汽车电源系统电平衡仿真技术研究

1、汽车电源源系统电平平衡仿真真技术研究究【摘要】：电平衡衡是汽车车电源系系统设计计时需要考虑虑的主要要问题之之一。本本文通过过分析蓄蓄电池和和发电机机工作特性性，建立立起相应的外特性性等效电电路模型型，并利用用零部件件的标准准试验数数据提取取得到电电路模型型的相关关参数，从而完完成汽车车电源系系统电平平衡的仿真预测测模型。在对模型型的准确确性进行行试验验验证后，应用该该模型对对某车型型电源系系统的电电平衡进进行了仿仿真预测测。试验验和应用用结果说说明了提出的的电平衡衡建模和仿真技技术的正正确性和和有效性性。【关键词词】：汽车；电源系系统；电平衡衡；仿真真Simuulattionn Sttudyy

2、 off Chharggingg Baalannce forr Veehiccle Eleectrric Powwer SysstemmAbsttracct:Chaargingg baalannce is onee off thhe kkey isssuesswheen ddesiigniingtthe vehhiclle eelecctriic ppoweer ssysttem. Thhe eequiivallentt ciircuuit moddel of bbattteryy annd aalteernaatorr iss seet uup rresppecttiveely aftter

3、 anaalyzzingg thheirr opperaatinng ccharractteriistiics.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 vv

4、aliidattingg 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 eeffeect

5、iive.Key worrds:vehhiclle; eleectrric powwer sysstemm; ccharrginng bbalaancee; ssimuulattionn前言为满足消消费者对对汽车舒舒适性、经济性性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，整车供供电需求求平均每每10年年增加110%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

6、车车公司已已经建立立了电平平衡仿真真平台345，在项目目开发前前期实现现电平衡衡状态的的定量评评估，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，而且对工工程师的的经验要要求也很很高。要要提升国国内汽车车企业的的电源系系统设计计能力，必须掌掌握电源源系统的的电平衡衡仿真技技术。为此，本本文从汽汽车电源源系统出出

7、发，在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，提取得得到等效效电路模模型的相相关参数数。在此此基础上上，进一一步建立立负载的的等效电电阻模型型，从而而完成汽汽车电源源系统的的电平衡衡仿真模模型，并并通过试验验工况的的设计，对仿真真模型的的准确性性进行充充分验证证。最后后，应用用该模型型对某车型型在NEEDC循循环，夏夏季夜间间雨天工工况下的的电平衡衡进行了了预测。电平衡仿仿真模型型汽车电源源系统概概述图SEQ 图 * ARABIC1电源源

8、系统如REF _Ref231122496 h * MEERGEEFORRMATT 图1所示，汽车电电源系统统由发电电机、蓄蓄电池和和用电负负载构成成。电平平衡是指指发电机机、蓄电电池和用用电负载载之间的的电能产产生与消消耗的相相互制约约关系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，同时为为用电负负载提供供电源；当发电电机输出出电压低低于蓄电电池电压压时，蓄蓄电池放放电，由由发电机机和蓄电电池共同同对用电电负载供供电。本本文研究究的电平平衡仿真真技术便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，实现在项项目开发发前期对对整车电电平衡的的定量

9、评评估，从从而指导导电源系系统的设设计匹配配。下面面分别进进行阐述述。蓄电池模模型进行汽车车电源系系统设计计匹配时时，主要要关注蓄蓄电池的的外部电电气特性性。通常常可以采采用等效效内部电电动势和和电阻来来描述电电源特性性，为此此，本文文采用REF _Ref231196390 h * MERRGEFFORMMAT 图2所示的的蓄电池池模型REF _Ref231196436 r h * MERRGEFFORMMAT 8 REF _Ref231196438 r h * MERGEFORMAT 9。图SEQ 图 * ARABIC2 蓄蓄电池等等效电路路模型图中，EE表示电电化学反反应产生生的内部部电动

10、势势，Rc表示充充电电阻阻，Rd表示放放电电阻阻，这三三个参数数均受蓄电池池荷电状状态SOOC和温温度T影响，Ub为蓄电电池端电电压，Ib为流经经蓄电池池的电流流。上述参数数满足如如下关系系式REF _Ref231196436 r h * MMERGGEFOORMAAT 8：，（11），（22），（33）其中，aa、b为待定系系数，反反应了电电动势EE与SOCC之间的的关系，SOCC0为蓄电电池初始始荷电状状态，QQ为蓄电电池容量量，RX为蓄电电池内阻阻，放电电时为RRd，充电电时为RRc。通常都都通过设设计的特特定实验验或根据据蓄电池池的电化化学反应应机理来来获取模模型参数数REF _Ref

11、231268689 r h * MEERGEEFORRMATT 22 REF _Ref231268690 r h * MERGEFORMAT 44 REF _Ref231268692 r h * MERGEFORMAT 66 REF _Ref231268696 r h * MERGEFORMAT 77 REF _Ref231196436 r h * MERGEFORMAT 88。这这些方法法需要特特殊的试试验设备备，试验验工作量量大，而而且需要要对蓄电电池的电电化学反反应机理理非常熟熟悉，而汽车车厂在进进行电源源系统设设计时，重点关关注蓄电电池所表表现出来来的外部部电气特特性。为此，本文以以式

12、（11）（3）描描述的蓄蓄电池等等效模型型为基础础，根据据REF _Ref231196438 r h9规定的试验数数据（该该试验为为国家规规定的蓄蓄电池试试验），通过如如下步骤骤得到模模型中的的相关参参数：第一步：计算参数数a和b。在蓄电池池开路情情况下，蓄电池池端电压压即为蓄蓄电池的的内部电电动势EE。这样，由实测测的试验验开始前前与结束束后的蓄蓄电池SSOC值值和开路路电压UUb，根据据式（11）即可以计算算得到参参数a和b。第二步：计算放放电电阻阻Rd。由式（11）（3），可以得得到。（44）式中，UUb和Ib是试验验中实时时测量的的参数，每个时时刻的蓄蓄电池SSOC可可以由实实测的II

13、b根据式式（2）计算得得到。这这样，由由文献REF _Ref231196438 r h9规规定的不不同温度度下的225A储储备容量量试验数数据，根根据式（4）即即可得到到等效的的蓄电池池放电电电阻Rd，如REF _Ref231270234 h * MMERGGEFOORMAAT 图图3（a）所示。第三步：计算充充电电阻阻Rc。充电电阻阻Rc的计算算思路与与放电电电阻一致致。由文文献REF _Ref231196438 r h99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REF _Ref231270234 h * MMERGGEF

14、OORMAAT 图图3（b）所示。（a）RRd随SOCC和T的关系系（b）Rc随SOCC和T的关系系图SEQ 图 * ARABIC3蓄电电池等效效内阻发电机模模型在发电机机转速较较高，负负载功率率相对较较小情况况下，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，而负载载功率相相对较大大情况下下，发电电机以最最大电流流输出功功率，输输出电压压有所降降低。考虑如如上的发发电机工工作特性性，本文文参考REF _Ref231314367 r h11采用稳稳压源或或稳流源源等效发发电机的的输出特特性，建建立的发发电机模模型如REF _Ref231314753 h *

15、 MERRGEFFORMMAT 图4所示。图SEQ 图 * ARABIC4 发发电机等等效电路路模型图中，RRg为发电电机等效效内阻，Ug和Ig分别为为发电机机的端电电压和输输出电流流，EU为发电电机的等等效稳压压源。EI为发电电机的等等效电流流源，即即发电机机的最大大输出电电流，与与发电机转速速和温度度有关。发电机机输出的的最大电电流与发发电机转转速和温温度之间间的关系系曲线可可由REF _Ref231360547 r h100规定定的试验验得到，该试验验为国家家规定的的交流发发电机输输出特性性试验。本文研研究对象象的发电电机最大大输出电电流曲线线如REF _Ref231360726 h *

16、 MMERGGEFOORMAAT 图图5所示。根据发发电机当当前输出出特性以以及负载载情况，通过切切换开关关在稳压压源和稳稳流源之之间进行行切换，实现对对发电机机输出特特性的模模拟。稳稳压源与与稳流源源的切换换逻辑如如REF _Ref231361826 h * MEERGEEFORRMATT 图6所示。图SEQ 图 * ARABIC5 发发电机最最大输出出电流图图SEQ 图 * ARABIC6 稳压压源与稳稳流源切切换逻辑辑电压源有有效时，若发电电机输出出电流IIg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

17、输出出功率。电流源源有效时时，若发发电机的的端电压压大Ug于或等等于设定定的稳压压源电压压EU，则切换换开关将将稳压源源连接到到负载，断开稳稳流源，使发电电机以设设定电压压输出功功率。 负载模模型与进行汽汽车电源源系统电电平衡评评估时的的时间尺尺度比，可以忽忽略电器器负载的的动态过过程。因因此，本本文采用用等功率率电阻描描述负载载。由负负载的功功率PL、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：。（55）仿真过程程中，通通过改变变功率来来模拟开开关不同同负载的的工况。试验验证证上面介绍绍了汽车车电源系系统各部部分的模模型及模模型参数数的提取取方法，基于AAnsooft S

18、immploorerr软件，将各部件件模型根根据REF _Ref231122496 h * MMERGGEFOORMAAT 图图1所示的的汽车电电源系统统进行连连接，即即可得到到REF _Ref231396294 h * MEERGEEFORRMATT 图7所示的的汽车电电平衡仿仿真模型型。图SEQ 图 * ARABIC7 电电平衡仿仿真模型型本节将进进一步通通过试验验对建立立的电平平衡仿真真模型的的准确性性和有效效性进行行验证。设计的的验证试试验工况况包含了了蓄电池池充电、放电状状态，发发电机满满载和非非满载状状态。验验证试验验的发动动机转速速如REF _Ref231463737 h * M

19、MERGGEFOORMAAT 图图8所示，试验过过程中，各用电电负载的的状态如如REF _Ref231463784 h * MEERGEEFORRMATT 表1所示。图SEQ 图 * ARABIC8 发发动机转转速表SEQ 表 * ARABIC1 用用电负载载运行状状态时刻/mmin负载运行行状态0开启近光光灯、暖暖通电机机最高档档、收音音机、左左冷却风风扇5关闭近光光灯、暖暖通电机机、收音音机10开启近光光灯、暖暖通电机机最高档档、收音音机20运行后雾雾灯25关闭后雾雾灯40关闭近光光灯、暖暖通电机机、收音音机50开启近光光灯、暖暖通电机机最高档档、收音音机80关闭所有有用电负负载试验前，蓄

20、电池池初始电电压为111.99V。试验过过程中实实时记录录发动机机转速、发电机机和蓄电电池温度度、发电电机的电电压和电电流、蓄蓄电池的的电压和和电流等等数据。试验完完成后，将记录录的发动动机转速速、发电电机和蓄蓄电池温温度作为为电平衡衡仿真模模型的输输入，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REF _Ref231464507 h * MERRGEFFORMMAT 图9所示。（b）蓄电池电压（a）发电机电压（c）发发电机电电流 （d）蓄蓄电池电电流仿真曲线线， 试验验曲线图SEQ 图 *

21、ARABIC9 仿仿真与试试验曲线线从图8和和REF _Ref231463784 h * MEERGEEFORRMATT 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，发电机机端电压压等于蓄蓄电池电电压。在在5miin115miin、440miin550miin、660miin770miin，发发动机怠怠速。由由于转速速较低，而蓄电电池充电电电流和和用电负负载功率率都较大大，发电

22、电机处于于满载状状态，所所以电压压低于额额定电压压。蓄电池池处于充电电状态。在155minn255minn和50mmin60mmin发发动机转转速分别别为25500rrpm和和15000rppm，转转速相对对较高，发电机机的最大大输出电电流与怠怠速状态态相比有有所增加加，此时时发电机机处于非非满载运运行状态态，电压压基本保持持在144V，蓄蓄电池处处于充电电状态。整个验证证试验过过程中，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%，蓄电池池充电电电量误差差为4%，总电电平衡量量误差为为1%。说明本本文建立立的仿真真模型能能够用于于预测汽汽车电源源系统的

23、的电平衡衡量，可可以在项目开开发前期期用于电源源系统的的设计匹配配。仿真预测测前面建立立了汽车车电源系系统电平平衡仿真真模型，并对模模型的准准确性和和有效性性进行了了验证，本节将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。工况设计计考虑NEEDC工工况是进进行汽车车排放和和经济性性评估时时广泛采采用的汽汽车行驶驶工况，包含了了城市工工况和市市郊工况况，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REF _Ref231531565 r h112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REF _Ref231531661 h * MM

24、ERGGEFOORMAAT 图图10所示示。图SEQ 图 * ARABIC10 NEDDC工况况车速曲曲线进行电源源系统设设计时，要保证证汽车实实际的最最恶劣条条件下的的电平衡衡。所以以，根据据夏季夜夜间雨天天环境下下用电负负载的工工作状态态作为电电平衡仿仿真预测测时的负负载工况况REF _Ref231531565 r h * MEERGEEFORRMATT 112。实际条件件下，部部分用电电负载为为间隙工工作状态态。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，可以忽忽略用电电负载启启动/停停止的过过渡过程程；另一一方面，为简化化用电负

25、负载模型型，降低低数值计计算资源源需求，提高可可靠性，将间隙负负载等效效为连续续负载建建模，用电负负载的等等效电阻阻计算公公式为，（66）其中K为为间隙负载载的工作作频率。虽然温度度变化会会对蓄电电池和发发电机性性能产生生影响，但实际际行驶工工况下，达到热热稳态时时，发动动机舱内内的温度度变化并并不大。为此，进行电电平衡预预测时，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。 结果分分析应用REF _Ref231533593 r h1节节建立的的电平衡衡仿真模模型，根根据REF _Ref231533611 r h3.1设计计的工况况，长安安某车型型的电平平衡仿真

26、真预测的电电压和电电流曲线线结果如如REF _Ref231533995 h * MEERGEEFORRMATT 图11所示示。（a）电电压曲线线 （b）电电流曲线线蓄电池，发电机机图SEQ 图 * ARABIC11 电平衡衡预测电电压和电电流曲线线在城市工工况阶段段，平均均车速较较低，发发电机发发电量较较小，不不能满足足用电负负载需求求，蓄电电池放电电电量大大于充电电电量。在郊区区工况阶阶段，平平均车速速较高，发电机机发电量量较大，在满足足用电负负载需求求同时，能够对对蓄电池池进行充充电，蓄蓄电池充充电电量量大于放放电电量量。整个个NEDDC循环环工况下下，发电电机输出出电量为255.266A

27、h，用电负负载消耗耗电量为为25.21AAh，蓄蓄电池充充电电量量为0.95AAh，放放电电量量为0.9Ahh，整车车电平衡衡量为00.055Ah。而且，用电负负载的工工作状态态是根据据最恶劣劣的条件件设计的的，所以以仿真研研究对象象的电源源系统能能够满足足电平衡衡要求。结论本文建立立了汽车车电源系系统电平平衡仿真真模型，在对模模型准确确性进行行验证后后，应用用该模型型对某长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）利利用本文文提出的的方法能能够正确确有效地地从蓄电电池和发发电机标标准试验验数据提提取得到到所需的的模型参参数；（2）本本文建立立的电平平衡仿真

28、真模型准准确有效效，能够够用于汽汽车电源源系统电电平衡的的定量评评估；（3）在在NEDDC行驶驶工况，夏季夜夜间雨天天情况下下，研究究对象的的电源系系统满足足电平衡衡要求。参考文献献徐云云，张铁柱柱，朱智智富. 汽车电电源系统统分析J. 汽车车电器，20005，（3）：1张崇生，邓恒. 蓄电电池仿真真概述J. 汽车车电器，20008，（1）：122-16Thorrsteen GGerkke, Alkkiviiadiis BBoullos. Moodell Baasedd Deesiggn oof RRobuust Vehhiclle PPoweer NNetwworkks. SAEE 2000

29、8. DeetrooitBoullos, A. M., PPacaaud, C., BBurnnhamm, KK. JJ. aand Mahhtanni, J. L., Vaaliddatiion of battterry-aalteernaatorr moodell aggainnst expperiimenntall daata AA fiirstt sttep towwardds ddeveeloppingg a futturee poowerr suupplly ssysttem, Joournnal of Auttomoobille EEngiineeerinng, Prooceeedinngs of Insstittutiion of Mecchannicaal EEngiineeers (IMMechhE), Paart D, Voll. 22