汽车电气系统的虚拟仿真分析

摘要：未来的汽车将采用新一代的汽车电气系统。本文介绍运用虚拟仿真技术来对汽车电气系统及系统部件进行有效建模和拓扑分析, 进行早期阶段进行分析验证

关键词：汽车电气系统；功效模型；物理模型；仿真分析

Abstract: the car of the future will be a new generation of automobile electrical system. This paper introduces a virtual simulation technology to use for automobile electrical system and system components for effective modeling and topology analysis, early stage for analysis and testing

Keywords: automobile electrical system; Efficacy model; Physical model. The simulation analysis

中图分类号：F407.6文献标识码：A 文章编号：

1 引言

新的一代汽车电气系统装有愈来愈多的电动设备，例如遥距传送(Telematics)、电子辅助驾驶装置、电动门、电热座椅和娱乐系统等；混合动力汽车(Hybrid)的兴起，亦会加强汽车对电力使用的需求，例如Hybrid汽车惯用的综合式点火器／发电机、电动扭力转换器、电动制动、电动转向和电子磁化气门启动系统等，这么复杂的设计有着极大的不确定性。

采用虚拟仿真可以加快新一代汽车电气设计的深入研究，这些技术为研究拓扑结构提供了有效方法，而且可以改进对此类系统的设计过程、建立相应的设计流程，最终可在较短的时间内推出更好的电气系统设计。

2建模

一个复杂系统的仿真首先要建模。模型的建立可分作三步：

1〕决定使用何种模型。功效模型和物理模型。

在系统仿真中，功效模型速度快，但精度低，可以用作设计过程早期阶段的许多应用中；而物理模型会相比而言更精确但速度慢。我们的目的是要找到兼于功效模型和物理模型之间最佳平衡的混合模型。

2〕用HDL（硬件描述语言）写出模型。

3〕对一般模型的单个情况指定变量，使其动作起来像某个特殊的部件。

2.1 功效模型

为分析双电气系统，建立了4种不同类型的普通功效模型。

这个模型线性曲线来描述变量如功率和速度之间的函数关系。典型的应用是在电磁阀。

该负载指在恒定功率负载下切换于最高、稳定和闭合状态。其切换顺序取决于用于不同驱动循环的使用程序表。

这种模型是一种多级负载, 如风扇. 其使用程序和级别（高、中、低和待机）是可以指定的。

这模板测量出以时间为输入变化对应的功率或电流的读数。这可用于汽车中的一般性负载。

2.2 物理模型

ABS（防抱死刹车系统）是由多个传感器、逻辑电路和电动开关来控制电磁阀和马达的机电系统。图1是其电子驱动电路的物理模型。

图1 ABS的电子驱动电路的物理模型 图2蓄电池实际的测量数据与仿真结果相比较

3 核心部件的仿真分析

3.1 蓄电池

蓄电池是汽车电气系统非常重要的模块，用流体和胶状电解液模拟了铅酸蓄电池，采用了蓄电池几何物理和化学参数，并集成了电路仿真系统。图2是一些实际的测量数据与仿真结果相比较。

3.2 发电机

如图3所示，其模型及用此发电机模型作的负载虚拟仿真测试。此模型可以被用作对发电机的短期分析，如负载或电容选配的漂移分析。

3.3 DC/DC转化器

在这个系统中,ＤＣ/ＤＣ变换器将供电系统分隔为2个具有不同电压等级的供电子系统。如图4，是转化器的功效模型及产生的电流仿真结果。

图3发电机模型及其的负载虚拟仿真测试 图4DC/DC转化器的功效模型及电流仿真结果

4子系统仿真分析

电动车窗系统是一种典型的机电一体化负载。它包括一个马达来驱动车窗结构和电子元件系统来控制马达电流以及当车窗升至最高点时切断电流。因此，它把高点弹回算法和使用程序表集成到软件程序中。

把一个电动车窗系统的线路图通过仿真来决定优化保险丝，导线和半导体的规格大小。对系统实施FMEA非常重要，因为总线间可能有短路风险。为了找到最低成本的解决方案，必须对系统所有的部件建立热模型.

如图5和图6是一些不同电压下的仿真结果相比较。通过这些图形看出不同的电压系统的工作电流和产生的温度会明显下降，因此可以选用直径更小的导线和保险丝，从而重量更轻，成本也更经济。接下来，我们对电动车窗65k弹簧弹回测试作模拟分析，结果如图7所示：

图5电气导线电流仿真 图6导线温度仿真 图7电动车窗弹簧弹回测试模拟

5 系统分析

各种因素如客户要求、成本、市场、竞争对手、性能、相关法律和新技术发展等各种因素综合决定了系统设计。系统需在各种工作环境下进行测试且必须考虑各种参数的变化。

拓扑：一个或多个中心DC/DC变换器； 一个或多个蓄电池；连接负载； 交叉导线系统的冗余。

零件：发电机的种类； 蓄电池的种类； 负载的种类；DC/DC的种类。

能源管理：蓄电池负荷状态管理；发电机的控制；电力管理算法；DC/DC转换器的控制策略；电力分配。

客户要求：环境条件（温度、湿度;运转周期；使用程序（载荷周期）。

6 结束语

不同级别抽象模型的运用可对关键设计参数和器件进行深入考察。对汽车电气系统的性能分析，在其任何部件生产出来之前就可以确定元件、拓扑结构及测试。采用高技术仿真工具使设计者可以深入研究汽车设计，进行假设测试，用实际测试优化设计。

参考文献:

[1] The report on MIT consortium supports 42V volts for next generation automotive electrical system, press release by MIT / Industry consortium on advanced Automotive Electrical / Electronic components and systems. Oct. 6, 1998.

[2] Daimler Chrysler 36V power optimized batteries for cold cranking at –25 centigrade above 25v for 5 s.

[3]潘军，蒋祖华，虚拟产品开发关键技术的应用，上海交通大学学报，2008年1月，第37卷第1期

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。