汽车电源系统电平衡仿真技术研究

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SimulationStudyofChargingBalanceforVehicleElectricPowerSystemAbstract:Chargingbalanceisoneofthekeyissueswhendesigningthevehicleelectricpowersystem.Theequivalentcircuitmodelofbatteryandalternatorissetuprespectivelyafteranalyzingtheiroperatingcharacteristics.Thecircuitparametersarecalculatedbyusingstandardtestdata.Andthenasimulationmodelofchargingbalanceforvehicleelectricpowersystemisestablishedinthispaper.Aftervalidatingtheveracityofthesimulationmodelbyexperiments,itisappliedtopredictthechargingbalanceforsomevehicle.Boththeexperimentsandapplicationresultsshowthattheproposedmodelandmethodiscorrectandeffective.Keywords:vehicle;electricpowersystem;chargingbalance;simulation前言为满足消费者对汽车舒适性、经济性等的需求及日益严格的环保和安全法规，汽车电气部件越来越多，整车供电需求平均每10年增加10%～15%[1]，对电源系统的设计匹配要求越来越高。另一方面，汽车实际行驶工况的复杂性也增加了电源系统的设计匹配难度。依靠传统的方法难以在项目开发早期保证电源系统的设计精度。针对上述问题，大众、捷豹等汽车公司已经建立了电平衡仿真平台[3][4][5]，在项目开发前期实现电平衡状态的定量评估，以指导电源系统的设计匹配。国内汽车企业在进行电源系统设计时，还主要依赖传统方法，即根据配置表与目标市场气候条件、发动机转速概率落点等因素进行经验性的静态估计，成车后再进行发电机和蓄电池的电平衡试验[2]。这种方法成本高、错估风险大，易造成后期整改成本和周期增加，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，本文从汽车电源系统出发，在分析蓄电池和发电机和的工作特性基础上，建立了能够描述蓄电池和发电机外部特性的等效电路模型。为简化建模成本，利用供应商已有的蓄电池和发电机标准试验数据，提取得到等效电路模型的相关参数。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电平衡仿真模型1.1汽车电源系统概述发电机蓄电池用电负载图1电源系统如图1所示，汽车电源系统由发电机、蓄电池和用电负载构成。电平衡是指发电机、蓄电池和用电负载之间的电能产生与消耗的相互制约关系[6]。当发电机输出电压高于蓄电池电压时，发电机对蓄电池充电，同时为用电负载提供电源；当发电机输出电压低于蓄电池电压时，蓄电池放电，由发电机和蓄电池共同对用电负载供电。本文研究的电平衡仿真技术便是要通过建立蓄电池、发电机和用电负载的电气特性模型，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蓄电池模型进行汽车电源系统设计匹配时，主要关注蓄电池的外部电气特性。通常可以采用等效内部电动势和电阻来描述电源特性，为此，本文采用图2所示的蓄电池模型[8][9]。RcEUbIbRd图2蓄电池等效电路模型图中，E表示电化学反应产生的内部电动势，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]：EabSOC，（1）001dtbSOCSOCItQ，（2）XbbUERI，（3）其中，a、b为待定系数，反应了电动势E与SOC之间的关系，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[2][4][6][7][8]。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：计算参数a和b。在蓄电池开路情况下，蓄电池端电压即为蓄电池的内部电动势E。这样，由实测的试验开始前与结束后的蓄电池SOC值和开路电压Ub，根据式（1）即可以计算得到参数a和b。第二步：计算放电电阻Rd。由式（1）~（3），可以得到XbbabSOCURI。（4）式中，Ub和Ib是试验中实时测量的参数，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：计算充电电阻Rc。充电电阻Rc的计算思路与放电电阻一致。由文献[9]规定的不同温度下的恒流充电试验数据，根据式（4）即可得到等效的蓄电池充电电阻Rc，如图3（b）所示。（a）Rd随SOC和T的关系（b）Rc随SOC和T的关系图3蓄电池等效内阻1.3发电机模型在发电机转速较高，负载功率相对较小情况下，在发电机调节器作用下，发电机以固定电压输出功率；在发电机转速较低，而负载功率相对较大情况下，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。RgUgEIEUIg切换开关图4发电机等效电路模型图中，Rg为发电机等效内阻，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。电压源有效电流源有效Ug≥EUIgEI图5发电机最大输出电流图6稳压源与稳流源切换逻辑电压源有效时，若发电机输出电流Ig大于当前工况下发电机输出的最大电流EI，则切换开关将稳流源连接到负载，断开稳压源，使发电机以最大电流输出功率。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负载模型与进行汽车电源系统电平衡评估时的时间尺度比，可以忽略电器负载的动态过程。因此，本文采用等功率电阻描述负载。由负载的功率PL、工作电压UL根据下式可计算得到负载的等效电阻RL：2LLLURP。（5）仿真过程中，通过改变功率来模拟开关不同负载的工况。2试验验证上面介绍了汽车电源系统各部分的模型及模型参数的提取方法，基于AnsoftSimplorer软件，将各部件模型根据图1所示的汽车电源系统进行连接，即可得到图7所示的汽车电平衡仿真模型。车速工况数据发动机转速发电机模型蓄电池模型温度负载模型正极地负载工况数据负载功率图7电平衡仿真模型本节将进一步通过试验对建立的电平衡仿真模型的准确性和有效性进行验证。设计的验证试验工况包含了蓄电池充电、放电状态，发电机满载和非满载状态。验证试验的发动机转速如图8所示，试验过程中，各用电负载的状态如表1所示。图8发动机转速表1用电负载运行状态时刻/min负载运行状态0开启近光灯、暖通电机最高档、收音机、左冷却风扇5关闭近光灯、暖通电机、收音机10开启近光灯、暖通电机最高档、收音机20运行后雾灯25关闭后雾灯40关闭近光灯、暖通电机、收音机50开启近光灯、暖通电机最高档、收音机80关闭所有用电负载试验前，蓄电池初始电压为11.9V。试验过程中实时记录发动机转速、发电机和蓄电池温度、发电机的电压和电流、蓄电池的电压和电流等数据。试验完成后，将记录的发动机转速、发电机和蓄电池温度作为电平衡仿真模型的输入，通过对比电平衡仿真模型的输出结果与试验数据之间的误差来评估电平衡仿真模型的准确性。电平衡模型仿真与试验结果如图9所示。（c）发电机电流（d）蓄电池电流仿真曲线，试验曲线图9仿真与试验曲线从图8和表1所示的试验验证工况以及图9的结果可以看出，在0min～5min、25min～40min、70min～80min，发动机转速为零，发电机未发电，由蓄电池向所有用电负载供电。由于发电机与蓄（a）发电机电压（b）蓄电池电压电池通过导线直接连接，发电机端电压等于蓄电池电压。在5min～15min、40min～50min、60min～70min，发动机怠速。由于转速较低，而蓄电池充电电流和用电负载功率都较大，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15min～25min和50min～60min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。整个验证试验过程中，发电机输出电量的仿真与试验结果误差为4%，蓄电池放电电量误差为5%，蓄电池充电电量误差为4%，总电平衡量误差为1%。说明本文建立的仿真模型能够用于预测汽车电源系统的电平衡量，可以在项目开发前期用于电源系统的设计匹配。3仿真预测前面建立了汽车电源系统电平衡仿真模型，并对模型的准确性和有效性进行了验证，本节将应用建立的模型对长安某车型电源系统的电平衡进行预测。3.1工况设计考虑NEDC工况是进行汽车排放和经济性评估时广泛采用的汽车行驶工况，包含了城市工况和市郊工况，能够比较客观地反应实际的汽车行驶工况。所以，参考[12]采用NEDC工况进行电平衡仿真预测，车速曲线如图10所示。图10NEDC工况车速曲线进行电源系统设计时，要保证汽车实际的最恶劣条件下的电平衡。所以，根据夏季夜间雨天环境下用电负载的工作状态作为电平衡仿真预测时的负载工况[12]。实际条件下，部分用电负载为间隙工作状态。一方面，考虑电平衡主要关心一段时间内发电机发电量是否满足用电负载用电量的需求，可以忽略用电负载启动/停止的过渡过程；另一方面，为简化用电负载模型，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2LLLURKP，（6）其中K为间隙负载的工作频率。虽然温度变化会对蓄电池和发电机性能产生影响，但实际行驶工况下，达到热稳态时，发动机舱内的温度变化并不大。为此，进行电平衡预测时，采用实测的发电机和蓄电池温度的平均值作为仿真模型的温度参数。3.2结果分析应