基于Saber的某重卡车型蓄电池亏电仿真分析及优化

杨国樑，谭金超，王子龙，刘昱挺，丰彦冬，唐风敏

（1.中汽研 （天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300；2.森阳汽车科技 （天津）有限公司，天津 300300）

重卡车辆静置一段时间出现亏电［1］，其原因大概如下。

1）发电机选型过小。

2）蓄电池静态电流设计值偏大或蓄电池容量选取偏小。

3）整车及各控制器未进入休眠或某些负载存在暗电。

4）用户私自改装电器导致整车功耗增大。

针对以上问题，一般通过实车电性能测试去验证，如采取整车电平衡测试、静态电流测试等手段，全面分析车辆存在的亏电风险。该方法作为车辆研发过程中最后一个环节，从性能方面验证电气系统设计水平，具有直观、准确地获取车辆性能参数的优点，但也存在诸多不足，如问题暴露较晚、整改措施难以工程化等问题。

仿真技术的发展，为车型研发验证提供了新的思路，基于仿真软件如Saber［2］、MATLAB软件，可实现蓄电池充放电系统性能仿真，将仿真嵌入到正向设计阶段，在物理原型出来以前，建立各器件的模型提前实现性能测试。

目前，国外知名公司如大众、福特汽车已经开发出成熟的电气系统仿真模型，其模型的仿真分析能够提前暴露出设计中大部分问题，极大缩短了开发周期并节省了费用。国内少数企业已经开展电气系统性能仿真的研究，长安汽车基于MATLAB构建了电平衡仿真模型，仿真出不同工况不同负荷下的电气参数。其仿真的不足在于无法进行详细参数化建模，对仿真的精度有影响。

1 基于Saber的建模仿真介绍

1.1 建模及仿真分析流程

Saber仿真软件是一款EDA软件，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。Saber软件建模及仿真分析流程如图1所示。其中步骤1～3适用于一般仿真流程，步骤4～9为鲁棒性设计流程。

1.2 性能指标设定

图1 Saber软件建模及仿真分析流程

Saber提供了单一集成仿真环境，可实现从顶层到底层全流程仿真，贯穿于汽车所有层级建模 （整车级、系统级、板级、器件级等）。建模之前，根据仿真的性能指标确定模型的结构及各子模型的复杂程度，适当大小及精细的模型既可满足仿真精度要求，又可避免建模的繁琐。

1.3 建模

Saber建模一般包含模型结构确定及参数收集、子模块建模、子模块测试及系统集成调试等工作，具体建模流程如图2所示。

图2 建模流程

1.4 标称设计仿真分析

标称设计仿真用于分析新设计 （电路、新方法、新理论）的工作机理及分析设计参数是否适当并修正参数。模型建立后进行标称设计的参数化配置，根据信号的类型及具体的需求进行相应的仿真测试。Saber提供了多种高级仿真分析验证的工具：直流工作点分析、时域仿真分析、交流小信号分析、多变量分析、应力分析、灵敏度分析、蒙特卡洛分析、故障分析等。

1.5 鲁棒性仿真

针对板级电路，还需要开展鲁棒性仿真，用于确定系统或者子系统中的影响性能的核心器件、减小系统中各种可能的变化因素对系统关键性能的影响、优化设计参数以提高设计品质并降低设计成本。按照图1步骤4～9开展鲁棒性设计。

2 蓄电池亏电建模及仿真

2.1 蓄电池亏电模型总体介绍

本文将构建静态电流仿真测试模型、电平衡仿真测试模型［3-4］。静态电流仿真测试模型在一个设定的极限静态功耗下，仿真验证蓄电池对外放电能力和蓄电池能保证冷起动所需电压的最大静置时间；整车电平衡仿真测试Saber模型将验证在选型设计阶段所选的发电机型号、蓄电池容量和整车各工况下负载消耗的匹配程度及整车动态电量平衡情况。

蓄电池亏电仿真模型如图3所示。

整车蓄电池亏电仿真模型包括C-WTVC驱动工况模型、发动机模型、车身模型、动力传动系统模型、发电机模型、线束模型、蓄电池模型、开关控制器模型、负载模型。在CWTVC循环工况中包含两种气候条件模型：夏季雨夜和冬季雪夜。

在整车电气系统中，针对于电器负载建模，根据整车电器配置表提供的各用电器设备的额定功率或工作电流值，利用Saber原件库的load负载构建恒功率型负载，模拟整车用电器负载总功耗。针对于主电器设备蓄电池、发电机、起动机、线缆、继电器建模，将直接调用Saber元件库里的模型，根据供应商提供的建模参数需求表上的参数信息，对各电器进行参数配置建模。

图3 蓄电池亏电仿真模型拓扑图

2.2 主要部件建模过程

2.2.1 负载建模

车辆OFF状态负载为全车静态消耗负载 （整车最大静态电流）60mA。

level1夏季白天工况负载1384.764W、level2夏季夜晚工况负载1647.544W、level3夏季雨夜工况负载1817.456W。夏季负载模型如图4所示。

图4 夏季负载模型

Level1冬季白天工况负载1401.24W、level2冬季夜晚工况负载1661.704W、level3冬季雪夜工况负载1828.016W。冬季负载模型如图5所示。

图5 冬季负载模型

2.2.2 发电机建模

根据所提供发电机特性曲线，运用查找表方式给发电机建模，分别扫描发电机外特性曲线和效率曲线。发电机输出特性查找表模型如图6所示。

图6 发电机输出特性查找表模型

2.2.3 蓄电池建模

根据提供的蓄电池特性参数进行蓄电池参数化建模，如图7所示。

3 仿真测试及结果评估

3.1 整车电平衡仿真测试及结果评估

以C-WTVC循环工况-冬季雪夜为例，该极端工况下用电负载全部打开，发电机设计要求如下。

图7 蓄电池模型

车辆行驶过程，一般要求发电机提供给蓄电池的电流约为其容量的10%［5］。

本文中重卡车型初选发电机额定输出电流为80A、蓄电池容量为180Ah；蓄电池充电电流需不小于18A、蓄电池SOC上升率需不小于5%。

仿真测试结果：蓄电池充电电流及SOC变化率不满足设计要求且发电机始终处于超负荷运转状态，需对发电机重新选型，详见表1。图8为发电机电平衡仿真测试波形 （80A）。

3.2 整车静态电流仿真测试及结果评估

温度对蓄电池充放电性能影响较大，需分别进行常温（25℃）、高温 （40℃）、低温 （-10℃） 静态电流仿真测试，验证不同温度下蓄电池放电性能。注：蓄电池平均充电电流（-）号表示充电。

表1 仿真测试结果

图8 发电机电平衡仿真测试波形 （80A）

车辆在长途运输或长时间停放后应能起动发动机，一般要求蓄电池常温能够满足车辆连续停放6周 （42天国内要求）。以常温 （25℃）静态电流仿真测试为例，仿真测试及评价结果为：整车静态功耗不满足设计要求，需降低整车静态功耗，详见表2。静态电流仿真测试波形 （60mA）如图9所示。

表2 整车静态电流仿真测试及结果评估

图9 静态电流仿真测试波形 （60mA）

4 设计参数的优化及仿真测试

4.1 发电机容量的选型优化及仿真测试

在80A基础上，将发电机容量选为90A，对其进行仿真测试。

仿真测试及评价结果为：蓄电池充电电流仿真测试值不满足设计要求，而蓄电池SOC变化率能达到4.9707% （约等于5%），详见表3。考虑到后期车型的升级，需继续增加发电机的容量。发电机电平衡仿真测试波形 （90A）如图10所示。

在80A基础上，将发电机容量选为100A，对其进行仿真测试。

仿真测试及评价结果为：整车蓄电池充电电流及SOC的变化率均满足设计要求，详见表4。发电机电平衡仿真测试波形 （100A）如图11所示。

综上仿真优化结果的分析比较，建议该重卡车型装配100A容量的发电机，这样既能满足蓄电池的充电设计要求，又能满足负载的消耗，并且留有足够的安全余量，对后续车型的升级具有直接的指导意义。

4.2 静态电流设计参数优化及仿真测试

对整车静态电流进行参数扫描，最终确定整车静态电流不超过47.5mA时，满足静置天数的要求，由此确定优化后的参数。静态电流设计参数优化及仿真测试详见表5，静态电流设计值优化仿真测试波形 （47.5mA）如图12所示。

表3 发电机容量的选型优化及仿真测试

图10 发电机电平衡仿真测试波形 （90A）

图11 发电机电平衡仿真测试波形 （100A）

表4 仿真测试及评价结果

表5 静态电流设计参数优化及仿真测试

5 结束语

本文介绍了Saber的建模仿真流程，以某重卡车型为例，基于Saber软件建立了蓄电池亏电模型，进行了电平衡仿真测试、静态电流仿真测试，并对仿真结果进行了评估，对不合格项进行了设计参数的优化及仿真测试，最终确定了优化后的参数。本文中的重卡车型处于开发阶段，未采集到实测数据，文中缺少实测与仿真数据的比较，该工作将作为本论文下一个研究方向。

图12 静态电流设计值优化仿真测试波形 （47.5mA）