手把手教你学simulink实例--电动汽车场景实例（102.15）：Simulink在电动汽车电磁辐射评估与防护设计仿真中的应用
目录
Simulink在电动汽车电磁辐射评估与防护设计仿真中的应用
1. 系统架构
1.1 系统组成
2. 搭建Simulink模型
2.1 创建Simulink模型
2.2 搭建电磁源模型
2.3 搭建传播路径模型
2.4 搭建接收端模型
2.5 搭建屏蔽材料模型
2.6 搭建用户界面模块
3. 电磁辐射评估与防护设计仿真
3.1 设置仿真场景
3.2 数据采集与分析
4. 性能评估
4.1 电磁辐射评估
4.2 屏蔽效能评估
4.3 干扰抑制评估
5. 示例代码
6. 总结
Simulink在电动汽车电磁辐射评估与防护设计仿真中的应用
随着电动汽车的应用越来越广泛（The widespread adoption of electric vehicles）, their electromagnetic compatibility（Electromagnetic Compatibility, EMC） issues have increasingly garnered attention from the industry and public alike. These vehicles feature motors, inverters, and other power electronic components that exhibit strong electromagnetic radiation characteristics, which may interfere with internal electronic systems and external environments. By leveraging Simulink tools, it is possible to establish a comprehensive electromagnetic radiation assessment and protection design simulation platform. This platform can be utilized to investigate the mechanisms of electromagnetic radiation generation and validate as well as optimize protective measures.
以下是基于Simulink实现电动汽车电磁辐射评估与防护设计的具体步骤说明：第一步是搭建电动汽车电磁系统模型；第二步是导入并配置相关参数；第三步是利用Simulink工具进行电磁辐射仿真；第四步是设置并运行防护算法；第五步是对仿真结果进行分析与验证；第六步是根据分析结果优化系统设计；第七步是完成整个系统的验证测试流程。
1. 系统架构
1.1 系统组成
- 电源模型：主要由电机、逆变器以及高频组件构成。
- 传播特性分析模型：研究电磁波在不同环境下的传播特性和规律。
- 接收系统建模：仿真分析车内及外部设备上的接收天线性能。
- 屏蔽性能评估模型：研究屏蔽材料对电磁场的抑制能力及其分布情况。
- 人机交互界面设计模块：实现系统的状态显示功能并支持参数配置
2. 搭建Simulink模型
2.1 创建Simulink模型
打开Simulink：打开MATLAB并启动Simulink，并创建一个新的模型文件（ev_emc_simulation.slx）。
添加必要的模块库 ：
- SimScape Electrical 工具集与 Antenna Toolbox 工具集：该工具集包括 SimScape Electrical 和 Antenna Toolbox 两个模块。
- DSP System Toolbox 工具箱：此工具箱专为数字信号处理和数据分析设计。
- Control System Toolbox 软件包：提供一套完整的控制系统设计解决方案。
- Optimization Toolbox 软件包：支持高效的电路优化与屏蔽设计。
- Simulink Extras 工具包：此附加模块提供了丰富的可视化工具以帮助绘制示波器并显示系统状态。
2.2 搭建电磁源模型
电机模型 ： 描述电机运行时产生的电磁辐射。
* 包括谐波电流、磁场分布和高频噪声。逆变器模型 ： 模拟功率开关器件（如IGBT或SiC MOSFET）的开关动作。
* 包括开关频率、脉宽调制（PWM）信号和电磁干扰（EMI）。其他高频器件模型 ： 模拟车载充电机、DC/DC变换器等设备的电磁辐射。
* 包括高频纹波和寄生参数。2.3 搭建传播路径模型
自由空间传播模型 ： 描述电磁波在自由空间中的衰减特性。
* 使用 Friis 公式计算传播损耗。车内传播模型 ： 模拟电磁波在车内的反射、折射和吸收效应。
* 包括车身结构和内饰材料的影响。外部环境传播模型 ： 描述电磁波对外部环境的影响。
* 包括地面反射和多径效应。2.4 搭建接收端模型
车内电子设备模型 ： 模拟车内敏感电子设备的抗干扰能力。
* 包括接收天线增益和频响特性。外部环境模型 ： 模拟外部环境中其他车辆或设备的干扰情况。
* 包括频谱分析和干扰强度。2.5 搭建屏蔽材料模型
屏蔽效能模型 ： 描述屏蔽材料对电磁波的衰减能力。
* 包括屏蔽层厚度、导电率和磁导率。滤波器模型 ： 模拟滤波器对高频干扰的抑制效果。
* 包括低通、高通和带通滤波器。2.6 搭建用户界面模块
显示系统运行状况 ： 通过 Simulink Extras 中的功能模块 Scope ，动态呈现重要参数（包括电磁场强度、频谱分布以及屏蔽效能等关键指标）。
在 Simulink 中集成 Slider 和 Constant 模块组，支持用户配置工作场景并调节参数设置。
3. 电磁辐射评估与防护设计仿真
3.1 设置仿真场景
正常工况测试 ：
评估系统在其典型驾驶条件下的电磁辐射性能。如模拟城市道路中的电磁环境。
极限工况测试 ：
测试系统在高功率运行或高频干扰条件下表现出色。具体而言，在模拟快速充电和急加速过程中表现优异。
防护措施测试 ：
评估不同屏蔽材料及滤波装置的作用效果。例如，在实际应用中可模拟采用金属屏蔽罩或实施抗干扰措施。
3.2 数据采集与分析
实时数据采集 ：主要依赖于 Simulink Real-Time Explorer 或者其他相关工具来进行仿真数据的采集
数据分析 ：
* 分析电磁场强度、频谱分布和干扰程度。
* 验证防护措施的有效性。日志记录 ： 将仿真结果保存为日志文件，便于后续分析和报告生成。
4. 性能评估
4.1 电磁辐射评估
计算电磁场强度 ： 统计车辆内外的电磁场强度。
* 强度越低，系统性能越好。分析频谱分布 ： 观察电磁辐射的主要频率成分。
* 主要频率越少，干扰越小。4.2 屏蔽效能评估
统计衰减量 ： 计算屏蔽材料对电磁波的衰减能力。
* 衰减量越大，屏蔽效果越好。分析防护成本 ： 权衡屏蔽材料的成本和效果。
* 成本效益越高，设计方案越优。4.3 干扰抑制评估
评估车辆内关键电子设备在电磁环境中的抗干扰能力： 通过实验手段对车载关键电子设备的抗干扰性能进行检测与分析。
- 具备更强的抗干扰能力将有助于提升整车系统的可靠性水平。
5. 示例代码
以下是一个简单的屏蔽效能计算函数的Simulink实现示例：
matlab
深色版本
% 定义屏蔽效能计算函数
function [shielding_effectiveness] = calculate_shielding(frequency, material_conductivity, material_thickness)
% frequency: 电磁波频率 (Hz)
% material_conductivity: 屏蔽材料导电率 (S/m)
% material_thickness: 屏蔽材料厚度 (m)
mu_0 = 4 * pi * 1e-7; % 真空磁导率
sigma = material_conductivity;
d = material_thickness;
f = frequency;
% 计算屏蔽效能
shielding_effectiveness = 20 * log10(exp(-pi * f * mu_0 * sigma * d));
end6. 总结
通过上述步骤, 我们达成了基于Simulink的电动汽车电磁辐射评估与防护设计仿真的目标. 该平台系统性地分析了电磁辐射的产生机制, 并通过优化设计提升了系统的电磁兼容性和安全性.
未来工作可以包括：
- 引入智能算法：基于人工智能技术具备更强的电磁辐射预测与防护设计能力。
- 扩展功能：支持多种车型及不同工况下的系统运行需求。
- 实验验证：将仿真平台部署至实际硬件系统中完成性能测试分析。