Электромобили в настоящее время быстро заменяют обычные автомобили с ДВС по всему миру. Но выбор правильной архитектуры и компонентов — сложная задача из-за доступных в настоящее время вариантов. Транспортное средство — это в основном электромеханическая система с большим количеством подсистем. Тесная интеграция всех подсистем имеет важное значение для извлечения из нее максимальной пользы и повышения ее эффективности. Физическое тестирование всех комбинаций не является ни практически осуществимым, ни возможным. Поэтому инструмент моделирования необходим для оценки важных параметров, таких как запас хода, ускорение, мощность и стоимость системы, чтобы сравнить и проверить конструкцию проектируемого электромобиля.

MATLAB Simulink — это мощный инструмент, позволяющий вам проектировать и проверять вашу систему. Это многофункциональное программное обеспечение с его вычислительной мощью является хорошим программным обеспечением для ускорения этапа проектирования различных систем. В этой статье мы увидим, как можно использовать MATLAB для проектирования силовой установки электромобиля и его механических подсистем. Мы будем использовать общие параметры для транспортного средства. В этой статье мы лишь поверхностно коснемся MATLAB Simulink и посмотрим, как он работает.

Где можно использовать Matlab в проектировании электромобилей

Проектирование электромобиля — сложный процесс, поскольку он включает в себя множество различных подсистем, и для того, чтобы максимизировать производительность электромобиля, необходимо провести множество параметров и испытаний. MATLAB Simulink и Simscape предоставляют функции для проектирования и моделирования основных вариантов использования электромобиля. 7 наиболее важных вариантов использования Matlab для процесса проектирования электромобилей:

• настройка алгоритмов рекуперативного торможения;
• изучение архитектуры электрических силовых агрегатов;
• изменение конструкции подвески;
• оптимизация производительности автомобиля;
• разработка активных элементов управления шасси;
• проверка алгоритмов ADAS;
• тестирование с использованием аппаратно-программного обеспечения (HIL).

Модель электромобиля в MATLAB Simulink

Мы смоделировали простую силовую передачу электромобиля и смоделировали ее с реальными силами и сопротивлением, которые транспортное средство должно выдерживать в реальных сценариях. Мы связали ее с такими блоками, как кузов транспортного средства, шины и т. д., чтобы включить такие данные, как трение колес, сопротивление воздуха, сопротивление качению и т. д. Поскольку мы только тестируем, как мы можем использовать это программное обеспечение для моделирования различных сценариев, мы избегали использования данных от конкретного транспортного средства.

Редактор сигналов

Блок редактора сигналов используется для проектирования сигналов. Сигнал может использоваться в пользовательском режиме. Мы можем использовать блок редактора сигналов для подачи любых настраиваемых данных, показывающих скорость транспортного средства, в блок продольного драйвера.

Примечание: мы не использовали блок редактора сигналов, но вы можете использовать блок редактора сигналов вместо источника цикла привода.

Источник ездового цикла

Генерирует стандартный или заданный пользователем продольный цикл движения. Выход блока — продольная скорость транспортного средства. Вы можете импортировать циклы движения из:

• Предопределенные источники.
• Переменные рабочего пространства, включая массивы и объекты временных рядов.
• файлы mat, xls, xlsx или txt.

Используйте параметры отслеживания неисправностей для выявления неисправностей ездового цикла в пределах указанных допусков скорости и времени.

Продольный  блок  привода

Блок продольного драйвера действует как фактический драйвер, который интерпретирует команду скорости транспортного средства из опорного сигнала. Блок способен принимать обратную скорость транспортного средства и изменять скорость, выдавая выходные сигналы, он может решать, когда транспортное средство должно быть ускорено, а когда необходимо применить тормоз. Также есть опции для управления передачей.

Конвертер Simulink-PS/PS-Simulink

Существуют физические сигналы (physical signals, PS) и сигналы Simulink, и мы не можем использовать физические сигналы и сигналы Simulink взаимозаменяемо, поэтому требуется преобразователь Simulink-PS или PS-Simulink в зависимости от входа и выхода.

Например, команды ускорения и торможения, выходящие из блока драйвера, являются сигналами Simulink, которые необходимо преобразовать в команды сигналов. Для этого мы используем преобразователь Simulink в PS.

Управляемый источник напряжения

Блок источника контролируемого напряжения используется для обеспечения постоянного выходного напряжения. Он имеет 2 электрических порта сохранения и физический порт сигнала. Выход от источника контролируемого напряжения подается на источник контролируемого напряжения ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Управляемый источник напряжения ШИМ

Этот блок используется для обеспечения управляемого выходного напряжения ШИМ. Сигнал ШИМ используется для управления скоростью тягового двигателя. Рабочий цикл определяется по формуле:

где

V _ref — опорное напряжение на портах ref+ и ref- .

V _min обозначает минимальное опорное напряжение.

V _max обозначает максимальное опорное напряжение.

Драйвер двигателя H-моста

Блок H-моста используется для управления двигателем. Он имеет 2 режима: средний режим, в котором блок используется для подачи среднего напряжения, и режим ШИМ, в котором двигатель приводится в действие, когда входное напряжение превышает разрешенное пороговое напряжение. Блок H-моста имеет 2 выходных порта, положительный и отрицательный порт, который напрямую подключен к двигателю, которым необходимо управлять. Также имеется порт REV. Когда обратное пороговое напряжение ниже напряжения порта REV, полярность двигателя меняется на противоположную, а если напряжение порта BRK больше значения порогового напряжения отключения, это указывает на то, что транспортное средство находится в состоянии торможения.

Двигатели

В качестве тягового двигателя мы используем простой двигатель постоянного тока, но мы также можем использовать любой другой тип двигателя, например, асинхронный двигатель, PMSM, SRM и т. д.

Проектирование механических подсистем электромобиля в MATLAB Simulink

При работе с большими моделями всегда полезно создать подсистему, чтобы разгрузить всю модель и сгруппировать компоненты в один блок. Вы можете легко создать подсистему, выбрав необходимые компоненты и нажав Ctrl+G или щелкнув правой кнопкой мыши по выбранным блокам, а затем нажав Create System from Selection в раскрывающемся меню, которое появляется при нажатии правой кнопки мыши.

Модель электромобиля представляет собой комбинацию электрических и механических частей. Механические части в электромобиле включают шины, кузов транспортного средства, трансмиссионные передачи и двигатель. 4 шины и кузов транспортного средства сформированы в подсистему для отделения механического компонента от электрических компонентов. Изображение подсистемы приложено ниже.

В механической подсистеме используются различные компоненты корпуса нашего электромобиля, которые позволяют нам воспринимать физические силы, испытываемые транспортным средством, различные блоки этой подсистемы описаны далее.

Кузов транспортного средства

Блок кузова транспортного средства представляет собой двухосное транспортное средство, то есть 4-колесное транспортное средство. Мы можем задать такие параметры, как распределение веса, масса, уклон дороги, аэродинамическое сопротивление и т. д. Всего имеется 6 портов: W, V, H, NR, NF и beta. Порты W и beta являются портами ввода физического сигнала, которые предназначены для скорости ветра и наклона дороги соответственно. Соединения с V, NF и NR являются портами вывода физического сигнала для скорости транспортного средства, нормальных сил передней оси и задней оси, а H — для горизонтального движения, и шина подключена к этому порту.

Шина

Как видно в подсистеме, мы соединили ступицу всех 4 шин со ступицей кузова транспортного средства. Шина представляет собой блок шины с продольным поведением. Мы используем его в постоянном состоянии. Мы соединили S с терминаторным блоком, S определяет скольжение шины. N соединен с портами NR и NF блока транспортного средства, в то время как H, который предназначен для ступицы, соединен с H кузова транспортного средства. A является соединением оси и соединено с выходным валом двигателя.

Блок терминатора

Блок терминатора используется для завершения физического соединения. Хорошей практикой является завершение любого неиспользуемого соединения, поскольку это делает его более понятным и также завершает порт, следовательно, когда блок подсистемы подключен, эти порты не видны в подсистеме.

Константный блок физического сигнала

Мы не можем использовать обычный постоянный блок для предоставления физических сигналов, поэтому используется физический сигнальный блок. Этот блок используется для создания непрерывного физического сигнала.

Простая передача

Этот блок используется для задания фиксированного передаточного отношения. Это механический компонент, и его можно обойти, но он дает пользователям возможность регулировать скорость транспортного средства в зависимости от оборотов двигателя.

Тестирование работы модели электромобиля

После проектирования схемы остается только ее протестировать. Обычно нам нужно поместить осциллографы в любую точку схемы, чтобы измерить нужные параметры. Модуль осциллографа выглядит так, как показано ниже.

Осциллограф может иметь несколько входов, а выход в реальном времени отображается при запуске моделирования. Цикл привода, доступный в настройках по умолчанию, — это ftp75 , который является обязательным динамометрическим испытанием, используемым в качестве отраслевого стандарта. Высокая и низкая скорость делают его хорошим циклом привода для проверки параметров трансмиссии. Цикл привода FTP75 показан на следующем рисунке.

Но мы будем использовать цикл ECE Extra-Urban Driving, поскольку это всего лишь цикл вождения продолжительностью 400 с с более плавными ускорениями. На изображении ниже показано, как скорость автомобиля будет меняться с течением времени. На изображении выше показаны скорость, ускорение и переключение передач с течением времени. Нижний график показывает выходные данные в реальном времени во время нашей симуляции.

Изображения ниже получены во время моделирования Matlab, которое показывает ток, используемый двигателем с течением времени. Первое изображение выше показывает, как ток увеличивается при запуске двигателя, это изображение предоставлено для того, чтобы показать возможности и производительность обработки MATLAB, продолжительность времени между каждым скачком составляет всего 0,001 секунды или 1 миллисекунду. График внизу показывает график тока по времени за период 120 секунд. Он показывает, как значение тока медленно уменьшается, когда транспортное средство движется с постоянной скоростью.

Заключение

Matlab — это мощный математический инструмент, который можно использовать для проектирования, тестирования и проверки различных типов электрических и электромеханических систем. Модель электромобиля, которую мы создали, предназначена только для демонстрации возможностей этого мощного инструмента и помощи в начале работы с Simulink. С помощью этих инструментов вы можете создать значительно более сложную модель, которая будет содержать как можно больше параметров и наборов данных, чтобы повысить точность результата. В заключение следует сказать, что большой набор данных, высокая вычислительная мощность и простой пользовательский интерфейс делают Matlab Simulink очень хорошим инструментом для проектирования, тестирования и моделирования вашего проекта без его фактического создания.

20 просмотров