區(qū)域架構(gòu)電平衡仿真應(yīng)用

鄧鵬 祝貴陽(yáng) 劉若嬌 王建國(guó)

（中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：電子電氣構(gòu)架 區(qū)域架構(gòu) 電平衡 動(dòng)態(tài)工況仿真

縮寫語(yǔ)

SOC State of Charge

EEM Electric Energy Management

DCDC Direct Current to Direct Current converter

PDC Primary Domain Controller

SR Safety Relevant

NSR No Safety Relevant

1 前言

近年來(lái)，隨著車輛向著電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化的新“四化”方向發(fā)展，車輛在安全性、行駛動(dòng)態(tài)性和舒適性上的要求逐步提高，對(duì)此傳統(tǒng)車輛分布式架構(gòu)下整車電氣系統(tǒng)數(shù)量隨之快速增加[1-3]，復(fù)雜繁冗且存在計(jì)算能力不足、通訊帶寬不足、不便于軟件升級(jí)的瓶頸，由此更集中簡(jiǎn)約的區(qū)域式架構(gòu)方案被提出，并逐漸取得行業(yè)共識(shí)，成為當(dāng)前汽車行業(yè)電子電氣構(gòu)架的發(fā)展趨勢(shì)[4-5]。新的架構(gòu)方案帶來(lái)了整車電網(wǎng)拓?fù)涞娜伦兏?，?duì)整車低壓電網(wǎng)電源系統(tǒng)和用電系統(tǒng)間的電平衡關(guān)系提出了新的要求，以適應(yīng)更加動(dòng)態(tài)化、智能化、靈活多變的應(yīng)用場(chǎng)景，避免出現(xiàn)電源系統(tǒng)供電能力不足導(dǎo)致“負(fù)平衡”問題，影響用戶操作車輛的安全性和舒適性體驗(yàn)[3,6]。

整車的電平衡體現(xiàn)了電源部件輸出能力與整車用電需求間的匹配關(guān)系[7]，隨著整車性能目標(biāo)定義的不同，對(duì)整車電平衡性能的要求也不同，所以在新車型開發(fā)設(shè)計(jì)階段，需對(duì)整車電平衡進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[8]。以往車輛設(shè)計(jì)和開發(fā)中，在電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電源部件選型初期，往往僅依靠收集的整車電性能參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下的用電平衡計(jì)算，然而車輛的實(shí)際運(yùn)行工況是連續(xù)動(dòng)態(tài)的，手工計(jì)算工作量巨大且計(jì)算結(jié)果單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下車輛全時(shí)刻電平衡狀態(tài)的高效準(zhǔn)確評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，存在失衡的隱患。

本文針對(duì)車輛區(qū)域式架構(gòu)的發(fā)展方向，提出了一種電平衡仿真方法，以期能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)工況下對(duì)整車低壓電網(wǎng)系統(tǒng)電平衡的有效評(píng)估、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

2 區(qū)域架構(gòu)電平衡仿真模型

2.1 集中式區(qū)域架構(gòu)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)“四化”尤其是智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，車輛電子電氣系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于電子電氣控制單元的分布式架構(gòu)正面臨著巨大挑戰(zhàn)，正不斷向分布式網(wǎng)絡(luò)+高度集中的域控制器架構(gòu)演進(jìn)。集中式區(qū)域架構(gòu)通過智能電網(wǎng)隔離器和區(qū)域控制器（Primary Domain Controller，PDC）實(shí)現(xiàn)整車電網(wǎng)的冗余隔離與智能配電，以滿足智能化車輛的功能安全要求。區(qū)域架構(gòu)下整車電網(wǎng)拓?fù)浞桨溉鐖D1所示。

圖1 區(qū)域式架構(gòu)電網(wǎng)拓?fù)浞桨?/p>

2.2 基于區(qū)域架構(gòu)的電平衡仿真模型

為實(shí)現(xiàn)在車輛動(dòng)態(tài)工況下對(duì)整車低壓電網(wǎng)系統(tǒng)電平衡的有效評(píng)估，本文利用MATLAB Simulink 軟件，搭建了基于區(qū)域架構(gòu)的整車電平衡仿真系統(tǒng)模型，模型主要由電能源管理軟件（Electric Energy Management，EEM）模塊、直流-直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）模塊、主電池（Battery1）模塊、冗余電池（Battery2）模塊、負(fù)載（大功率非安全負(fù)載、大功率安全負(fù)載、PDC）模塊、線阻模塊構(gòu)成，區(qū)域架構(gòu)電平衡仿真系統(tǒng)中各模塊拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 區(qū)域架構(gòu)電平衡模型拓?fù)?/p>

（1）EEM 模塊：依據(jù)電池的電量狀態(tài)判斷當(dāng)前所處的能量等級(jí)，并通過電池電量狀態(tài)、溫度查找電池性能參數(shù)標(biāo)定表獲取電池最佳充、放電電流目標(biāo)。由電池當(dāng)前實(shí)際電流與目標(biāo)電流間的差值計(jì)算獲取需求的DCDC 目標(biāo)輸出電壓。當(dāng)主電池與DCDC 之間的智能電網(wǎng)隔離器1 的主開關(guān)斷開，且冗余電池與DCDC 之間的智能電網(wǎng)隔離器2 的主開關(guān)連接時(shí)，以冗余電池狀態(tài)為上述計(jì)算目標(biāo)進(jìn)行控制，其它情況下則均以主電池狀態(tài)為計(jì)算目標(biāo)進(jìn)行控制。

（2）DCDC 模塊：根據(jù)車輛DCDC 實(shí)際選型方案進(jìn)行相關(guān)性能參數(shù)填寫，包括額定功率、輸出電壓對(duì)應(yīng)的最大輸出電流曲線、不同溫度下輸出功率曲線、不同溫度下輸出電流曲線。通過EEM 模塊發(fā)出的目標(biāo)請(qǐng)求電壓與當(dāng)前環(huán)境下真實(shí)電壓來(lái)計(jì)算模塊輸出電流值。由DCDC 選型允許功率、當(dāng)前電壓、當(dāng)前冷卻液溫度分別計(jì)算模型可輸出電流限值，最小值設(shè)為模型輸出電流的上限值。

（3）蓄電池模塊：根據(jù)車輛電池實(shí)際選型方案填寫相關(guān)性能參數(shù)，包括電池類型（鉛酸電池、鋰電池）、額定容量、額定電壓、起始電量。該模塊的輸出信號(hào)為：電池電壓、電池電流（數(shù)值為正代表電池處于放電狀態(tài)，負(fù)值代表電池處于充電狀態(tài)）、電池電量。

（4）負(fù)載模塊：根據(jù)區(qū)域式架構(gòu)整車電網(wǎng)拓?fù)浞桨福饕ù蠊β史前踩?fù)載、大功率安全負(fù)載以及由前區(qū)域控制器（PDC-F）、中區(qū)域控制器（PDC-M）和后區(qū)域控制器（PDC-R）驅(qū)動(dòng)供電的安全負(fù)載、非安全負(fù)載。負(fù)載模塊會(huì)根據(jù)輸入的負(fù)載選型參數(shù)來(lái)計(jì)算每部分負(fù)載在不同工況下需消耗的功率值。功率型負(fù)載輸入時(shí)間功率曲線即可，電流型負(fù)載輸入時(shí)間電流曲線，負(fù)載模塊會(huì)根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)電壓值來(lái)計(jì)算負(fù)載功率。

（5）線阻模塊：根據(jù)實(shí)車部件計(jì)劃布置位置及環(huán)境，估算各零部件模塊間的線阻阻值大小。

車輛開發(fā)初期根據(jù)整車部件的計(jì)劃選型及布置方案，將相關(guān)參數(shù)（表1）輸入到模型中，通過動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，即可獲得相關(guān)輸出參數(shù)的時(shí)序結(jié)果（表2），實(shí)現(xiàn)對(duì)整車電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源部件選型、電氣裝備配置和EEM策略的分析評(píng)估及合理性驗(yàn)證。

表1 區(qū)域架構(gòu)電平衡仿真模型輸入?yún)?shù)

表2 區(qū)域架構(gòu)電平衡仿真模型輸出參數(shù)

3 電平衡仿真模型驗(yàn)證

3.1 模擬實(shí)車工況仿真結(jié)果

為驗(yàn)證區(qū)域架構(gòu)電平衡模型仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選用某車型參數(shù)（表3）輸入模型仿真系統(tǒng)，并選取整車動(dòng)態(tài)電耗比較苛刻的冬季雪夜工況下進(jìn)行電平衡仿真運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 冬季雪夜工況下蓄電池電量仿真結(jié)果

圖4 冬季雪夜工況下DCDC目標(biāo)電壓、輸出電壓仿真結(jié)果

表3 某車型電平衡仿真實(shí)車參數(shù)表

仿真結(jié)果顯示：車輛在冬季雪夜工況下仿真運(yùn)行結(jié)束后，主電池、冗余電池電量（sigLvBatt1SocFild、sigLvBatt2SocFild）均上升3%左右，過程中DCDC 請(qǐng)求輸出電壓（sigEEMDCDCVoltReqLV）在14.11～14.88 V之間波動(dòng)變化，DCDC 實(shí)際輸出電壓（sigEEMDCDCVoltActLV）波動(dòng)范圍為13.81～14.45 V。

整個(gè)駕駛循環(huán)下兩塊蓄電池均處于充電狀態(tài)，電池電量上升且低壓電網(wǎng)電壓基本維持在14.10 V左右，波動(dòng)范圍在0.65 V以內(nèi)，DCDC輸出能力能夠滿足整車電氣負(fù)載消耗需求，仿真結(jié)果滿足整車電平衡設(shè)計(jì)要求。

3.2 模型仿真與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

將上述車型放置于轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)艙內(nèi)，進(jìn)行冬季雪夜實(shí)車測(cè)試，以達(dá)到與仿真系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證、確認(rèn)仿真精度的目的。測(cè)試結(jié)果如下圖5所示。

圖5 冬季雪夜實(shí)車測(cè)試蓄電池電量、輸出電壓DCDC結(jié)果

實(shí)車測(cè)試結(jié)果顯示：冬季雪夜工況實(shí)車測(cè)試運(yùn)行結(jié)束后，主電池、冗余電池電量（EEM_rSocFirst、EEM_rSocSecond）均上升3%左右，與電平衡模型仿真結(jié)果一致。DCDC 實(shí)際輸出電壓（uDCDC）在13.36～14.54 V 之間波動(dòng)，低壓電網(wǎng)電壓基本維持在14 V 左右，整體趨勢(shì)與仿真結(jié)果一致。

通過仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，本文所述區(qū)域架構(gòu)電平衡仿真模型在動(dòng)態(tài)工況下能夠較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)整車電網(wǎng)用電平衡狀態(tài)評(píng)估，在車輛設(shè)計(jì)初期可以有效地預(yù)防電源系統(tǒng)和用電系統(tǒng)之間的電能失衡問題，可應(yīng)用于車輛開發(fā)初期指導(dǎo)整車電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源部件選型、電氣裝備配置，并驗(yàn)證EEM策略的合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了針對(duì)當(dāng)前區(qū)域架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)下的電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行電平衡仿真模型設(shè)計(jì)思路及仿真結(jié)果精度分析。打破了以往車輛開發(fā)中基于穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算整車用電平衡的局限性，實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)態(tài)工況下整車低壓電網(wǎng)系統(tǒng)電平衡狀態(tài)的高效準(zhǔn)確評(píng)估，為避免車輛開發(fā)中因前期驗(yàn)證不足導(dǎo)致的后期電能失衡問題提供了一種方法。

當(dāng)前受限于仿真模型系統(tǒng)處于開發(fā)應(yīng)用早期，仿真驗(yàn)證工況主要針對(duì)車輛電耗較高的冬季雪夜，場(chǎng)景覆蓋度有限，后續(xù)隨著項(xiàng)目應(yīng)用的深入，可不斷豐富完善測(cè)試場(chǎng)景庫(kù)，為整車電平衡設(shè)計(jì)提供更加具有指向性、精細(xì)化的分析評(píng)估。