真·simulink车辆仿真基础教程-这玩意真不难：仿真基础知识（2）

huangguang

大家好，我是王浮生不怕生。这里是“真·Simulink车辆仿真基础教程”基础知识的第二部分。

本文介绍电机、电池以及Matlab/Simulink软件基础知识。

我发现有些铁子看到电机、电池就犯怵，还没开始了解呢，脑海里就开始涌现安培定则、基尔霍夫定律、法拉第电磁感应定律等等概念，还没开始就上头了，一上头就放弃了，一放弃他们就来找我定做模型了，然后我就可以挣钱了。

诶？？！！那我是不是不应该写这篇文章的？

不写了，我睡了，再见！



想不到吧，我又回来了。

既然写到这儿了，我先告诉你一个坏消息与一个好消息。

坏消息是：电机与电池系统是挺复杂，要搞懂他的控制原理和工作机理不是短时间能搞定的。

好消息是：它们工作原理复不复杂，跟我们做模型没啥关系。

我们做车辆仿真用的模型，自信点可以说绝大多数模型用的是静态模型，也可以叫经验模型，这种模型是以试验数据为基础，通常会忽略其内部机理。

说人话就是，忘掉脑子那些物理、化学公式，做模型时根本用不到。

那我们需要用到啥呢？



电机驱动系统基础知识

建立电机模型你只需要了解以下几个概念即可：功率、转矩、转速的关系，电机的外特性，电机的效率Map。

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功率、转矩及转速的关系

评价一个电机性能时，我们常根据电机的功率、转矩、转速参数来进行评价。

转矩大的电机功率一定大吗？

当然不是，功率既与转矩有关又与转速有关，三者的关系见下式。



玩过斗地主的都知道，ADC输出高不高，不仅仅是看基础攻击力，还要看攻速。电机也一样，功率大不大不仅要看扭矩，还要看转速。



电机的功率、转矩、转速都有峰值、额定之分，但对于你们做简单的模型大概率不会考虑持续状态，所以你们只需要了解峰值状态下的功率、扭矩、转速即可。

这里结合电机外特性介绍会好一些。



电机外特性

什么是电机的外特性，就是电机最大的输出特性，指的是电机全负荷工作时的转矩或功率输出曲线，也分别称为转矩特性和功率特性。

如下图为电机外特性曲线，蓝色为转矩特性曲线，橙色为功率特性曲线；横坐标为转速，纵坐标分别为转矩和功率。



由图示可以看出，当电机全负荷工作时，在转速较低的时候，转矩基本不变，在达到某一转速值后，随着转速升高转矩会逐渐减小。我们通常将这个转矩变化的转速点叫做额定转速，额定转速之前转矩基本不变的区域称为恒转矩区。

功率则是在额定转速点之前会随着转速逐渐增大，当达到额定转速点后，转速升高功率仍基本保持不变。我们将额定转速之后功率基本不变的区域称为恒功率区。

电机从低转速就能以最大转矩输出，这就是电动车起步猛的秘密。



当然，电机实际输出曲线没这么理想，但是其基本趋势是一致的。

通常我们只需要扭矩曲线就够了，如果考虑到回收工况，还需要第四象限的扭矩，如下图所示。



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电机效率MAP

电机效率指的是在某一工作点（转速-转矩）下，输出功率与输入功率之比。

效率MAP指的是若干工作点对应的电机效率的集合，通常用二维表或等高线图表示。





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直流电机、异步电机、永磁同步电机有什么区别

这里我们不讲结构或原理上的区别，从建模角度讲，再具体一点从以经验数据的方式建立简单的车辆仿真模型角度，它们有什么区别？

答：没有！



先记住答案，具体在建模的时候介绍。



电池系统基础知识

电池系统需要了解的概念有点……也没几个！

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电池容量与能量

可以简单理解为电池由满电至端电压降至终止电压时所放出的安培小时数，单位为Ah（1Ah=3600C）

注意不要把电池容量与电池能量混淆，电池能量单位通常是kwh，我们平时说的“XX度电”指的就是电池能量。他们之间可以通过以下公式转换：

电池额定能量（kwh）=电池额定容量(Ah)*额定电压(V)/1000

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电池SOC

电池SOC即电池的荷电状态，指的是电池剩余容量与最大容量之比。SOC无法直接测量，是电池系统需要实时估算的“中间量”，常用的SOC估算方法为安时积分法，就下面这个公式。



左边积分部分是求SOC的变化量，电流对时间的积分是库伦，做模型的时候需要注意单位。

这个公式一定要记住！！一定要记住！！一定要记住！！这个公式可以说是电池模型建立的基础。

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电池单体与电池包

电池单体指的是电池系统中实现化学能与电能转化的最小工作单元，电池单体通过串或并联的方式组成电池包。通常我们说的串并数指的就是电池包中串联单体个数和并联单体个数。

串联增加电压，并联增加容量。电池单体与电池包参数之间的关系请看下题。

问：假设单体额定电压3.2V，额定容量2.5Ah，电池包的串并数100串40并，电池系统的电压、容量、能量怎么求？

系统额定电压=单体电压*串数=3.2*100=320V

系统额定容量=单体容量*并数=2.5*40=100Ah

系统额定能量=系统额定电压*系统额定容量/1000=32kwh

还有吗？没了！

就这么简单？就这么简单！

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磷酸铁锂电池与三元锂电池的区别

同电机，这里我们不讲结构或原理上的区别，从建模角度讲，再具体一点从以经验数据的方式建立简单的车辆仿真模型角度，它们有什么区别？

答：还是没有！



先记住答案，具体也在建模的时候介绍。



Matlab/Simulink基础知识

Matlab是美国Mathworks公司出品的商业数学软件，被广泛用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等领域。主要包含Matlab和Simulink两大部分。

Matlab是一种矩阵/阵列语言，而Simulink是一个模块图环境，是一种图形化语言。

建立整车动力经济性仿真模型时，主要以Simulink环境为主，用Matlab主要用于变量定义及辅助脚本的开发。

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Matlab基础知识

什么？你不会编程？

我们也“妹”说要编程啊，开发简单的仿真模型，对于Matlab环境，你就只需要学会一个语句即可：赋值语句，A=B（将B的值赋值给A）。

除此之外Matlab中的许多数据是以数组的形式存储的，我们在建立基础的车辆仿真模型时，基本只涉及到低维（一、二维）数组，如电机的外特性及效率特性。

在Matlab中，可以通过多种方法创建一维数组。例如以下代码均是在matlab工作空间中创建了包含1、2、3、4、5五个元素的一维数组。
A = [12345];A = [1,2,3,4,5];A = 1:5;A = linspace(1,5,5);
也可以通过多种方式创建二维数组，以下代码均是在matlab工作空间中创建了包含1~9九个元素的二维数组。
A = [12 345 678 9];A = [1 2 3;4 5 6; 7 8 9;];
没了，就这些，做一个基础的仿真模型足够了。

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Simulink基础知识

看到Simulink的各种框框、线条也不用发愁，你就当成玩连连看就行了，Simulink建模的过程就是一个连接信号的过程。

对于Simulink只需要掌握以下常用的模块使用方法，对于简单的模型建立就足够了。



这些模块存放在Simulink模块库中，在Simulink模型界面可以通过点击“库浏览器”选项打开。



这部分知识我们在介绍模型建立方法时穿插讲解，铁子们可以先下载一个软件熟悉下界面