CN106980725B - 一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法 - Google Patents

一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，包括：步骤(1)：将驾驶循环分为三种工况：驻车工况、起动工况以及行驶工况，计算出蓄电池在不同工况下地充放电情况和电量需求情况；步骤(2)：输入所选电池的额定容量以及初始的荷电状态，通过MATLAB仿真NEDC工况下仿真；步骤(3)：进行多个循环，得出一年半后蓄电池容量。本发明充分考虑了整车在使用过程中的各个用电工况，包括起动、行驶以及驻车等工况；同时还考虑了环境因素的影响，将低温环境下的起动加入到了仿真计算中，使计算结果更为准确；另外该仿真过程模拟了蓄电池在整个寿命周期内的使用情况，避免了仅考虑新电池导致的片面性。同时本发明可以从技术角度解决因蓄电池选型不当造成的车辆频繁亏电、车辆起动困难、蓄电池寿命缩减以及因电池容量选择过大造成的成本浪费等问题。

Description

一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种汽车蓄电池的选型方法。
背景技术
随着科技的发展，整车上的各类电子器件也越来越多，因此如何准确的设计整车的电源系统，以保证整车电器部件的正常使用变得十分重要。在汽车使用过程中总的用电量是一个变化的量，它取决于在当前状态下开启的负载数量及负载功率。通常情况下根据车辆在其整个寿命周期内可能遇到的工作状况来决定各个供电器件的选型，从而保证整车供电系统的性能要求。主要涉及对车辆的电器系统的基本特性研究，特别是发电机和蓄电池这两个重要电源部件。目前大多数主机厂在电池选型上主要依靠经验选型，并在后期样车上进行验证。这种方法开发周期长，如前期选型不当验证后更改变动较大。
发明内容
针对以上现有技术问题，本发明的目的是针对因蓄电池选型不当造成的车辆频繁亏电、车辆起动困难、蓄电池寿命缩减以及因电池容量选择过大造成的成本浪费等问题，提出一种新的汽车蓄电池选型的模拟仿真方法。
具体技术方案如下：
一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，包括：
步骤(1)：将驾驶循环分为三种工况：驻车工况、起动工况以及行驶工况，计算出蓄电池在不同工况下地充放电情况和电量需求情况；
步骤(2)：输入所选电池的额定容量以及初始的荷电状态，通过MATLAB仿真工况；
步骤(3)：进行多个循环，得出一年半后蓄电池容量，判断是否满足蓄电池容量的需求；
进一步的，蓄电池在不同工况下地充放电情况的计算方法如下：
(1)、驻车工况
该工况下发电机不工作，全部耗电由蓄电池提供。该工况下耗电负载仅有OFF档负载。
Figure BDA0001256722220000021
其中Q是蓄电池耗电量，I静是驻车后OFF档负载的工作电流，即整车静态电流；
(2)、起动工况
该工况下的电量消耗主要来源于起动机，起动机通过齿轮拖动发动机直至发动机正常工作。这个时间非常短暂，一般在2秒钟左右，
Figure BDA0001256722220000022
其中Pe是指拖动发动机所需要的功率，Vbattery是指蓄电池的正常电压，通常取12V；
(3)、行驶工况
该工况下蓄电池的充放电是由发电机发电量及用电负载的耗电量共同决定的，当开启的负载功率在发电机的输出功率内，蓄电池处于充电状态，当开启负载过多导致发电机输出能力不足时，蓄电池处于放电状态，发电机的输出特性可以根据发动机的转速推算出来，
发电：
Figure BDA0001256722220000023
放电：
Figure BDA0001256722220000024
进一步的，蓄电池的电量需求在任何情况下都必须保持在一定的安全电量之上，以满足驾驶员的开车需求，电量需求的计算方法为：
Q＞SOCmin×Qmax+N启动×E启动/V电池 (5)
其中SOCmin是能保证整车快速启动的最低荷电状态，设置为50％，Qmax是蓄电池的最大容量，N起动是最低的保障起动次数，设置为4次，E起动是起动需要的能量。根据方程(5)以及Qmax即可推算出SOC阀值，蓄电池的剩余电量必步骤(2)：须大于这个阀值；
进一步的，步骤(2)中的通过MATLAB仿真NEDC工况；
进一步的，通过MATLAB仿真NEDC工况方法如下：搭建供电系统的模型，将行驶工况的路况定义为NEDC工况，根据NEDC工况定义的车速，可以根据变速箱的传动比以及发电机与发动机的转速比推算出该工况下发电机的转速，然后在Matlab中做拟合得出发电机热态下的输出特性曲线方程，根据发电机的输出特性曲线可以得出NEDC工况下发电机的发电特性曲线，定义一组固定的负载进行开启，并统计各个负载的额定工作电流，将负载电流固化为一个恒定值70A，然后定义单个循环的时间以及单个循环中各个工况的时间，将15天作为一个循环，在这15天内假定驾驶员仅开车一次即定义行驶工况为20分钟NEDC工况，将启动的时间设定为2秒钟，在单个循环内其余时间均为驻车时间，将初始参数设置完成后，用流程编写MATLAB进行仿真得出1个循环内续蓄电池SOC的变化；
进一步的，循环方法如下：进行36个循环，模拟一年半蓄电池的使用周期内的充放电情况，看是否满足方程(5)中对蓄电池容量的需求。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：
本发明充分考虑了整车在使用过程中的各个用电工况，包括起动、行驶以及驻车等工况；同时还考虑了环境因素的影响，将低温环境下的起动加入到了仿真计算中，使计算结果更为准确；另外该仿真过程模拟了蓄电池在整个寿命周期内的使用情况，避免了仅考虑新电池导致的片面性。同时本发明可以从技术角度解决因蓄电池选型不当造成的车辆频繁亏电、车辆起动困难、蓄电池寿命缩减以及因电池容量选择过大造成的成本浪费等问题。
附图说明
图1为整车电源系统示意图
图2为Matlab仿真模型流程图
图3为NEDC工况
图4为发电机输出特性曲线及拟合方程
图5为NEDC工况下发电机输出电流及负载电流
图6为60Ah蓄电池1个循环内蓄电池容量变化曲线
图7为60Ah蓄电池36个循环内蓄电池容量变化曲线
图8为45Ah蓄电池36个循环内蓄电池容量变化曲线
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
下面先结合图1简单介绍一下整车的电源系统原理，该回路中包括发电机、蓄电池以及一些并联的电器负载。部分负载如常开负载，在整车汽车行驶过程中一直处于工作状态(例如ECU、TCU、电子转向、仪表及其他一些行驶必须的电子器件)。还有部分负载是可以随着车辆行驶工况、驾驶员或者乘客的需求进行开启或者关闭的(如大灯、转向灯、空调、鼓风机、音响、座椅加热等)，这部分负载属于可变负载。另外还有一些负载在锁车停放后还在继续工作(如发动机防盗、仪表、音响、BCM、空调控制面板、T-BOX等)，这类负载称为OFF档负载。最后在整车上还有一个重要的负载是起动机，它在起动过程中会消耗大部分电量，以保证发动机的顺利起动。
需要说明的是，图1仅为本发明实施例提供的汽车蓄电池选型的模拟仿真方法适用的电路模型的示意图，本发明并不限制于此。
首先：可以将一个驾驶循环分为三种工况：驻车工况、起动工况以及行驶工况。在不同工况下通过理论分析，用相关的公式计算出蓄电池的充放电情况：
1、驻车工况
该工况下发电机不工作，全部耗电由蓄电池提供。该工况下耗电负载仅有OFF档负载。
Figure BDA0001256722220000041
其中Q是蓄电池耗电量，I静是驻车后OFF档负载的工作电流，即整车静态电流。2、起动工况
该工况下的电量消耗主要来源于起动机，起动机通过齿轮拖动发动机直至发动机正常工作。这个时间非常短暂，一般在2秒钟左右。
Figure BDA0001256722220000042
其中Pe是指拖动发动机所需要的功率，Vbattery是指蓄电池的正常电压，通常取12V。
3、行驶工况
该工况下蓄电池的充放电是由发电机发电量及用电负载的耗电量共同决定的。当开启的负载功率在发电机的输出功率内，蓄电池处于充电状态。当开启负载过多导致发电机输出能力不足时，蓄电池处于放电状态。发电机的输出特性可以根据发动机的转速推算出来。
发电：
Figure BDA0001256722220000051
放电：
Figure BDA0001256722220000052
4、需求
蓄电池电量在任何情况下都必须保持在一定的安全电量之上，以满足驾驶员的开车需求。
Q＞SOCmin×Qmax+N启动×E启动/V电池 (5)
其中SOCmin是能保证整车快速启动的最低荷电状态(设置为50％)，Qmax是蓄电池的最大容量，N起动是最低的保障起动次数(设置为4次)，E起动是起动需要的能量。根据方程(5)以及Qmax即可推算出SOC阀值，蓄电池的剩余电量必须大于这个阀值。方程(5)的由来是考以下两个方面的：第一考虑到SOCmin和Qmax，如果电池电量低于这个值的时候，蓄电池的内阻将会迅速变化，导致计算误差的增大(同时由于电池内阻在不同SOC的情况下是不断变化的，很难得到理论的数据，因此我们将其等效为一个恒定的内阻值)；第二考虑到N启动×E启动/V电池，是因为当遇到一些紧急情况时，需要进行连续多次启动。
对于整车蓄电池的正确选型，必须要考虑到各种极限环境，保证在任何恶劣工况下蓄电池SOC都不能低于门限值，例如在低温、高温环境中蓄电池也要能保证整车顺利的起动。同时也需要考虑蓄电池的自放电，因为蓄电池自身的电化学性能即便在不使用的情况下电池内部也会产生电量损耗。
在一个循环周期内，启动工况和驻车工况下蓄电池是一直处于放电状态的，在行驶工况中大多数时间是处于充电状态。因此在工况划分时需要考虑一个循环周期内车辆应该大多数时间处于驻车状态，以便于模拟出用户使用过程中的最差的工况。如图2所示，为Matlab中的模型流程图。
如图2的流程图所示,我们需要输入所选电池的额定容量以及初始的荷电状态进行仿真。首先搭建供电系统的模型，我们将行驶工况的路况定义为NEDC工况，该工况如下图3所示。
根据NEDC工况定义的车速，可以根据变速箱的传动比以及发电机与发动机的转速比推算出该工况下发电机的转速。对于某款110A的汽车发电机，在热机状态下选择几个不同的转速点测试其稳态输出电流。然后在Matlab中做拟合得出发电机热态下的输出特性曲线方程，结果如图4。根据发电机的输出特性曲线可以得出NEDC工况下发电机如图5所示的发电特性曲线。由于负载大小根据不同驾驶员驾驶习惯及天气情况随机性较大难以明确负载电流。所以我们定义一组固定的负载进行开启，并统计各个负载的额定工作电流，将负载电流固化为一个恒定值70A。
然后定义单个循环的时间以及单个循环中各个工况的时间，我们将15天作为一个循环，在这15天内假定驾驶员仅开车一次即定义行驶工况为20分钟NEDC工况。根据经验将启动的时间设定为2秒钟，在单个循环内其余时间均为驻车时间。将初始参数设置完成后，用图2的流程编写MATLAB进行仿真得出1个循环内续蓄电池SOC的变化如下图6(以60Ah蓄电池为例)：
然后进行36个这样的循环(即模拟一年半蓄电池的使用周期内的充放电情况)，如图7所示，得出一年半后蓄电池容量为36Ah满足方程(5)中对蓄电池容量的需求，即选型合格。将蓄电池换为45Ah的进行仿真得出结果如下图8所示，一年半后蓄电池容量为20.5Ah，不满足方程(5)中对蓄电池容量的需求，即蓄电池选型过小。通过这种MATLAB仿真方法可以模拟蓄电池在整个寿命周期内的容量变化情况，并合理的定义了车辆动态及静态的动态使用情况。合理的对蓄电池容量进行选型，缩短了开发周期并降低了因选型不当带来的众多风险。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，其特征在于，所述的方法包括：
步骤(1)：将驾驶循环分为三种工况：驻车工况、起动工况以及行驶工况，计算出蓄电池在不同工况下地充放电情况和电量需求情况；
步骤(2)：输入所选电池的额定容量以及初始的荷电状态，通过MATLAB仿真工况；
步骤(3)：进行多个循环，得出一年半后蓄电池容量，判断是否满足蓄电池容量的需求；
蓄电池在不同工况下地充放电情况的计算方法如下：
(1)、驻车工况
该工况下发电机不工作，全部耗电由蓄电池提供，该工况下耗电负载仅有OFF档负载；
Figure FDA0002513433950000011
其中Q是蓄电池耗电量，I静是驻车后OFF档负载的工作电流，即整车静态电流；
(2)、起动工况
该工况下的电量消耗来源于起动机，起动机通过齿轮拖动发动机直至发动机正常工作，时间为2秒钟，
Figure FDA0002513433950000012
其中Pe是指拖动发动机所需要的功率，Vbattery是指蓄电池的正常电压，取12V；
(3)、行驶工况
该工况下蓄电池的充放电是由发电机发电量及用电负载的耗电量共同决定的，当开启的负载功率在发电机的输出功率内，蓄电池处于充电状态，当开启负载过多导致发电机输出能力不足时，蓄电池处于放电状态，发电机的输出特性可以根据发动机的转速推算出来，
发电：
Figure FDA0002513433950000013
放电：
Figure FDA0002513433950000021
2.如权利要求1所述的一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，所述蓄电池的电量需求在任何情况下都必须保持在安全电量之上，以满足驾驶员的开车需求，电量需求的计算方法为：
Q＞SOCmin×Qmax+N启动×E启动/V电池 (5)
其中SOCmin是能保证整车快速启动的最低荷电状态，设置为50％，Qmax是蓄电池的最大容量，N启动是最低的保障起动次数，设置为4次，E启动是起动需要的能量，根据方程(5)以及Qmax即可推算出SOC阀值，蓄电池的剩余电量必须大于这个阀值。
3.如权利要求1所述的一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，步骤(2)中的通过MATLAB仿真NEDC工况。
4.如权利要求1所述的一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，通过MATLAB仿真NEDC工况方法如下：搭建供电系统的模型，将行驶工况的路况定义为NEDC工况，根据NEDC工况定义的车速，可以根据变速箱的传动比以及发电机与发动机的转速比推算出该工况下发电机的转速，然后在Matlab中做拟合得出发电机热态下的输出特性曲线方程，根据发电机的输出特性曲线可以得出NEDC工况下发电机的发电特性曲线，定义一组固定的负载进行开启，并统计各个负载的额定工作电流，将负载电流固化为一个恒定值70A，然后定义单个循环的时间以及单个循环中各个工况的时间，将15天作为一个循环，在这15天内假定驾驶员仅开车一次即定义行驶工况为20分钟NEDC工况，将启动的时间设定为2秒钟，在单个循环内其余时间均为驻车时间，将初始参数设置完成后，用流程编写MATLAB进行仿真得出1个循环内续蓄电池SOC的变化。
5.如权利要求4所述的一种汽车蓄电池选型的模拟仿真方法，循环方法如下：进行36个循环，模拟一年半蓄电池的使用周期内的充放电情况，看是否满足方程(5)中对蓄电池容量的需求。
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