态，发电电机满载载和非满满载状态态。验证证试验的的发动机机转速如如图8所示，试试验过程程中，各各用电负负载的状状态如表1所示。图8 发动动机转速速表1 用电电负载运运行状态态时刻/miin负载运行状状态0开启近光灯灯、暖通通电机最最高档、收收音机、左左冷却风风扇5关闭近光灯灯、暖通通电机、收收音机10开启近光灯灯、暖通通电机最最高档、收收音机20运行后雾灯灯25关闭后雾灯灯40关闭近光灯灯、暖通通电机、收收音机50开启近光灯灯、暖通通电机最最高档、收收音机80关闭所有用用电负载载试验前，蓄蓄电池初初始电压压为111.9VV。试验过过程中实实时记录录发动机机转速、发发电机和和蓄电池池温度、发发电机的的电压和和电流、蓄蓄电池的的电压和和电流等等数据。试试验完成成后，将将记录的的发动机机转速、发发电机和和蓄电池池温度作作为电平平衡仿真真模型的的输入，通通过对比比电平衡衡仿真模模型的输输出结果果与试验验数据之之间的误误差来评评估电平平衡仿真真模型的的准确性性。电平平衡模型型仿真与与试验结结果如图9所示。（b）蓄电池电压（a）发电机电压（c）发电电机电流流 （d）蓄蓄电池电电流 仿仿真曲线线， 试验验曲线图9 仿真真与试验验曲线从图8和表1所示的的试验验验证工况况以及图9的结果果可以看看出，在0mmin5miin、225miin440miin、770miin880miin，发发动机转转速为零零，发电电机未发发电，由由蓄电池池向所有有用电负负载供电电。由于发发电机与与蓄电池池通过导导线直接接连接，发发电机端端电压等等于蓄电电池电压压。在55minn155minn、400minn500minn、600minn700minn，发动动机怠速速。由于于转速较较低，而而蓄电池池充电电电流和用用电负载载功率都都较大，发电机处于满载状态，所以电压低于额定电压。蓄电池处于充电状态。在15min25min和50min60min发动机转速分别为2500rpm和1500rpm，转速相对较高，发电机的最大输出电流与怠速状态相比有所增加，此时发电机处于非满载运行状态，电压基本保持在14V，蓄电池处于充电状态。整个验证试试验过程程中，发电机机输出电电量的仿真真与试验验结果误误差为44%，蓄蓄电池放放电电量量误差为为5%，蓄蓄电池充充电电量量误差为为4%，总总电平衡衡量误差差为1%。说明明本文建建立的仿仿真模型型能够用用于预测测汽车电电源系统统的电平平衡量，可以在项目开发前期用于电源系统的设计匹配。3 仿真预测测前面建立了了汽车电电源系统统电平衡衡仿真模模型，并并对模型型的准确确性和有有效性进进行了验验证，本本节将应用建建立的模模型对长长安某车车型电源源系统的的电平衡衡进行预预测。3.1 工况设计计考虑NEDDC工况况是进行行汽车排排放和经经济性评评估时广广泛采用用的汽车车行驶工工况，包包含了城城市工况况和市郊郊工况，能够比比较客观观地反应应实际的的汽车行行驶工况况。所以以，参考12采采用NEEDC工工况进行行电平衡衡仿真预预测，车车速曲线线如图10所示示。图10 NNEDCC工况车车速曲线线进行电源系系统设计计时，要要保证汽汽车实际际的最恶恶劣条件件下的电电平衡。所所以，根根据夏季季夜间雨雨天环境境下用电电负载的的工作状状态作为为电平衡衡仿真预预测时的的负载工工况12。实际条件下下，部分分用电负负载为间间隙工作作状态。一方面面，考虑虑电平衡衡主要关关心一段段时间内内发电机机发电量量是否满满足用电电负载用用电量的的需求，可可以忽略略用电负负载启动动/停止止的过渡渡过程；另一方方面，为为简化用用电负载载模型，降低数值计算资源需求，提高可靠性，将间隙负载等效为连续负载建模，用电负载的等效电阻计算公式为，（6）其中K为间间隙负载载的工作作频率。虽然温度变变化会对对蓄电池池和发电电机性能能产生影影响，但但实际行行驶工况况下，达到到热稳态态时，发发动机舱舱内的温温度变化化并不大大。为此，进进行电平平衡预测测时，采采用实测测的发电电机和蓄蓄电池温温度的平平均值作作为仿真真模型的的温度参参数。3.2 结果分析析应用1节建建立的电电平衡仿仿真模型型，根据据3.1设计的的工况，长安某车型的电平衡仿真预测的电压和电流曲线结果如（a）电压压曲线 （bb）电流流曲线 蓄电电池， 发电机机图11所示。（a）电压压曲线 （bb）电流流曲线 蓄电电池， 发电机机图11 电电平衡预预测电压压和电流流曲线在城市工况况阶段，平均车速较低，发电机发电量较小，不能满足用电负载需求，蓄电池放电电量大于充电电量。在郊区工况阶段，平均车速较高，发电机发电量较大，在满足用电负载需求同时，能够对蓄电池进行充电，蓄电池充电电量大于放电电量。整个NEDC循环工况下，发电机输出电量为25.26Ah，用电负载消耗电量为25.21Ah，蓄电池充电电量为0.95Ah，放电电量为0.9Ah，整车电平衡量为0.05Ah。而且，用电负载的工作状态是根据最恶劣的条件设计的，所以仿真研究对象的电源系统能够满足电平衡要求。4 结论本文建立了了汽车电电源系统统电平衡衡仿真模模型，在在对模型型准确性性进行验验证后，应应用该模模型对某某长安车型型电平衡衡进行了了仿真预预测，通通过以上上工作得得到如下下结论：（1）利用用本文提提出的方方法能够够正确有有效地从从蓄电池池和发电电机标准准试验数数据提取取得到所所需的模模型参数数；（2）本文文建立的的电平衡衡仿真模模型准确确有效，能够用于汽车电源系统电平衡的定量评估；（3）在NNEDCC行驶工工况，夏夏季夜间间雨天情情况下，研研究对象象的电源源系统满满足电平平衡要求求。参考文献1 徐云云，张张铁柱，朱朱智富. 汽车车电源系系统分析析J. 汽汽车电器器，20005，（3）：12 张崇生，邓邓恒. 蓄电池池仿真概概述JJ. 汽车电电器，220088，（1）：122-163 Thorsstenn Geerkee, AAlkiiviaadiss Boouloos. 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