1、汽車電源源系統電平平衡仿真真技術研究究【摘要】：電平衡衡是汽車車電源系系統設計計時需要考慮慮的主要要問題之之一。本本文通過過分析蓄蓄電池和和發電機機工作特性性，建立立起相應的外特性性等效電電路模型型，并利用用零部件件的標準準試驗數數據提取取得到電電路模型型的相關關參數，從而完完成汽車車電源系系統電平平衡的仿真預測測模型。在對模型型的準確確性進行行試驗驗驗證后，應用該該模型對對某車型型電源系系統的電電平衡進進行了仿仿真預測測。試驗驗和應用用結果說說明了提出的的電平衡衡建模和仿真技技術的正正確性和和有效性性。【關鍵詞詞】：汽車；電源系系統；電平衡衡；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前言為滿足消消費者對對汽車舒舒適性、經濟性性等的需求求及日益益嚴格的的環保和安安全法規規，汽車車電氣部部件越來來越多，整車供供電需求求平均每每10年年增加110%15%1，對電電源系統統的設計計匹配要求求越來越越高。另另一方面面，汽車車實際行行駛工況況的復雜雜性也增增加了電電源系統統的設計計匹配難度度。依靠傳傳統的方方法難以以在項目目開發早早期保證證電源系系統的設設計精度度。針對上上述問題題，大眾眾、捷豹豹等汽

6、車車公司已已經建立立了電平平衡仿真真平臺345，在項目目開發前前期實現現電平衡衡狀態的的定量評評估，以指導電電源系統統的設計匹配配。國內汽車車企業在在進行電電源系統統設計時時，還主主要依賴賴傳統方方法，即即根據配置置表與目目標市場場氣候條條件、發發動機轉轉速概率率落點等等因素進進行經驗驗性的靜態估估計，成成車后再再進行發發電機和和蓄電池池的電平平衡試驗驗2。這種方方法成本本高、錯錯估風險險大，易造成成后期整整改成本本和周期期增加，而且對工工程師的的經驗要要求也很很高。要要提升國國內汽車車企業的的電源系系統設計計能力，必須掌掌握電源源系統的的電平衡衡仿真技技術。為此，本本文從汽汽車電源源系統出出

7、發，在在分析蓄蓄電池和和發電機機和的工工作特性性基礎上上，建立立了能夠描描述蓄電電池和發發電機外外部特性性的等效效電路模模型。為簡化化建模成成本，利利用供應應商已有有的蓄電電池和發發電機標標準試驗驗數據，提取得得到等效效電路模模型的相相關參數數。在此此基礎上上，進一一步建立立負載的的等效電電阻模型型，從而而完成汽汽車電源源系統的的電平衡衡仿真模模型，并并通過試驗驗工況的的設計，對仿真真模型的的準確性性進行充充分驗證證。最后后，應用用該模型型對某車型型在NEEDC循循環，夏夏季夜間間雨天工工況下的的電平衡衡進行了了預測。電平衡仿仿真模型型汽車電源源系統概概述圖SEQ 圖 * ARABIC1電源源

8、系統如REF _Ref231122496 h * MEERGEEFORRMATT 圖1所示，汽車電電源系統統由發電電機、蓄蓄電池和和用電負負載構成成。電平平衡是指指發電機機、蓄電電池和用用電負載載之間的的電能產產生與消消耗的相相互制約約關系6。當發電電機輸出出電壓高高于蓄電電池電壓壓時，發發電機對對蓄電池池充電，同時為為用電負負載提供供電源；當發電電機輸出出電壓低低于蓄電電池電壓壓時，蓄蓄電池放放電，由由發電機機和蓄電電池共同同對用電電負載供供電。本本文研究究的電平平衡仿真真技術便便是要通過過建立蓄電電池、發發電機和和用電負負載的電電氣特性性模型，實現在項項目開發發前期對對整車電電平衡的的定量

9、評評估，從從而指導導電源系系統的設設計匹配配。下面面分別進進行闡述述。蓄電池模模型進行汽車車電源系系統設計計匹配時時，主要要關注蓄蓄電池的的外部電電氣特性性。通常常可以采采用等效效內部電電動勢和和電阻來來描述電電源特性性，為此此，本文文采用REF _Ref231196390 h * MERRGEFFORMMAT 圖2所示的的蓄電池池模型REF _Ref231196436 r h * MERRGEFFORMMAT 8 REF _Ref231196438 r h * MERGEFORMAT 9。圖SEQ 圖 * ARABIC2 蓄蓄電池等等效電路路模型圖中，EE表示電電化學反反應產生生的內部部電動

10、勢勢，Rc表示充充電電阻阻，Rd表示放放電電阻阻，這三三個參數數均受蓄電池池荷電狀狀態SOOC和溫溫度T影響，Ub為蓄電電池端電電壓，Ib為流經經蓄電池池的電流流。上述參數數滿足如如下關系系式REF _Ref231196436 r h * MMERGGEFOORMAAT 8：，（11），（22），（33）其中，aa、b為待定系系數，反反應了電電動勢EE與SOCC之間的的關系，SOCC0為蓄電電池初始始荷電狀狀態，QQ為蓄電電池容量量，RX為蓄電電池內阻阻，放電電時為RRd，充電電時為RRc。通常都都通過設設計的特特定實驗驗或根據據蓄電池池的電化化學反應應機理來來獲取模模型參數數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。這這些方法法需要特特殊的試試驗設備備，試驗驗工作量量大，而而且需要要對蓄電電池的電電化學反反應機理理非常熟熟悉，而汽車車廠在進進行電源源系統設設計時，重點關關注蓄電電池所表表現出來來的外部部電氣特特性。為此，本文以以式

12、（11）（3）描描述的蓄蓄電池等等效模型型為基礎礎，根據據REF _Ref231196438 r h9規定的試驗數數據（該該試驗為為國家規規定的蓄蓄電池試試驗），通過如如下步驟驟得到模模型中的的相關參參數：第一步：計算參數數a和b。在蓄電池池開路情情況下，蓄電池池端電壓壓即為蓄蓄電池的的內部電電動勢EE。這樣，由實測測的試驗驗開始前前與結束束后的蓄蓄電池SSOC值值和開路路電壓UUb，根據據式（11）即可以計算算得到參參數a和b。第二步：計算放放電電阻阻Rd。由式（11）（3），可以得得到。（44）式中，UUb和Ib是試驗驗中實時時測量的的參數，每個時時刻的蓄蓄電池SSOC可可以由實實測的II

13、b根據式式（2）計算得得到。這這樣，由由文獻REF _Ref231196438 r h9規規定的不不同溫度度下的225A儲儲備容量量試驗數數據，根根據式（4）即即可得到到等效的的蓄電池池放電電電阻Rd，如REF _Ref231270234 h * MMERGGEFOORMAAT 圖圖3（a）所示。第三步：計算充充電電阻阻Rc。充電電阻阻Rc的計算算思路與與放電電電阻一致致。由文文獻REF _Ref231196438 r h99規定定的不同同溫度下下的恒流流充電試試驗數據據，根據據式（44）即可可得到等等效的蓄蓄電池充充電電阻阻Rc，如REF _Ref231270234 h * MMERGGEF

14、OORMAAT 圖圖3（b）所示。（a）RRd隨SOCC和T的關系系（b）Rc隨SOCC和T的關系系圖SEQ 圖 * ARABIC3蓄電電池等效效內阻發電機模模型在發電機機轉速較較高，負負載功率率相對較較小情況況下，在發電電機調節節器作用用下，發發電機以以固定電電壓輸出出功率；在發電電機轉速速較低，而負載載功率相相對較大大情況下下，發電電機以最最大電流流輸出功功率，輸輸出電壓壓有所降降低。考慮如如上的發發電機工工作特性性，本文文參考REF _Ref231314367 r h11采用穩穩壓源或或穩流源源等效發發電機的的輸出特特性，建建立的發發電機模模型如REF _Ref231314753 h *

15、 MERRGEFFORMMAT 圖4所示。圖SEQ 圖 * ARABIC4 發發電機等等效電路路模型圖中，RRg為發電電機等效效內阻，Ug和Ig分別為為發電機機的端電電壓和輸輸出電流流，EU為發電電機的等等效穩壓壓源。EI為發電電機的等等效電流流源，即即發電機機的最大大輸出電電流，與與發電機轉速速和溫度度有關。發電機機輸出的的最大電電流與發發電機轉轉速和溫溫度之間間的關系系曲線可可由REF _Ref231360547 r h100規定定的試驗驗得到，該試驗驗為國家家規定的的交流發發電機輸輸出特性性試驗。本文研研究對象象的發電電機最大大輸出電電流曲線線如REF _Ref231360726 h *

16、 MMERGGEFOORMAAT 圖圖5所示。根據發發電機當當前輸出出特性以以及負載載情況，通過切切換開關關在穩壓壓源和穩穩流源之之間進行行切換，實現對對發電機機輸出特特性的模模擬。穩穩壓源與與穩流源源的切換換邏輯如如REF _Ref231361826 h * MEERGEEFORRMATT 圖6所示。圖SEQ 圖 * ARABIC5 發發電機最最大輸出出電流圖圖SEQ 圖 * ARABIC6 穩壓壓源與穩穩流源切切換邏輯輯電壓源有有效時，若發電電機輸出出電流IIg大于當前前工況下下發電機機輸出的的最大電電流EI，則切切換開關關將穩流流源連接接到負載載，斷開開穩壓源源，使發發電機以以最大電電流

17、輸出出功率。電流源源有效時時，若發發電機的的端電壓壓大Ug于或等等于設定定的穩壓壓源電壓壓EU，則切換換開關將將穩壓源源連接到到負載，斷開穩穩流源，使發電電機以設設定電壓壓輸出功功率。 負載模模型與進行汽汽車電源源系統電電平衡評評估時的的時間尺尺度比，可以忽忽略電器器負載的的動態過過程。因因此，本本文采用用等功率率電阻描描述負載載。由負負載的功功率PL、工作作電壓UUL根據下下式可計計算得到到負載的的等效電電阻RL：。（55）仿真過程程中，通通過改變變功率來來模擬開開關不同同負載的的工況。試驗驗證證上面介紹紹了汽車車電源系系統各部部分的模模型及模模型參數數的提取取方法，基于AAnsooft S

18、immploorerr軟件，將各部件件模型根根據REF _Ref231122496 h * MMERGGEFOORMAAT 圖圖1所示的的汽車電電源系統統進行連連接，即即可得到到REF _Ref231396294 h * MEERGEEFORRMATT 圖7所示的的汽車電電平衡仿仿真模型型。圖SEQ 圖 * ARABIC7 電電平衡仿仿真模型型本節將進進一步通通過試驗驗對建立立的電平平衡仿真真模型的的準確性性和有效效性進行行驗證。設計的的驗證試試驗工況況包含了了蓄電池池充電、放電狀狀態，發發電機滿滿載和非非滿載狀狀態。驗驗證試驗驗的發動動機轉速速如REF _Ref231463737 h * M

19、MERGGEFOORMAAT 圖圖8所示，試驗過過程中，各用電電負載的的狀態如如REF _Ref231463784 h * MEERGEEFORRMATT 表1所示。圖SEQ 圖 * ARABIC8 發發動機轉轉速表SEQ 表 * ARABIC1 用用電負載載運行狀狀態時刻/mmin負載運行行狀態0開啟近光光燈、暖暖通電機機最高檔檔、收音音機、左左冷卻風風扇5關閉近光光燈、暖暖通電機機、收音音機10開啟近光光燈、暖暖通電機機最高檔檔、收音音機20運行后霧霧燈25關閉后霧霧燈40關閉近光光燈、暖暖通電機機、收音音機50開啟近光光燈、暖暖通電機機最高檔檔、收音音機80關閉所有有用電負負載試驗前，蓄

20、電池池初始電電壓為111.99V。試驗過過程中實實時記錄錄發動機機轉速、發電機機和蓄電電池溫度度、發電電機的電電壓和電電流、蓄蓄電池的的電壓和和電流等等數據。試驗完完成后，將記錄錄的發動動機轉速速、發電電機和蓄蓄電池溫溫度作為為電平衡衡仿真模模型的輸輸入，通通過對比比電平衡衡仿真模模型的輸輸出結果果與試驗驗數據之之間的誤誤差來評評估電平平衡仿真真模型的的準確性性。電平平衡模型型仿真與與試驗結結果如REF _Ref231464507 h * MERRGEFFORMMAT 圖9所示。（b）蓄電池電壓（a）發電機電壓（c）發發電機電電流 （d）蓄蓄電池電電流仿真曲線線， 試驗驗曲線圖SEQ 圖 *

21、ARABIC9 仿仿真與試試驗曲線線從圖8和和REF _Ref231463784 h * MEERGEEFORRMATT 表1所示的的試驗驗驗證工況況以及圖9的結果果可以看看出，在0mmin5miin、225miin440miin、770miin880miin，發發動機轉轉速為零零，發電電機未發發電，由由蓄電池池向所有有用電負負載供電電。由于發發電機與與蓄電池池通過導導線直接接連接，發電機機端電壓壓等于蓄蓄電池電電壓。在在5miin115miin、440miin550miin、660miin770miin，發發動機怠怠速。由由于轉速速較低，而蓄電電池充電電電流和和用電負負載功率率都較大大，發電

22、電機處于于滿載狀狀態，所所以電壓壓低于額額定電壓壓。蓄電池池處于充電電狀態。在155minn255minn和50mmin60mmin發發動機轉轉速分別別為25500rrpm和和15000rppm，轉轉速相對對較高，發電機機的最大大輸出電電流與怠怠速狀態態相比有有所增加加，此時時發電機機處于非非滿載運運行狀態態，電壓壓基本保持持在144V，蓄蓄電池處處于充電電狀態。整個驗證證試驗過過程中，發電機機輸出電電量的仿真真與試驗驗結果誤誤差為44%，蓄蓄電池放放電電量量誤差為為5%，蓄電池池充電電電量誤差差為4%，總電電平衡量量誤差為為1%。說明本本文建立立的仿真真模型能能夠用于于預測汽汽車電源源系統的

23、的電平衡衡量，可可以在項目開開發前期期用于電源源系統的的設計匹配配。仿真預測測前面建立立了汽車車電源系系統電平平衡仿真真模型，并對模模型的準準確性和和有效性性進行了了驗證，本節將將應用建建立的模模型對長長安某車車型電源源系統的的電平衡衡進行預預測。工況設計計考慮NEEDC工工況是進進行汽車車排放和和經濟性性評估時時廣泛采采用的汽汽車行駛駛工況，包含了了城市工工況和市市郊工況況，能夠比比較客觀觀地反應應實際的的汽車行行駛工況況。所以以，參考REF _Ref231531565 r h112采采用NEEDC工工況進行行電平衡衡仿真預預測，車車速曲線線如REF _Ref231531661 h * MM

24、ERGGEFOORMAAT 圖圖10所示示。圖SEQ 圖 * ARABIC10 NEDDC工況況車速曲曲線進行電源源系統設設計時，要保證證汽車實實際的最最惡劣條條件下的的電平衡衡。所以以，根據據夏季夜夜間雨天天環境下下用電負負載的工工作狀態態作為電電平衡仿仿真預測測時的負負載工況況REF _Ref231531565 r h * MEERGEEFORRMATT 112。實際條件件下，部部分用電電負載為為間隙工工作狀態態。一方面面，考慮慮電平衡衡主要關關心一段段時間內內發電機機發電量量是否滿滿足用電電負載用用電量的的需求，可以忽忽略用電電負載啟啟動/停停止的過過渡過程程；另一一方面，為簡化化用電負

25、負載模型型，降低低數值計計算資源源需求，提高可可靠性，將間隙負負載等效效為連續續負載建建模，用電負負載的等等效電阻阻計算公公式為，（66）其中K為為間隙負載載的工作作頻率。雖然溫度度變化會會對蓄電電池和發發電機性性能產生生影響，但實際際行駛工工況下，達到熱熱穩態時時，發動動機艙內內的溫度度變化并并不大。為此，進行電電平衡預預測時，采用實測測的發電電機和蓄蓄電池溫溫度的平平均值作作為仿真真模型的的溫度參參數。 結果分分析應用REF _Ref231533593 r h1節節建立的的電平衡衡仿真模模型，根根據REF _Ref231533611 r h3.1設計計的工況況，長安安某車型型的電平平衡仿真

26、真預測的電電壓和電電流曲線線結果如如REF _Ref231533995 h * MEERGEEFORRMATT 圖11所示示。（a）電電壓曲線線 （b）電電流曲線線蓄電池，發電機機圖SEQ 圖 * ARABIC11 電平衡衡預測電電壓和電電流曲線線在城市工工況階段段，平均均車速較較低，發發電機發發電量較較小，不不能滿足足用電負負載需求求，蓄電電池放電電電量大大于充電電電量。在郊區區工況階階段，平平均車速速較高，發電機機發電量量較大，在滿足足用電負負載需求求同時，能夠對對蓄電池池進行充充電，蓄蓄電池充充電電量量大于放放電電量量。整個個NEDDC循環環工況下下，發電電機輸出出電量為255.266A

27、h，用電負負載消耗耗電量為為25.21AAh，蓄蓄電池充充電電量量為0.95AAh，放放電電量量為0.9Ahh，整車車電平衡衡量為00.055Ah。而且，用電負負載的工工作狀態態是根據據最惡劣劣的條件件設計的的，所以以仿真研研究對象象的電源源系統能能夠滿足足電平衡衡要求。結論本文建立立了汽車車電源系系統電平平衡仿真真模型，在對模模型準確確性進行行驗證后后，應用用該模型型對某長長安車型型電平衡衡進行了了仿真預預測，通通過以上上工作得得到如下下結論：（1）利利用本文文提出的的方法能能夠正確確有效地地從蓄電電池和發發電機標標準試驗驗數據提提取得到到所需的的模型參參數；（2）本本文建立立的電平平衡仿真

28、真模型準準確有效效，能夠夠用于汽汽車電源源系統電電平衡的的定量評評估；（3）在在NEDDC行駛駛工況，夏季夜夜間雨天天情況下下，研究究對象的的電源系系統滿足足電平衡衡要求。參考文獻獻徐云云，張鐵柱柱，朱智智富. 汽車電電源系統統分析J. 汽車車電器，20005，（3）：1張崇生，鄧恒. 蓄電電池仿真真概述J. 汽車車電器，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