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間出現虧電［1］，其原因大概如下。

1）發(fā)電機選型過小。

2）蓄電池靜態(tài)電流設計值偏大或蓄電池容量選取偏小。

3）整車及各控制器未進入休眠或某些負載存在暗電。

4）用戶私自改裝電器導致整車功耗增大。

針對以上問題，一般通過實車電性能測試去驗證，如采取整車電平衡測試、靜態(tài)電流測試等手段，全面分析車輛存在的虧電風險。該方法作為車輛研發(fā)過程中最后一個環(huán)節(jié)，從性能方面驗證電氣系統設計水平，具有直觀、準確地獲取車輛性能參數的優(yōu)點，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。

仿真技術的發(fā)展，為車型研發(fā)驗證提供了新的思路，基于仿真軟件如Saber［2］、MATLAB軟件，可實現蓄電池充放電系統性能仿真，將仿真嵌入到正向設計階段，在物理原型出來以前，建立各器件的模型提前實現性能測試。

目前，國外知名公司如大眾、福特汽車已經開發(fā)出成熟的電氣系統仿真模型，其模型的仿真分析能夠提前暴露出設計中大部分問題，極大縮短了開發(fā)周期并節(jié)省了費用。國內少數企業(yè)已經開展電氣系統性能仿真的研究，長安汽車基于MATLAB構建了電平衡仿真模型，仿真出不同工況不同負荷下的電氣參數。其仿真的不足在于無法進行詳細參數化建模，對仿真的精度有影響。

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，可以解決從系統開發(fā)到詳細設計驗證等一系列問題。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為魯棒性設計流程。

1.2 性能指標設定

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，可實現從頂層到底層全流程仿真，貫穿于汽車所有層級建模 （整車級、系統級、板級、器件級等）。建模之前，根據仿真的性能指標確定模型的結構及各子模型的復雜程度，適當大小及精細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構確定及參數收集、子模塊建模、子模塊測試及系統集成調試等工作，具體建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程

1.4 標稱設計仿真分析

標稱設計仿真用于分析新設計 （電路、新方法、新理論）的工作機理及分析設計參數是否適當并修正參數。模型建立后進行標稱設計的參數化配置，根據信號的類型及具體的需求進行相應的仿真測試。Saber提供了多種高級仿真分析驗證的工具：直流工作點分析、時域仿真分析、交流小信號分析、多變量分析、應力分析、靈敏度分析、蒙特卡洛分析、故障分析等。

1.5 魯棒性仿真

針對板級電路，還需要開展魯棒性仿真，用于確定系統或者子系統中的影響性能的核心器件、減小系統中各種可能的變化因素對系統關鍵性能的影響、優(yōu)化設計參數以提高設計品質并降低設計成本。按照圖1步驟4～9開展魯棒性設計。

2 蓄電池虧電建模及仿真

2.1 蓄電池虧電模型總體介紹

本文將構建靜態(tài)電流仿真測試模型、電平衡仿真測試模型［3-4］。靜態(tài)電流仿真測試模型在一個設定的極限靜態(tài)功耗下，仿真驗證蓄電池對外放電能力和蓄電池能保證冷起動所需電壓的最大靜置時間；整車電平衡仿真測試Saber模型將驗證在選型設計階段所選的發(fā)電機型號、蓄電池容量和整車各工況下負載消耗的匹配程度及整車動態(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驅動工況模型、發(fā)動機模型、車身模型、動力傳動系統模型、發(fā)電機模型、線束模型、蓄電池模型、開關控制器模型、負載模型。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。

在整車電氣系統中，針對于電器負載建模，根據整車電器配置表提供的各用電器設備的額定功率或工作電流值，利用Saber原件庫的load負載構建恒功率型負載，模擬整車用電器負載總功耗。針對于主電器設備蓄電池、發(fā)電機、起動機、線纜、繼電器建模，將直接調用Saber元件庫里的模型，根據供應商提供的建模參數需求表上的參數信息，對各電器進行參數配置建模。

圖3 蓄電池虧電仿真模型拓撲圖

2.2 主要部件建模過程

2.2.1 負載建模

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

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

圖4 夏季負載模型

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

圖5 冬季負載模型

2.2.2 發(fā)電機建模

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

圖6 發(fā)電機輸出特性查找表模型

2.2.3 蓄電池建模

根據提供的蓄電池特性參數進行蓄電池參數化建模，如圖7所示。

3 仿真測試及結果評估

3.1 整車電平衡仿真測試及結果評估

以C-WTVC循環(huán)工況-冬季雪夜為例，該極端工況下用電負載全部打開，發(fā)電機設計要求如下。

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%。

仿真測試結果：蓄電池充電電流及SOC變化率不滿足設計要求且發(fā)電機始終處于超負荷運轉狀態(tài)，需對發(fā)電機重新選型，詳見表1。圖8為發(fā)電機電平衡仿真測試波形 （80A）。

3.2 整車靜態(tài)電流仿真測試及結果評估

溫度對蓄電池充放電性能影響較大，需分別進行常溫（25℃）、高溫 （40℃）、低溫 （-10℃） 靜態(tài)電流仿真測試，驗證不同溫度下蓄電池放電性能。注：蓄電池平均充電電流（-）號表示充電。

表1 仿真測試結果

圖8 發(fā)電機電平衡仿真測試波形 （80A）

車輛在長途運輸或長時間停放后應能起動發(fā)動機，一般要求蓄電池常溫能夠滿足車輛連續(xù)停放6周 （42天國內要求）。以常溫 （25℃）靜態(tài)電流仿真測試為例，仿真測試及評價結果為：整車靜態(tài)功耗不滿足設計要求，需降低整車靜態(tài)功耗，詳見表2。靜態(tài)電流仿真測試波形 （60mA）如圖9所示。

表2 整車靜態(tài)電流仿真測試及結果評估

圖9 靜態(tài)電流仿真測試波形 （60mA）

4 設計參數的優(yōu)化及仿真測試

4.1 發(fā)電機容量的選型優(yōu)化及仿真測試

在80A基礎上，將發(fā)電機容量選為90A，對其進行仿真測試。

仿真測試及評價結果為：蓄電池充電電流仿真測試值不滿足設計要求，而蓄電池SOC變化率能達到4.9707% （約等于5%），詳見表3。考慮到后期車型的升級，需繼續(xù)增加發(fā)電機的容量。發(fā)電機電平衡仿真測試波形 （90A）如圖10所示。

在80A基礎上，將發(fā)電機容量選為100A，對其進行仿真測試。

仿真測試及評價結果為：整車蓄電池充電電流及SOC的變化率均滿足設計要求，詳見表4。發(fā)電機電平衡仿真測試波形 （100A）如圖11所示。

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

4.2 靜態(tài)電流設計參數優(yōu)化及仿真測試

對整車靜態(tài)電流進行參數掃描，最終確定整車靜態(tài)電流不超過47.5mA時，滿足靜置天數的要求，由此確定優(yōu)化后的參數。靜態(tài)電流設計參數優(yōu)化及仿真測試詳見表5，靜態(tài)電流設計值優(yōu)化仿真測試波形 （47.5mA）如圖12所示。

表3 發(fā)電機容量的選型優(yōu)化及仿真測試

圖10 發(fā)電機電平衡仿真測試波形 （90A）

圖11 發(fā)電機電平衡仿真測試波形 （100A）

表4 仿真測試及評價結果

表5 靜態(tài)電流設計參數優(yōu)化及仿真測試

5 結束語

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，進行了電平衡仿真測試、靜態(tài)電流仿真測試，并對仿真結果進行了評估，對不合格項進行了設計參數的優(yōu)化及仿真測試，最終確定了優(yōu)化后的參數。本文中的重卡車型處于開發(fā)階段，未采集到實測數據，文中缺少實測與仿真數據的比較，該工作將作為本論文下一個研究方向。

圖12 靜態(tài)電流設計值優(yōu)化仿真測試波形 （47.5mA）