1 電源模型在設計中的應用

　　電池仿真在產品開發各個進程中都起著重要作用， 尤其在汽車行業的產品設計和試制階段。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體級數學模型的建立。

　　1.1 系統設計級模型仿真應用

　　在汽車供電系統設計中， 傳統的設計方法是，根據Feather (市場配置表) 與目標市場氣候條件、發動機轉速概率落點等一系列因素進行經驗性靜態估計， 成車后再進行發電機、起動機、蓄電池的動態電量匹配試驗分析。

　　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， 而且比發電機等其它部件更易受環境影響。圖1為汽車供電系統的一個簡易模型圖( 系統級模型)。

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　　圖1 汽車供電系統簡易模型圖

　　在歐洲， 許多開發者已開始著手進行系統級仿真的工作， 比如LABCAR ( 整車全仿真試驗室) 的建立， SIMULINK模塊化發動機模型的建立。此模型輸出各種仿真工況下溫度和發動機轉速等一系列環境參數， 而BCM ( 車身控制器) 等ECU采用半仿真來檢測此設計方案。JAGUAR ( 捷豹) 等企業也應用了模型仿真設計方式， 為每一個車系平臺都針對車身電子建立一個整車模型系統， 主要進行總線和網絡的仿真測試及供電系統的仿真。這些廠商一般使用的是DSPACE發動機模型或teLUS數學模型，而這些模型主要目的大多不是進行供電系統的仿真開發， 而是進行CAN總線的一些開發。在中國， 僅上汽/RICARDO2010在進行這項工作( 供電模型仿真) .在歐洲， 僅德國某整車企業是真正從蓄電池供電系統仿真的開發流程進行開發的。

　　圖2為德國某企業的5系平臺的部分供電系統仿真試驗結果圖。可見仿真的效果很好， 和上汽復測的真實結果吻合得很好。

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　　圖2 德國某企業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、發電機、起動機的容量及選用策略是否合適， 用戶電池的更換頻率評估，各種不利工況對蓄電池活性物質的影響， 怠速等策略標定是否得當， 發電機失效狀態下的供電系統破壞性驗證， 靜態電流及車輛放置時間測定， 單位電功率與油耗影響關系， 冷起動性能等一系列重要參數。針對以上這些問題， 上汽首先提出供電系統級模型與個體模型的概念， 圖3為兩者關系圖。

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　　圖3 供電系統級模型與個體級模型的關系

　　圖3 反映了汽車供電/蓄電池模型的關系， 個體級模型( 即蓄電池自身變化情況) 根據車型設計復雜度要求含有充放電實時模型、SOC模型、電流實時積分、電壓、內阻、水耗、靜態放電、電解液密度等各種模型， 環境變量為溫度、用戶負載、時間等。根據變量輸入， 個體級模型會輸出一個數組R, 含有蓄電池和整車用電實時狀況信息; 系統級模型根據其輸入執行各種策略，比如強制關閉負載、怠速短時間提速、進入跛行保護、增加發電機輸出、空調補償調節、用戶指示報警、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， 在不同的使用個體級參數風險評估等級下執行不同的策略。在后續的上汽車型項目中， 筆者也會不同程度地燒錄供電模型進行量產化， 并且在未來會使用獨立供電模塊( JAGUAR已實現量產) , 尤其是上汽未來的中高檔轎車。

　　早期的系統級模型是一個非常簡單化的模型：

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

　　此模型于1998年由大眾與VALEO在中國提出，根據優化需要程度， 整車廠對函數K進行賦值操作，其只反映"電要夠用"的這一簡單道理。此模型過度依賴于原始設計制定的參數， 而沒有任何彈性，實行了"寧愿最保險"的設計原則， 這樣的設計理念對整車企業成本領先的策略是很不利的， 并且沒有實時性， 至今大部分中國整車廠或多或少地正在使用此模型， 而上汽提出的系統級與個體級模型徹底解決了這些問題。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。

　　1.2 個體產品設計級的模型仿真應用

　　系統級的MATLAB/SIMULINK模型常常是基于所有產品個體級模型的基礎上的。

　　對于蓄電池的開發和設計， 產品個體的仿真模型顯得更為重要。但是搭建一個真正的研發用電池環境的成本要遠小于建立數學模型， 蓄電池的各種配件相當便宜， 上汽集團的電池供應商大部分都未采用模型、試制、模型優化、量產的循環流程。其實比如風帆、江森自控這樣的廠商都有很強的自制零部件的實力， 關鍵測試的時間雖然比模型用時要長， 但是綜合起來節約了總成本， 而且對產品的衍生系列開發和整車廠做供電集成工作有很大幫助。

　　另一方面， 蓄電池是一個很復雜的系統， 內部各種變量都影響著其容量性能、瞬態輸出、水耗、循環次數等。這些變量( 例如： 活性物質的數量、電解液密度和溫度、內阻特性、隔板與板柵結構、化學元素的組成、電解質分層特性等) 不同的側重點會有不同的模型。圖4為電池內部復雜的溫度分度， 可見電池溫度并不是單一參數， 而是對反應源距離間的一個復雜函數， 這也是對傳統電池常常提到均衡充電的原因。

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　　圖4 電池內部復雜的溫度分度示意圖

　　正因為其復雜性， 所以對于各種試驗環境下表現出的性能難以從經驗預知， 特別是對整車廠開發新產品/車系平臺設計來說， 是相當嚴酷而且耗時的測試， 鑒定試驗時間平均半年左右， 一旦試驗不成功， 整改和重做的成本是相當大的。因此， 在試驗前期常常需要一個前期的"摸底式"測試， 這時仿真測試是最佳選擇。而且利用模型可以把電流密度、極板腐蝕、壽命等不論從時間還是技術上難以測量的變量變得更易于測量。這種數學模型系統一旦建立起來后， 新項目開發耗時與成本將會大大減少。圖5為使用和未使用該方式開發的耗時區別， 每塊為一個完整的開發周期。

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　　圖5 使用和未使用仿真模型開發的耗時區別