自動車の電気システムと室温調節システム

この例では、電気システムを含む車両の室温調節システムをモデル化する方法を説明します。モデルを使用して、車両の電気システム全体に対する室温調節システムの負荷の影響を調べます。

室温調節システム

室温調節システムのモデルを開くには、ClimateControlSystem サブシステムをダブルクリックします。次の設定を指定できます。

• 車内温度 – UserSetpointInCelius という名前の Subsystem ブロック。温度値を入力します。

• 車外温度 – ExternalTemperatureInCelius という名前の Subsystem ブロック。温度値を入力します。

Thermometer Display という名前の Display ブロックにより、運転者の頭部後方にあるセンサーの温度読み取り値が提供されます。室温制御をアクティブにしてモデルを実行している間、この読み取り値は運転車が感じる温度を示します。

Stateflow® コントローラー

この制御システムは、Stateflow® で実装されています。Temperature Control という名前の Stateflow チャートをダブルクリックして、監視制御ロジックの実装を表示します。

Heater_AC ステートは、設定点温度が現在の車内温度より少なくとも 0.5℃高い場合、ヒーター システムがオンに切り替わることを示します。ヒーターは、現在の車内温度が設定点温度の 0.5℃以内になるまでアクティブなままになります。設定点温度が現在の車内温度より少なくとも 0.5℃低い場合、エアコンがオンになり、車内温度が設定点温度の 0.5℃以内になるまでアクティブなままになります。連続切り替えの問題を回避するために、チャートには 0.5℃の不感帯が実装されています。

Blower ステートの送風機の出力は、設定点温度と現在の温度の差に比例します。これにより、温度差に関係なく妥当な時間内に、確実に温度は要求された値に到達します。車内温度が設定点温度の 0.5℃以内に到達すると、システムはオフになります。

空気分配 AirDist と空気再循環 Recyc_Air は、Stateflow チャートをトリガーする 2 つのスイッチによって制御されます。ウィンドウの除霜を促進するために、チャートにはこの 2 つのステート間の内部遷移が実装されています。除霜ステートがアクティブになると、チャートにより空気の再循環がオフになります。

ヒーター モデルとエアコン モデル

ヒーター モデルは、次に示す熱交換器の式から作成されています。

Tout = Ts - (Ts-Tin)e^[(-pi*D*L*hc)/(m_dot*Cp)]

ここで、

• "Ts" = 定数 (ラジエーター壁面温度)

• "D" = 0.004 m (チャネル直径)

• "L" = 0.05 m (ラジエーターの厚さ)

• "N" = 30000 (チャネル数)

• "k" = 0.026 W/mK = 定数 (空気の熱伝導率)

• "Cp" = 1007 J/kgK = 定数 (空気の比熱)

• 層流 (hc = 3.66(k/D) = 23.8 W/m2K)

このモデルでは、ヒーター フラップの効果が考慮されています。送風機の動作と同様に、ヒーター フラップの出力は設定点温度と現在の温度の差に比例します。温度差が大きくなるほど、ヒーター フラップがより大きく開き、暖房効果がより大きくなります。

エアコン (AC) システムは、室温調節モデルが車両の電気システム モデルと相互作用する 2 か所のうちの 1 つです。AC システムがアクティブになると、コンプレッサーは車両のエンジンに負荷をかけます。モデルには、AC の最終温度を判定する次の方程式が実装されています。

y*(w*Tcomp) = m_dot*(h4-h1)

ここで、

• "y" = 効率

• "m_dot" = 質量流量

• "w" = エンジンの回転数

• "Tcomp" = コンプレッサー トルク

• "h4"、"h1" = エンタルピー

このモデルには、AC システムのバンバン制御が実装されています。エンジンの回転数とコンプレッサー トルクにより、AC からの送風温度が制御されます。

車内の熱伝導

運転者が感じる空気温度は、次の要因の影響を受けます。

• 通気口から出る空気の温度

• 外気温度

• 乗車人数

これらの要因の値が、車内の熱力学モデルへの入力になります。モデルでは、通風口から出る空気の温度を考慮しており、通風口から出る空気の温度と現在の車内温度との差を計算し、その結果にファンの回転数比 (質量流量) を乗じます。次に、車内の 1 人につき 100 W のエネルギーを加えます。最後に、車外から車内に放射される空気を考慮し、外気温度と室内空気温度の差に、小さい方の質量流量を乗算します。

Thermometer Display は、内部の動的モデルの出力を提供します。この出力は、運転者の頭部後方にあるセンサーの温度読み取り値です。

電気システム

この電気システムは、アイドル回転数における車両をモデル化します。PID コントローラーにより、車両のオルタネーターが必要な回転数で確実に動作します。このオルタネーターは、出力電圧を制御するためにその界磁電流が調整される同期機によってモデル化されます。オルタネーターの出力は、その後、3 相 6 パルス整流器ブリッジに入力され、バッテリーの充電に必要な電圧を供給します。バッテリーは車両の DC 母線に電圧を供給します。

DC 母線電圧は、室温調節の室温調節ファン、フロントガラスのワイパー、およびラジオに入力されます。設定点温度と現在の車内温度との差が減少すると、ファンの回転数および DC 母線の負荷も減少します。電気システム内のフィードバックにより、DC 母線電圧が調整されます。

車両の電気システムの追加モデルでは、エンジンの回転数を変化させることができます。エンジン速度を変更すると、DC 母線電圧にどのように影響するかがわかります。