蓄電池仿真概述

1 電源模型在設計中的應用

　　電池仿真在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各個(gè)進(jìn)程中都起著(zhù)重要作用， 尤其在汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)品設計和試制階段。設計階段又可分成系統設計中的系統模型仿真與電源自身個(gè)體級數學(xué)模型的建立。

　　1.1 系統設計級模型仿真應用

　　在汽車(chē)供電系統設計中， 傳統的設計方法是，根據Feather (市場(chǎng)配置表) 與目標市場(chǎng)氣候條件、發(fā)動(dòng)機轉速概率落點(diǎn)等一系列因素進(jìn)行經(jīng)驗性靜態(tài)估計， 成車(chē)后再進(jìn)行發(fā)電機、起動(dòng)機、蓄電池的動(dòng)態(tài)電量匹配試驗分析。

　　供電系統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)電機等其它部件更易受環(huán)境影響。圖1為汽車(chē)供電系統的一個(gè)簡(jiǎn)易模型圖( 系統級模型)。

　　圖1 汽車(chē)供電系統簡(jiǎn)易模型圖

　　在歐洲， 許多開(kāi)發(fā)者已開(kāi)始著(zhù)手進(jìn)行系統級仿真的工作， 比如LABCAR ( 整車(chē)全仿真試驗室) 的建立， SIMULINK模塊化發(fā)動(dòng)機模型的建立。此模型輸出各種仿真工況下溫度和發(fā)動(dòng)機轉速等一系列環(huán)境參數， 而B(niǎo)CM ( 車(chē)身控制器) 等ECU采用半仿真來(lái)檢測此設計方案。JAGUAR ( 捷豹) 等企業(yè)也應用了模型仿真設計方式， 為每一個(gè)車(chē)系平臺都針對車(chē)身電子建立一個(gè)整車(chē)模型系統， 主要進(jìn)行總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )的仿真測試及供電系統的仿真。這些廠(chǎng)商一般使用的是DSPACE發(fā)動(dòng)機模型或teLUS數學(xué)模型，而這些模型主要目的大多不是進(jìn)行供電系統的仿真開(kāi)發(fā)， 而是進(jìn)行CAN總線(xiàn)的一些開(kāi)發(fā)。在中國， 僅上汽/RICARDO2010在進(jìn)行這項工作( 供電模型仿真) .在歐洲， 僅德國某整車(chē)企業(yè)是真正從蓄電池供電系統仿真的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

　　圖2為德國某企業(yè)的5系平臺的部分供電系統仿真試驗結果圖?？梢?jiàn)仿真的效果很好， 和上汽復測的真實(shí)結果吻合得很好。

　　圖2 德國某企業(yè)5系平臺的部分供電系統仿真試驗結果圖

　　根據模型的復雜度分別求出電量系統的匹配情況， 可以計算出： 蓄電池、發(fā)電機、起動(dòng)機的容量及選用策略是否合適， 用戶(hù)電池的更換頻率評估，各種不利工況對蓄電池活性物質(zhì)的影響， 怠速等策略標定是否得當， 發(fā)電機失效狀態(tài)下的供電系統破壞性驗證， 靜態(tài)電流及車(chē)輛放置時(shí)間測定， 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。針對以上這些問(wèn)題， 上汽首先提出供電系統級模型與個(gè)體模型的概念， 圖3為兩者關(guān)系圖。

　　圖3 供電系統級模型與個(gè)體級模型的關(guān)系

　　圖3 反映了汽車(chē)供電/蓄電池模型的關(guān)系， 個(gè)體級模型( 即蓄電池自身變化情況) 根據車(chē)型設計復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)負載、時(shí)間等。根據變量輸入， 個(gè)體級模型會(huì )輸出一個(gè)數組R, 含有蓄電池和整車(chē)用電實(shí)時(shí)狀況信息; 系統級模型根據其輸入執行各種策略，比如強制關(guān)閉負載、怠速短時(shí)間提速、進(jìn)入跛行保護、增加發(fā)電機輸出、空調補償調節、用戶(hù)指示報警、熱性能管理、電池安全監測與控制等。

　　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級模型， 在不同的使用個(gè)體級參數風(fēng)險評估等級下執行不同的策略。在后續的上汽車(chē)型項目中， 筆者也會(huì )不同程度地燒錄供電模型進(jìn)行量產(chǎn)化， 并且在未來(lái)會(huì )使用獨立供電模塊( JAGUAR已實(shí)現量產(chǎn)) , 尤其是上汽未來(lái)的中高檔轎車(chē)。

　　早期的系統級模型是一個(gè)非常簡(jiǎn)單化的模型：

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

　　此模型于1998年由大眾與VALEO在中國提出，根據優(yōu)化需要程度， 整車(chē)廠(chǎng)對函數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)于原始設計制定的參數， 而沒(méi)有任何彈性，實(shí)行了"寧愿最保險"的設計原則， 這樣的設計理念對整車(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， 至今大部分中國整車(chē)廠(chǎng)或多或少地正在使用此模型， 而上汽提出的系統級與個(gè)體級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準已具有系統級模糊概念， 加入了系統失效的測試與策略。2006 年上汽與RICARDO2010聯(lián)合提出的新的電量匹配標準， 突破了蓄電池自身模型參數極限值的局限， 廢除了K值的約束， 肯定了系統級的作用。