Ed Marquez, MathWorks的
了解Simscape™如何通过建模纯电动汽车来建模物理系统。了解如何将电气、机械和流体组件的原理图组装到模型中,以帮助您确定组件的大小并做出设计决策。
探索如何使用模拟来选择电动机和大小冷却系统,包括管道、泵和罐。了解Simscape如何帮助您:
看MATLAB如何®使您能够调整在Simscape中创建的物理模型,增强模型以合并3D机械系统,并将其连接到Simulink中的控制算法金宝app®环境。
Simscape使工程师能够建模和模拟物理系统。物理系统是由电气、机械、热和其他部件组成的,这些部件是你可以用物理定律看到、触摸、测量和描述的。
举个例子,一辆电动汽车。电动汽车有电动机、机械传动系统和冷却系统来控制温度。所有这些部分必须协同工作。电机将电能从电池转化为机械能,使齿轮、轴和轮子转动。部分能量转化为热能。
工程师可以使用这个系统的模型来完成一些任务,比如电池和电机的尺寸,估计车辆的行驶里程和效率,增加加速度,或者决定如何冷却电机。在这个视频中,我们将调整电机的尺寸,确保它不会过热。
我们的测试场景是在上坡路上超过另一辆车。电机产生的扭矩必须足以应付这些恶劣的条件。我们将模拟这个场景,以确定需要多少扭矩,并选择一个电机。
从电池中获取的部分能量被转化为热量。如果电机太热,电线就会烧穿绝缘,损坏电机。使用Simscape,我们可以很容易地添加热行为,而无需重新推导所有的方程。
Simscape获取每个块的组件方程,并根据连接这些块的方式推导出描述整个系统的方程。为了确保无论外面有多热,系统都能正常工作,我们可以把虚拟汽车开到任何地方,从西伯利亚到撒哈拉沙漠,都不用离开办公桌。
首先,我们将使用Simscape来建模机械系统。接下来,我们将探索模拟结果,以细化对电机的要求。然后我们会考虑它的热行为,并确定所需的冷却量。让我们开始吧。
我们使用命令ssc_new创建一个新模型,其中包含Simscape的正确设置和一些有用的块。让我们用一个转矩源来表示一个可以给我们所需要的转矩的电机。
C连接代表电机外壳。我们把它固定在汽车的底盘上。R端口代表电机轴,我们将其连接到变速箱以增加输出扭矩。
现在我们添加轮子来让汽车移动,一个质量来给它提供惯性,一个运动传感器来测量汽车的速度。我们模型的组件彼此连接,就像它们在实际系统中一样。连接组件的线表示描述组件如何相互作用的方程。每个组件都有描述其行为的方程。
Simscape导出整个系统的方程,并在模拟过程中的每个时间步求解它们。让我们运行模拟,看看会发生什么。车就这样越开越快。是啊,我很确定我的速度计没有那么高。
我们忽略了一些物理效应。我们需要添加轮胎的滚动阻力,空气阻力和道路坡度。我们可以添加一个摩擦块来捕获滚动阻力和阻力。第四个来源可以让我们模拟在陡峭的山坡上开车时重力的影响。
现在我们的速度趋于平稳,但我们仍然非常快,有点令人兴奋,但我通常不会连续5分钟达到最低点。让我们有一个司机模型来控制车辆的速度。此动画由Simscape Multibody制作。
这辆车在高速公路上以巡航速度行驶时,它停在了一辆较慢的车辆后面。司机加速超过那辆车,然后回到原来的车道。在通过机动加速时,电机提供200牛顿-米的扭矩。
让我们通过在Simscape Results Explorer中打开扭矩图来确定流逝时间。Results Explorer可以随时间显示任何Simscape变量。当我们超过速度较慢的车辆时,扭矩在14秒内保持不变。在迎面而来的车流中花费这么长的时间。
我们试着把加速度的扭矩增加到800牛顿-米。有了更大的扭矩,通过时间现在不到4秒。这应该能满足即使是最苛刻的司机的需求。
根据所需转矩的估计,我们可以选择电机并将其行为纳入模型。我们选择的电机最大转矩为800牛顿米,最大功率输出为500千瓦。Simscape有多个块来表示具有不同细节级别的电动机。
通过电机和驱动组件,我们可以在不建模电力电子开关事件的情况下结合真实的转矩速度行为。所以它非常适合我们的分析。让我们通过在画布中输入插入电机和驱动块。然后设置它的扭矩,功率和效率从我们的电机的数据表。
在这个简短的测试中,让我们将电池建模为恒压源。使用更现实的马达,由此产生的流逝时间更长,但仍在合理范围内。我们可以通过模拟精确的电池行为、电源转换器和其他电气效应,使这个模型更加准确。
我们的模型帮助我们选择了一个能提供足够加速度的电机,这真是太棒了。现在我们用它来确保系统不会过热。
真正的马达不是完全高效的。电池提供的能量并不是全部用于驱动汽车。部分能量转化为热能。为了了解这是如何影响电机温度的,让我们建立它的热行为模型。这有助于我们决定我们需要做什么来保持电机在它的温度速率内。
我们如何将热效应纳入其中?很容易。我们可以在电机上添加一个热端口,这样我们就可以模拟热量传递到环境中的过程。
热量传导到电机外壳并对流到外部空气。我们需要监控电机温度。所以我们增加了一个温度传感器。
现在我们可以再次单击Run按钮,模拟更新后的模型,看看电机的温度有多高。当车辆加速时,甚至在巡航时,电机温度都超过了设计限制。这并不好。它的额定温度只有140度。看起来我们需要增加一个冷却系统。
高性能电机采用液体冷却来散热。电机外壳将热量传递给冷却剂。散热器将热量排放到环境中。
管道块可以让我们模拟流动流体和壁面之间的热交换。我们用一根管子从电机吸收热量,另一根管子将热量传递到环境中。为了关闭流体回路,我们将插入一个水箱和一个作为泵的大流量源。使用流体属性块,我们可以选择流经冷却系统的流体。
温度始终低于120度。如果我们真的需要速度,这给了我们足够的安全边际。在短短几分钟内,我们使用Simscape对一个包含电池、电机、传动系统和车轮的电动汽车模型的电机和冷却系统进行了测量。
更好的是,我们可以使用优化算法,让MATLAB为我们找到最佳设计。我们可以使用Simscape Multibody对悬挂进行建模,并观察汽车在不同路面和具有挑战性的驾驶条件下的表现。Simscape Multibody为您处理所有的3D动态,以便您可以专注于您的设计。Simu金宝applink可以帮助我们开发一种控制器,只在需要时才启动冷却。
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