新能源車輛電平衡設(shè)計與仿真研究

【摘" 要】傳統(tǒng)電平衡設(shè)計計算方法存在主觀性強、影響因素選擇少、無法直觀展現(xiàn)等缺點，電平衡的仿真分析則彌補了傳統(tǒng)設(shè)計的不足，為電量管理提供了新思路。文章在傳統(tǒng)電平衡設(shè)計計算的基礎(chǔ)上，引入電平衡的設(shè)計仿真，重點探討基于Saber RD軟件的電平衡仿真分析方法。

【關(guān)鍵詞】新能源汽車;電平衡;DCDC變換器;仿真設(shè)計

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0012-03

Research on Electric Balance Design and Simulation of New Energy Vehicles

【Abstract】Traditional electric balance design and calculation methods are subjective，fail to consider all influencing factors，and cannot provide intuitive presentations. In contrast，simulation analysis of power balance compensates for the shortcomings of traditional designs and offers new ideas for power management. Based on traditional power balance design and calculation，this article introduces design simulation for power balance，focusing on the simulation analysis method using Saber RD software.

【Key words】new energy;electric balance;DCDC converter;simulation design

0" 引言

隨著科技的飛速進步，汽車行業(yè)正朝著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化的方向大步邁進。汽車上電子產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，車載信息娛樂配件和提升舒適性的配件數(shù)量迅速增長。傳統(tǒng)的機械功能正在被線控電器件逐步取代。能源需求的增加使得主機廠必須優(yōu)化電氣系統(tǒng)的性能和效率，提高系統(tǒng)可靠性，以滿足整車品質(zhì)、系統(tǒng)可靠性和成本方面的要求[1]。

汽車電氣系統(tǒng)的電平衡是確保汽車正常啟動和行駛的關(guān)鍵因素，也是電氣系統(tǒng)設(shè)計的核心要點[2]。因此，對車輛進行電平衡設(shè)計分析具有重要的現(xiàn)實意義，它不僅有助于提升汽車的效能和可靠性，更是對推動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有不可估量的價值。

1" 綜述

在新能源汽車領(lǐng)域，電氣架構(gòu)布置方式大致如圖1所示。整車低壓電平衡這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涵蓋了蓄電池選型、DCDC變換器選擇、整車電氣負荷計算以及電平衡評判等多個方面。

優(yōu)化DCDC選型與蓄電池容量的匹配，不僅能確保車輛在各種環(huán)境溫度下順利啟動，還能顯著降低蓄電池的成本[3]。同時，對DCDC的有效輸出功率與電器正常耗電量的優(yōu)化匹配，既能保證蓄電池的正常充放電，延長其使用壽命，同時也有助于降低整車成本。

本文將深入探討新能源車輛在電平衡設(shè)計時，DCDC變換器選型的方法和計算過程，并利用仿真設(shè)計進行驗證，以確保產(chǎn)品的可靠性和性能。通過這些分析和探討，期望為新能源車輛的電平衡設(shè)計提供有價值的參考和指導(dǎo)，推動行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2" 電平衡設(shè)計內(nèi)容

2.1" 方法設(shè)計

在新能源車輛中，用電設(shè)備需要根據(jù)不同場合和氣候條件進行配置，其使用情況會有所差異[4]。通常這些設(shè)備不會同時啟動運行，許多用電設(shè)備的工作狀態(tài)及運行時長受季節(jié)和環(huán)境因素的影響。為簡化分析并準確計算，引入頻度系數(shù)的概念，以便評估整車的實際用電量。通過考量不同工作條件下用電設(shè)備的頻度系數(shù)，可以有效計算其等效功率。整車用電設(shè)備的等效功率可采用公式（1）進行計算。

式中：P——整車用電設(shè)備的等效功率; μi——第i個用電設(shè)備的頻度系數(shù);Pi——第i個用電設(shè)備的額定功率。

通過該公式，可以準確預(yù)測新能源車輛電力系統(tǒng)的負荷情況，從而確保車輛在各種工況下都能正常啟動和行駛，為汽車提供穩(wěn)定、高效的運行保障。

本文以某款新能源車型為例，統(tǒng)計了整車用電設(shè)備的電性能參數(shù)。利用頻度系數(shù)，計算不同工況下的電氣負載功率（表1），其中夏季雨夜電氣負載最大。

最終的計算結(jié)果表明，在夏季雨夜的極限工況下，整車電氣負載功率達到2628W。

2.2" DCDC變換器選型

DCDC變換器是新能源汽車中的關(guān)鍵組件，能夠?qū)⒄噭恿﹄姵氐母邏弘娹D(zhuǎn)換為低壓電，滿足整車低壓負載的需求，同時為蓄電池充電。DCDC變換器具備高效率和較大的功率容量，適用于輸入輸出壓差大、壓降和發(fā)熱關(guān)系不大的應(yīng)用場景。

在選擇DCDC變換器的功率時，需根據(jù)整車低壓電氣負載的功率需求，使用公式（2）進行計算，可以確保DCDC變換器的功率不僅能夠滿足整車低壓負載的需求，更能保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

Pd=P/（1-K）（2）

式中：Pd——DCDC變換器選取最低功率;P——整車用電設(shè)備的等效功率;K——蓄電池充電系數(shù)，一般取0.1。

因此，根據(jù)夏季雨夜極限工況下的電氣負載功率，為滿足整車低壓電氣負載的需求，本車型DCDC變換器的功率選取至少為：Pd=P/（1-K）=2920W。

在夏季雨夜工況下，經(jīng)過傳統(tǒng)理論計算，得出DCDC的選型功率應(yīng)不低于2920W，推薦選用3kW的DCDC變換器。

2.3" 仿真設(shè)計

仿真分析基于Synopsys公司開發(fā)的一款電子設(shè)計自動化軟件Saber RD。Saber RD軟件提供一種全新的設(shè)計和虛擬驗證仿真環(huán)境，可以優(yōu)化傳統(tǒng)開發(fā)流程，仿真提早接入，更快獲得結(jié)果，實現(xiàn)協(xié)同開發(fā)?；赟aber RD仿真軟件，利用收集的電性能參數(shù)，為本車型的電器件建立了數(shù)學(xué)模型（圖2）。通過對數(shù)學(xué)模型的仿真分析，可以獲得蓄電池的電氣參數(shù)，如SOC的變化量。圖3為蓄電池模型SOC的仿真分析。

根據(jù)仿真模型進行仿真模擬，最終得到DCDC和蓄電池的電性能參數(shù)的變化情況。其中，圖4、圖5展示了仿真過程中DCDC和蓄電池的時刻變化曲線，而圖6、圖7則呈現(xiàn)了仿真的最終結(jié)果。

夏季雨夜工況下，蓄電池平均以6.07A電流充電，SOC上升10.325%，但蓄電池電壓25.776V低于25.8V，不滿足評價指標要求。

夏季雨夜極限工況下，蓄電池平均以0.05A電流放電，SOC下降0.125%，蓄電池電壓25.01V低于25.8V，不滿足評價指標要求。

冬季雪夜，蓄電池平均以1.4A電流充電，SOC上升2.1%，滿足評價指標要求。

2.4" 結(jié)果分析

將傳統(tǒng)理論計算的結(jié)果與仿真分析的結(jié)果進行對比分析。

1）夏季雨夜（常規(guī)工況）理論計算和仿真結(jié)果相差在2%內(nèi)，可以放行計算結(jié)果。

2）夏季雨夜（極限工況）理論計算和仿真結(jié)果差異15%，除去理論計算考慮的蓄電池充電功率，差異仍有10%，考慮增加DCDC變換器的選型功率。

3）冬季雪夜理論計算和仿真結(jié)果差異在2%內(nèi)，可以放行計算結(jié)果。

4）考慮極限夏季雨夜工況發(fā)生的情況以及考慮到客戶后期可能加裝其他配置的可能性，建議選擇功率更大的DCDC型號，以確保未來可能的電氣負載增加得到滿足。通過評估選擇3.5kW 27.5V DCDC滿足夏季雨夜整車用電需求。

3" 結(jié)論

本文深入探討了新能源車型中的低壓電平衡方案設(shè)計，通過實車數(shù)據(jù)進行了DCDC變換器的選型計算，并利用仿真設(shè)計驗證了設(shè)計方法的合理性和可靠性，同時，根據(jù)計算結(jié)果給予了合理化建議。對于汽車電平衡設(shè)計具有重要借鑒意義，有助于推動新能源車輛的進一步發(fā)展和優(yōu)化。后續(xù)根據(jù)詳細的輸入模型參數(shù)更新仿真拓撲，更加真實地貼近實際整車用電情況。

參考文獻：

[1] 錢寶存，張順義. 重卡商用車電平衡測試研究[J]. 汽車電器，2023（12）：90-91，95.

[2] 習(xí)璐穎，徐艷強，周平. 純電動汽車整車動態(tài)電平衡設(shè)計及驗證測試[J]. 電工技術(shù)，2022（1）：6-9.

[3] 肖聰，汪斌，竇明佳. 一種純電動汽車DC/DC變換器選型設(shè)計與控制策略研究[J]. 汽車電器，2020（6）：15-17，20.

[4] 周勝強，程斌，李嘉博. 多工況下整車電平衡試驗研究[J]. 汽車電器，2018（8）：48-51.