蓄電池仿真概述

1 電源模型在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　電池仿真在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各個(gè)進(jìn)程中都起著重要作用， 尤其在汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制階段。設(shè)計(jì)階段又可分成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)模型仿真與電源自身個(gè)體級(jí)數(shù)學(xué)模型的建立。

　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)級(jí)模型仿真應(yīng)用

　　在汽車(chē)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是，根據(jù)Feather (市場(chǎng)配置表) 與目標(biāo)市場(chǎng)氣候條件、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速概率落點(diǎn)等一系列因素進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性靜態(tài)估計(jì)， 成車(chē)后再進(jìn)行發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、蓄電池的動(dòng)態(tài)電量匹配試驗(yàn)分析。

　　供電系統(tǒng)的仿真模型最為核心的就是蓄電池模型， 蓄電池仿真變量較多， 而且比發(fā)電機(jī)等其它部件更易受環(huán)境影響。圖1為汽車(chē)供電系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)易模型圖( 系統(tǒng)級(jí)模型)。

　　圖1 汽車(chē)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)易模型圖

　　在歐洲， 許多開(kāi)發(fā)者已開(kāi)始著手進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真的工作， 比如LABCAR ( 整車(chē)全仿真試驗(yàn)室) 的建立， SIMULINK模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立。此模型輸出各種仿真工況下溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等一系列環(huán)境參數(shù)， 而B(niǎo)CM ( 車(chē)身控制器) 等ECU采用半仿真來(lái)檢測(cè)此設(shè)計(jì)方案。JAGUAR ( 捷豹) 等企業(yè)也應(yīng)用了模型仿真設(shè)計(jì)方式， 為每一個(gè)車(chē)系平臺(tái)都針對(duì)車(chē)身電子建立一個(gè)整車(chē)模型系統(tǒng)， 主要進(jìn)行總線和網(wǎng)絡(luò)的仿真測(cè)試及供電系統(tǒng)的仿真。這些廠商一般使用的是DSPACE發(fā)動(dòng)機(jī)模型或teLUS數(shù)學(xué)模型，而這些模型主要目的大多不是進(jìn)行供電系統(tǒng)的仿真開(kāi)發(fā)， 而是進(jìn)行CAN總線的一些開(kāi)發(fā)。在中國(guó)， 僅上汽/RICARDO2010在進(jìn)行這項(xiàng)工作( 供電模型仿真) .在歐洲， 僅德國(guó)某整車(chē)企業(yè)是真正從蓄電池供電系統(tǒng)仿真的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

　　圖2為德國(guó)某企業(yè)的5系平臺(tái)的部分供電系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果圖。可見(jiàn)仿真的效果很好， 和上汽復(fù)測(cè)的真實(shí)結(jié)果吻合得很好。

　　圖2 德國(guó)某企業(yè)5系平臺(tái)的部分供電系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果圖

　　根據(jù)模型的復(fù)雜度分別求出電量系統(tǒng)的匹配情況， 可以計(jì)算出： 蓄電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)的容量及選用策略是否合適， 用戶(hù)電池的更換頻率評(píng)估，各種不利工況對(duì)蓄電池活性物質(zhì)的影響， 怠速等策略標(biāo)定是否得當(dāng)， 發(fā)電機(jī)失效狀態(tài)下的供電系統(tǒng)破壞性驗(yàn)證， 靜態(tài)電流及車(chē)輛放置時(shí)間測(cè)定， 單位電功率與油耗影響關(guān)系， 冷起動(dòng)性能等一系列重要參數(shù)。針對(duì)以上這些問(wèn)題， 上汽首先提出供電系統(tǒng)級(jí)模型與個(gè)體模型的概念， 圖3為兩者關(guān)系圖。

　　圖3 供電系統(tǒng)級(jí)模型與個(gè)體級(jí)模型的關(guān)系

　　圖3 反映了汽車(chē)供電/蓄電池模型的關(guān)系， 個(gè)體級(jí)模型( 即蓄電池自身變化情況) 根據(jù)車(chē)型設(shè)計(jì)復(fù)雜度要求含有充放電實(shí)時(shí)模型、SOC模型、電流實(shí)時(shí)積分、電壓、內(nèi)阻、水耗、靜態(tài)放電、電解液密度等各種模型， 環(huán)境變量為溫度、用戶(hù)負(fù)載、時(shí)間等。根據(jù)變量輸入， 個(gè)體級(jí)模型會(huì)輸出一個(gè)數(shù)組R, 含有蓄電池和整車(chē)用電實(shí)時(shí)狀況信息; 系統(tǒng)級(jí)模型根據(jù)其輸入執(zhí)行各種策略，比如強(qiáng)制關(guān)閉負(fù)載、怠速短時(shí)間提速、進(jìn)入跛行保護(hù)、增加發(fā)電機(jī)輸出、空調(diào)補(bǔ)償調(diào)節(jié)、用戶(hù)指示報(bào)警、熱性能管理、電池安全監(jiān)測(cè)與控制等。

　　在上汽榮威750轎車(chē)上， 筆者在某ECU中少量植入了一些系統(tǒng)級(jí)模型， 在不同的使用個(gè)體級(jí)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)下執(zhí)行不同的策略。在后續(xù)的上汽車(chē)型項(xiàng)目中， 筆者也會(huì)不同程度地?zé)浌╇娔Ｐ瓦M(jìn)行量產(chǎn)化， 并且在未來(lái)會(huì)使用獨(dú)立供電模塊( JAGUAR已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)) , 尤其是上汽未來(lái)的中高檔轎車(chē)。

　　早期的系統(tǒng)級(jí)模型是一個(gè)非常簡(jiǎn)單化的模型：

　　式中： Iin, Iout---分別是在ΔT內(nèi)的蓄電池平均充放電電流; K---優(yōu)化系數(shù)。

　　此模型于1998年由大眾與VALEO在中國(guó)提出，根據(jù)優(yōu)化需要程度， 整車(chē)廠對(duì)函數(shù)K進(jìn)行賦值操作，其只反映"電要夠用"的這一簡(jiǎn)單道理。此模型過(guò)度依賴(lài)于原始設(shè)計(jì)制定的參數(shù)， 而沒(méi)有任何彈性，實(shí)行了"寧愿最保險(xiǎn)"的設(shè)計(jì)原則， 這樣的設(shè)計(jì)理念對(duì)整車(chē)企業(yè)成本領(lǐng)先的策略是很不利的， 并且沒(méi)有實(shí)時(shí)性， 至今大部分中國(guó)整車(chē)廠或多或少地正在使用此模型， 而上汽提出的系統(tǒng)級(jí)與個(gè)體級(jí)模型徹底解決了這些問(wèn)題。2001年BMW與ROVER提出新的電量匹配模型標(biāo)準(zhǔn)已具有系統(tǒng)級(jí)模糊概念， 加入了系統(tǒng)失效的測(cè)試與策略。2006 年上汽與RICARDO2010聯(lián)合提出的新的電量匹配標(biāo)準(zhǔn)， 突破了蓄電池自身模型參數(shù)極限值的局限， 廢除了K值的約束， 肯定了系統(tǒng)級(jí)的作用。