基于MWORKS的电动汽车电平衡分析

1 引言

随着电动汽车的快速发展、电池技术的进步和智能电力管理系统的应用，电动汽车电平衡已经成为了电动汽车技术研究中的重要问题之一。

电动汽车电平衡是指车辆发电机、蓄电池、整车用电器在一定时间内的电能供给与消耗达到平衡状态。如果车辆电能产生与消耗无法达到平衡状态，将导致电池容量无法充分利用、缩短电池寿命甚至引发火灾等安全事故。因此，电动汽车电平衡技术对于电动汽车的安全性、可靠性和性能的提升，具有重要意义。

MWORKS.Sysplorer是由同元软控完全自主研发的系统建模仿真环境，在此基础上，同元软控开发了TAEconomy车辆动力性经济性模型库与TAElectronic车辆电子模型库，可以通过控制器的配置、选择不同车型架构和驾驶工况计算不同测试工况下的车辆电平衡，为整车能耗分析与DC-DC（直流变压器）控制提供数据支撑。

图1 电动汽车电平衡仿真模型示例

2 电动汽车电平衡工况

2.1 电动汽车电平衡分析目的

电动汽车整车电气系统的电平衡性能是电动汽车安全运行的基础，蓄电池电压过高或过低都会导致整个电池组的性能下降。因此，进行电动汽车整车电平衡工况仿真分析的主要目的包括：

评估电动汽车整车电气系统的电平衡性能：通过电动汽车整车电气系统中电池组的充电与放电的仿真，评估电动汽车整车电气系统的电平衡性能，判断蓄电池电压是否平衡，以及整体性能是否符合设计要求；
提高电动汽车整体性能和安全性：通过对电动汽车整车电气系统的仿真分析，可以找出存在的问题，并制定相应的解决方案，以提高电动汽车整体性能和安全性。例如，可以通过优化电池管理系统的控制策略、调整电机控制策略等方式来解决蓄电池电压平衡不良的问题，提高电动汽车的性能和安全性。

2.2 影响电动汽车电平衡的因素

电动汽车与传统的燃油车在电气系统方面有很大的不同。电动汽车需要一个高效的电池管理系统来控制电池的充电和放电。这个系统需要监测电池的温度、电压、电流等参数，并根据这些参数来控制充电和放电的过程。

电动汽车电气系统如下图所示：

图2 电动汽车电气系统

电动汽车电气系统由动力电池、DC-DC、蓄电池以及整车低压电气负载组成：

动力电池代替发电机成为整个电气负载的能量来源，除了给高压电气负载提供能量外，同时基于DC-DC和相关的控制策略实现将高压转换为低压，为低压电池充电；
电动汽车电气负载种类及其功能与燃油车负载略有变化。

综上所述，影响电动汽车电平衡的因素为：

DC-DC功率；
DC-DC控制器的控制策略；
动力电池电压；
低压蓄电池容量及电压；
低压电气负载能耗。

前四项为系统的固定规格配置，最后一项低压电气负载能耗会由于工况的变化而改变，因此，仿真需要确定具体工况中低压电气负载的开启情况。

3 低压电气负载开启情况

根据电动汽车常用低压电气负载的不同工作特性，将其分为连续用电设备（日间行车灯、组合仪表等）、短时间用电设备（雨刮器、转向灯、洗涤泵等）、长时间用电设备（近光灯、远光灯、空调压缩机等）三种状况，如下表所示：

表1 低压电气负载开启情况

4 电动汽车电平衡分析

根据低压电气负载开启情况，同元软控TAElectronic车辆电子模型库将电平衡工况分为以下8种：平常白天、平常夜晚、冬季白天、冬季夜晚、冬季雪夜、夏季白天、夏季夜晚、夏季雨夜。

不同工况下低压电气负载的状态有所不同，其中夏季雨夜为车辆用电负荷最大的工况。

图3 整车电平衡电器开启工况

同元软控TAEconomy车辆动力性经济性模型库中包含不同车型架构配置和不同类型的车辆循环工况（如NEDC、CLTC、WLTC、UDC、FTP75、ECE-15、东京城市循环工况），通过与TAElectronic车辆电子模型库联合使用，分析蓄电池SOC（荷电状态）变化，评估DC-DC控制策略的合理性和电池馈电风险。

4.1 测试工况

ECE-15夏季雨夜工况为例，开展电动汽车电平衡仿真验证，分析车辆蓄电池SOC的变化率和平均电压。仿真模型如下图所示：

图4 ECE-15夏季雨夜架构图

4.2 评价依据

通过分析各工况下蓄电池SOC的变化率和平均电压来评价电平衡结果是否合格，以保证车辆在不同工况下，低压电气系统正常工作。评价标准如下图所示：

表2 评价标准

4.3 仿真结果分析

根据仿真结果可得，ECE-15夏季雨夜工况下，蓄电池SOC变化率为-15.7%，蓄电池的平均电压为12.41V，根据评价标准，结果不合格。

图5 蓄电池电压

图6 蓄电池SOC

为了实现电池组中电能的高效转换和分配，满足测试工况中的评价标准，可根据影响电平衡的因素针对DC-DC控制策略进行优化。在控制策略优化的阶段，可通过改进控制算法或控制策略来提高电子系统的性能和效率，以达到系统优化的目的。然而，控制策略的优化可能会导致对电子系统中某些组件的要求发生变化。因此，进行组件选型优化是必要的，可以确保电子系统中的每个组件都能够满足新的控制策略要求，并保持系统的稳定性和可靠性。