基于Saber的某重卡車型蓄電池虧電仿真分析及優(yōu)化

楊國樑，譚金超，王子龍，劉昱挺，豐彥冬，唐風(fēng)敏

（1.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；2.森陽汽車科技 （天津）有限公司，天津 300300）

重卡車輛靜置一段時(shí)間出現(xiàn)虧電［1］，其原因大概如下。

1）發(fā)電機(jī)選型過小。

2）蓄電池靜態(tài)電流設(shè)計(jì)值偏大或蓄電池容量選取偏小。

3）整車及各控制器未進(jìn)入休眠或某些負(fù)載存在暗電。

4）用戶私自改裝電器導(dǎo)致整車功耗增大。

針對(duì)以上問題，一般通過實(shí)車電性能測(cè)試去驗(yàn)證，如采取整車電平衡測(cè)試、靜態(tài)電流測(cè)試等手段，全面分析車輛存在的虧電風(fēng)險(xiǎn)。該方法作為車輛研發(fā)過程中最后一個(gè)環(huán)節(jié)，從性能方面驗(yàn)證電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，具有直觀、準(zhǔn)確地獲取車輛性能參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在諸多不足，如問題暴露較晚、整改措施難以工程化等問題。

仿真技術(shù)的發(fā)展，為車型研發(fā)驗(yàn)證提供了新的思路，基于仿真軟件如Saber［2］、MATLAB軟件，可實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電系統(tǒng)性能仿真，將仿真嵌入到正向設(shè)計(jì)階段，在物理原型出來以前，建立各器件的模型提前實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試。

目前，國外知名公司如大眾、福特汽車已經(jīng)開發(fā)出成熟的電氣系統(tǒng)仿真模型，其模型的仿真分析能夠提前暴露出設(shè)計(jì)中大部分問題，極大縮短了開發(fā)周期并節(jié)省了費(fèi)用。國內(nèi)少數(shù)企業(yè)已經(jīng)開展電氣系統(tǒng)性能仿真的研究，長安汽車基于MATLAB構(gòu)建了電平衡仿真模型，仿真出不同工況不同負(fù)荷下的電氣參數(shù)。其仿真的不足在于無法進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)化建模，對(duì)仿真的精度有影響。

1 基于Saber的建模仿真介紹

1.1 建模及仿真分析流程

Saber仿真軟件是一款EDA軟件，可以解決從系統(tǒng)開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問題。Saber軟件建模及仿真分析流程如圖1所示。其中步驟1～3適用于一般仿真流程，步驟4～9為魯棒性設(shè)計(jì)流程。

1.2 性能指標(biāo)設(shè)定

圖1 Saber軟件建模及仿真分析流程

Saber提供了單一集成仿真環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)從頂層到底層全流程仿真，貫穿于汽車所有層級(jí)建模 （整車級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、器件級(jí)等）。建模之前，根據(jù)仿真的性能指標(biāo)確定模型的結(jié)構(gòu)及各子模型的復(fù)雜程度，適當(dāng)大小及精細(xì)的模型既可滿足仿真精度要求，又可避免建模的繁瑣。

1.3 建模

Saber建模一般包含模型結(jié)構(gòu)確定及參數(shù)收集、子模塊建模、子模塊測(cè)試及系統(tǒng)集成調(diào)試等工作，具體建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程

1.4 標(biāo)稱設(shè)計(jì)仿真分析

標(biāo)稱設(shè)計(jì)仿真用于分析新設(shè)計(jì) （電路、新方法、新理論）的工作機(jī)理及分析設(shè)計(jì)參數(shù)是否適當(dāng)并修正參數(shù)。模型建立后進(jìn)行標(biāo)稱設(shè)計(jì)的參數(shù)化配置，根據(jù)信號(hào)的類型及具體的需求進(jìn)行相應(yīng)的仿真測(cè)試。Saber提供了多種高級(jí)仿真分析驗(yàn)證的工具：直流工作點(diǎn)分析、時(shí)域仿真分析、交流小信號(hào)分析、多變量分析、應(yīng)力分析、靈敏度分析、蒙特卡洛分析、故障分析等。

1.5 魯棒性仿真

針對(duì)板級(jí)電路，還需要開展魯棒性仿真，用于確定系統(tǒng)或者子系統(tǒng)中的影響性能的核心器件、減小系統(tǒng)中各種可能的變化因素對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵性能的影響、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)以提高設(shè)計(jì)品質(zhì)并降低設(shè)計(jì)成本。按照?qǐng)D1步驟4～9開展魯棒性設(shè)計(jì)。

2 蓄電池虧電建模及仿真

2.1 蓄電池虧電模型總體介紹

本文將構(gòu)建靜態(tài)電流仿真測(cè)試模型、電平衡仿真測(cè)試模型［3-4］。靜態(tài)電流仿真測(cè)試模型在一個(gè)設(shè)定的極限靜態(tài)功耗下，仿真驗(yàn)證蓄電池對(duì)外放電能力和蓄電池能保證冷起動(dòng)所需電壓的最大靜置時(shí)間；整車電平衡仿真測(cè)試Saber模型將驗(yàn)證在選型設(shè)計(jì)階段所選的發(fā)電機(jī)型號(hào)、蓄電池容量和整車各工況下負(fù)載消耗的匹配程度及整車動(dòng)態(tài)電量平衡情況。

蓄電池虧電仿真模型如圖3所示。

整車蓄電池虧電仿真模型包括C-WTVC驅(qū)動(dòng)工況模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、車身模型、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)模型、線束模型、蓄電池模型、開關(guān)控制器模型、負(fù)載模型。在CWTVC循環(huán)工況中包含兩種氣候條件模型：夏季雨夜和冬季雪夜。

在整車電氣系統(tǒng)中，針對(duì)于電器負(fù)載建模，根據(jù)整車電器配置表提供的各用電器設(shè)備的額定功率或工作電流值，利用Saber原件庫的load負(fù)載構(gòu)建恒功率型負(fù)載，模擬整車用電器負(fù)載總功耗。針對(duì)于主電器設(shè)備蓄電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、線纜、繼電器建模，將直接調(diào)用Saber元件庫里的模型，根據(jù)供應(yīng)商提供的建模參數(shù)需求表上的參數(shù)信息，對(duì)各電器進(jìn)行參數(shù)配置建模。

圖3 蓄電池虧電仿真模型拓?fù)鋱D

2.2 主要部件建模過程

2.2.1 負(fù)載建模

車輛OFF狀態(tài)負(fù)載為全車靜態(tài)消耗負(fù)載 （整車最大靜態(tài)電流）60mA。

level1夏季白天工況負(fù)載1384.764W、level2夏季夜晚工況負(fù)載1647.544W、level3夏季雨夜工況負(fù)載1817.456W。夏季負(fù)載模型如圖4所示。

圖4 夏季負(fù)載模型

Level1冬季白天工況負(fù)載1401.24W、level2冬季夜晚工況負(fù)載1661.704W、level3冬季雪夜工況負(fù)載1828.016W。冬季負(fù)載模型如圖5所示。

圖5 冬季負(fù)載模型

2.2.2 發(fā)電機(jī)建模

根據(jù)所提供發(fā)電機(jī)特性曲線，運(yùn)用查找表方式給發(fā)電機(jī)建模，分別掃描發(fā)電機(jī)外特性曲線和效率曲線。發(fā)電機(jī)輸出特性查找表模型如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)輸出特性查找表模型

2.2.3 蓄電池建模

根據(jù)提供的蓄電池特性參數(shù)進(jìn)行蓄電池參數(shù)化建模，如圖7所示。

3 仿真測(cè)試及結(jié)果評(píng)估

3.1 整車電平衡仿真測(cè)試及結(jié)果評(píng)估

以C-WTVC循環(huán)工況-冬季雪夜為例，該極端工況下用電負(fù)載全部打開，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求如下。

圖7 蓄電池模型

車輛行駛過程，一般要求發(fā)電機(jī)提供給蓄電池的電流約為其容量的10%［5］。

本文中重卡車型初選發(fā)電機(jī)額定輸出電流為80A、蓄電池容量為180Ah；蓄電池充電電流需不小于18A、蓄電池SOC上升率需不小于5%。

仿真測(cè)試結(jié)果：蓄電池充電電流及SOC變化率不滿足設(shè)計(jì)要求且發(fā)電機(jī)始終處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，需對(duì)發(fā)電機(jī)重新選型，詳見表1。圖8為發(fā)電機(jī)電平衡仿真測(cè)試波形 （80A）。

3.2 整車靜態(tài)電流仿真測(cè)試及結(jié)果評(píng)估

溫度對(duì)蓄電池充放電性能影響較大，需分別進(jìn)行常溫（25℃）、高溫 （40℃）、低溫 （-10℃） 靜態(tài)電流仿真測(cè)試，驗(yàn)證不同溫度下蓄電池放電性能。注：蓄電池平均充電電流（-）號(hào)表示充電。

表1 仿真測(cè)試結(jié)果

圖8 發(fā)電機(jī)電平衡仿真測(cè)試波形 （80A）

車輛在長途運(yùn)輸或長時(shí)間停放后應(yīng)能起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一般要求蓄電池常溫能夠滿足車輛連續(xù)停放6周 （42天國內(nèi)要求）。以常溫 （25℃）靜態(tài)電流仿真測(cè)試為例，仿真測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果為：整車靜態(tài)功耗不滿足設(shè)計(jì)要求，需降低整車靜態(tài)功耗，詳見表2。靜態(tài)電流仿真測(cè)試波形 （60mA）如圖9所示。

表2 整車靜態(tài)電流仿真測(cè)試及結(jié)果評(píng)估

圖9 靜態(tài)電流仿真測(cè)試波形 （60mA）

4 設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化及仿真測(cè)試

4.1 發(fā)電機(jī)容量的選型優(yōu)化及仿真測(cè)試

在80A基礎(chǔ)上，將發(fā)電機(jī)容量選為90A，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試。

仿真測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果為：蓄電池充電電流仿真測(cè)試值不滿足設(shè)計(jì)要求，而蓄電池SOC變化率能達(dá)到4.9707% （約等于5%），詳見表3?？紤]到后期車型的升級(jí)，需繼續(xù)增加發(fā)電機(jī)的容量。發(fā)電機(jī)電平衡仿真測(cè)試波形 （90A）如圖10所示。

在80A基礎(chǔ)上，將發(fā)電機(jī)容量選為100A，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試。

仿真測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果為：整車蓄電池充電電流及SOC的變化率均滿足設(shè)計(jì)要求，詳見表4。發(fā)電機(jī)電平衡仿真測(cè)試波形 （100A）如圖11所示。

綜上仿真優(yōu)化結(jié)果的分析比較，建議該重卡車型裝配100A容量的發(fā)電機(jī)，這樣既能滿足蓄電池的充電設(shè)計(jì)要求，又能滿足負(fù)載的消耗，并且留有足夠的安全余量，對(duì)后續(xù)車型的升級(jí)具有直接的指導(dǎo)意義。

4.2 靜態(tài)電流設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及仿真測(cè)試

對(duì)整車靜態(tài)電流進(jìn)行參數(shù)掃描，最終確定整車靜態(tài)電流不超過47.5mA時(shí)，滿足靜置天數(shù)的要求，由此確定優(yōu)化后的參數(shù)。靜態(tài)電流設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及仿真測(cè)試詳見表5，靜態(tài)電流設(shè)計(jì)值優(yōu)化仿真測(cè)試波形 （47.5mA）如圖12所示。

表3 發(fā)電機(jī)容量的選型優(yōu)化及仿真測(cè)試

圖10 發(fā)電機(jī)電平衡仿真測(cè)試波形 （90A）

圖11 發(fā)電機(jī)電平衡仿真測(cè)試波形 （100A）

表4 仿真測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 靜態(tài)電流設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及仿真測(cè)試

5 結(jié)束語

本文介紹了Saber的建模仿真流程，以某重卡車型為例，基于Saber軟件建立了蓄電池虧電模型，進(jìn)行了電平衡仿真測(cè)試、靜態(tài)電流仿真測(cè)試，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化及仿真測(cè)試，最終確定了優(yōu)化后的參數(shù)。本文中的重卡車型處于開發(fā)階段，未采集到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文中缺少實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)的比較，該工作將作為本論文下一個(gè)研究方向。

圖12 靜態(tài)電流設(shè)計(jì)值優(yōu)化仿真測(cè)試波形 （47.5mA）