滑铁卢大学利用基于模型的设计开发了屡获殊荣的燃料电池技术
挑战
解决方案
结果
- 便于沟通
- 节省大量设计时间
- 创新技术
“如果没有Simulink，我不相信会有任何方法来开发可执行规范到相同的细节级别，或者如此广泛地使用基于模型的设计。”
滑铁卢大学的马修·史蒂文斯
挑战赛X是由通用汽车公司和美国能源部赞助的一项比赛，挑战17个北美学生团队，要求他们在不牺牲车辆性能和安全性的前提下，对雪佛兰Equinox进行重新设计，以减少排放和燃料消耗。
滑铁卢大学的替代燃料团队(UWAFT)凭借他们的燃料电池动力汽车设计在为期三年的比赛的第一年获得了总冠军。UWAFT还因其在创建、模拟和分析车辆设计和子系统控制模型方面的杰出成就而获得MathWorks Crossover to Model-Based Design奖。
“我们是唯一一个在动力系统中使用燃料电池的团队，”UWAFT的教员顾问罗伊登·弗雷泽教授说。“基于模型设计的MathWorks软件不仅缩短了我们团队制作原型和模拟汽车系统设计的时间，还使我们能够建立燃料电池技术的可行性。”
挑战
挑战X的第一年专注于车辆设计。参赛者必须使用基于模型的设计在10个月内完成动力总成设计和测试，并必须提交5份主要报告。
滑铁卢大学的团队寻找设计软件，使他们能够在整个项目中使用基于模型的设计——从需求捕获到实现。软件必须通过促进模型重用来加速控制策略的开发。它还必须能够快速学习，并使团队成员能够轻松地共享工作。
解决方案
“MathWorks工具使我们能够模拟各种动力系统，开发精确的工厂模型，测试控制策略，并验证整体设计，”UWAFT的船长马修·史蒂文斯说。
MathWorks提供了MATLAB的培训®,仿真软件®, Stateflow®以及基于Simulink的建模程序PSAT。Stevens评论道:“拥有一个快速学习曲线或学生已经接受过培训的产品是团队成功的关键。”MathWorks工具可以用于设计过程的多个阶段，使学生需要学习的软件程序数量最小化。”
UWAFT开发了400多个PSAT模拟来比较燃料、技术和动力系统的尺寸。优化工具箱™和复杂的实验设计使他们能够了解部件尺寸和车辆性能之间的关系，然后确定最佳的动力总成。
他们使用Simulink开发了燃料电池动力系统的工厂模型，其中包括发动机、电池、燃料电池和一个DC/DC转换器。
MATLAB、Simulink、Stateflow和控制系统工具箱™使他们能够开发混合控制策略(HCS)，这决定了来自燃料电池的功率量。MATLAB帮助他们在特定的驱动周期内找到燃料电池和电池之间的最佳功率分配。
DC/DC变换器提高燃料电池电压并控制来自燃料电池的功率。使用Simscape Electrical™对电路进行建模，该电路由PI控制器控制。该团队利用MATLAB中的波德图和极零图研究了电路的频率响应和稳定性。仿真使他们能够验证正确的操作，确定电路效率，并计算电感器和其他组件的值和额定值。
因为燃料电池可以开启和关闭，它产生了一个不连续的功能，很难用传统方法优化。为了找到最优的控制基准，UWAFT使用了全局优化工具箱，它不需要函数连续。他们还使用深度学习工具箱™来模拟燃料电池电池组中膜的水化作用。
该团队使用嵌入式编码器®目标UWAFT卫星控制器在整个飞行器上使用嵌入式控制器进行目标快速原型。
他们目前正在测试动力总成部件，改进车辆控制策略，将先进的燃料电池集成到车辆中，并研究减轻重量的可能性。
“我们肯定有兴趣在整个比赛中使用其他MathWorks产品，并希望在我们未来的职业生涯中使用许多其他项目，”S2022世界杯八强谁会赢？tevens说。
结果
便于沟通．MATLAB和Simulink环境通过使团队成员能够轻松地交换快捷方式和提示，并通过电子邮件相互发送模型和结果，以供进一步工作，从而提高了效率。
节省大量设计时间．史蒂文斯指出:“Simulink尤其允许UWAFT使用基于模型的设计来比较四种不同的燃料，并在不到10个月的时间内(包括训练时间)设计出一款健壮的燃料电池运动型多功能车和控制策略——这真是一项令人难以置信的壮举。”“如果没有Simulink，我们可能要等到为期三年的竞赛结束，才能在第一年完成所需的工作!”
创新技术．史蒂文斯说:“我们相信，我们的最终产品将是第一款由学生设计的燃料电池汽车，在实现未来里程和效率需求的同时，提供与当今汽车相竞争的性能。”
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