手把手教你学Simulink--永磁同步电机转矩脉动抑制场景示例：电机-电池联合仿真与热管理分析

基于Simulink的电机-电池联合仿真与热管理分析，通过多物理场耦合建模（电磁-电化学-热）、转矩脉动与电池保护的协同抑制、动态热平衡调控，可实现“低脉动、长寿命、高可靠”的系统级优化。本文将手把手带你完成“联合建模→协同抑制→热管理验证”全流程，聚焦电动汽车驱动场景。

二、问题本质：电机-电池联合系统的“三大耦合关系”与“热管理挑战”

1. 核心耦合关系

耦合类型	物理机制	影响
转矩脉动→电流谐波	脉动转矩Tripple导致电流iq含谐波分量	电池电流THD↑（>15%），内阻损耗↑
电流谐波→电池发热	谐波电流Ih引发附加焦耳热Pbat=Ih2Rbat	电池温升↑（>5℃），寿命↓（循环次数↓20%）
电机/电池发热→系统效率	绕组/逆变器/电池温度↑→电阻/内阻↑→损耗↑	系统效率↓（>3%），续航里程↓

2. 热管理的“核心目标”

温度控制：电机绕组<130℃（绝缘等级B）、电池<45℃（磷酸铁锂安全阈值）、逆变器<85℃（IGBT结温）；
寿命均衡：通过热管理平衡电机与电池老化（如高温时优先限制电机功率，保护电池）；
效率优化：在温度允许范围内，最大化电机效率与电池充放电效率。

三、应用场景：电动汽车驱动系统的“NEDC工况”联合仿真

选电动汽车驱动用PMSM+三元锂电池组作为场景——需满足“转矩脉动<3%（平稳性）、电池电流THD<5%（长寿命）、关键部件温度<安全阈值（可靠性）”：

电机参数：额定功率150kW，额定转速3000rpm，极对数p=4，Ld=0.8mH，Lq=1.5mH，ψf=0.18Wb，绕组电阻Rs=0.05Ω；
电池参数：三元锂电池组（400V，60Ah），内阻Rbat=0.05Ω，容量衰减模型：Qloss=0.001×(T−25)2×Ncycle（T为温度，Ncycle为循环次数）；
测试工况：NEDC综合工况（城市/高速循环，含加速、巡航、制动），模拟实际驾驶负载；
优化目标：对比“孤立控制”与“联合控制”下的转矩脉动、电池损耗、温升。

四、建模与实现步骤

用Simulink搭建电机-电池联合仿真平台，核心是“多物理场耦合建模→转矩脉动与电池保护协同→动态热管理调控”。

第一步：搭建基础模块（Simulink组件清单）

基于Simscape Electrical（电机/逆变器/电池）+Simscape Thermal（热模型）+Control System Toolbox（协同控制），关键模块：

模块类型	具体模块	参数设置
PMSM模型	`Permanent Magnet Synchronous Machine`	150kW，4极，Ld=0.8mH，Lq=1.5mH，ψf=0.18Wb
电池模型	`Battery Equivalent Circuit`	三元锂，400V/60Ah，Rbat=0.05Ω，SOC-OCV曲线导入
逆变器模型	`Three-Phase Bridge`	IGBT开关频率10kHz，死区时间2μs
热模型	`Thermal Network`（电机/逆变器/电池）	热阻/热容参数（如绕组热阻3℃/W）
协同控制模块	转矩脉动抑制（谐波注入）+电池电流滤波+热管理协调	模块化设计，支持策略切换

第二步：多物理场耦合建模（核心！）

1. 电机-电池电气耦合（转矩脉动→电流谐波→电池发热）

电机输出：电磁转矩Te=Tavg+Tripple（Tavg为平均转矩，Tripple为脉动分量）；
电流谐波：转矩脉动导致iq含5次谐波（iq5=0.2Iq1sin(5ωt)），总电流ibat=iq+id（电池输出电流）；
电池发热：内阻损耗Pbat=ibat2Rbat，温升ΔTbat=Pbat×Rth_bat（Rth_bat为电池热阻）。

Simulink实现（MATLAB Function）：

function [i_bat, P_bat, T_bat] = battery_model(iq, id, R_bat, R_th_bat, T_amb)  
    % 输入：q/d轴电流iq/id，电池内阻R_bat，热阻R_th_bat，环境温度T_amb  
    % 输出：电池电流i_bat，发热功率P_bat，电池温度T_bat  
    i_bat = sqrt(iq^2 + id^2);  % 三相电流合成（简化）  
    P_bat = i_bat^2 * R_bat;     % 焦耳热  
    T_bat = T_amb + P_bat * R_th_bat;  % 热网络计算温升  
end

2. 热模型（电机/逆变器/电池热耦合）

电机热模型：绕组损耗Pcu=3Is2Rs→热阻网络（绕组→外壳→环境，Rth_w=3℃/W）；
逆变器热模型：IGBT开关损耗Psw=0.5VceIcfsw→热阻网络（IGBT→散热器→环境，Rth_inv=2℃/W）；
电池热模型：见上文battery_model，与电机/逆变器共享冷却液（耦合热阻Rth_coupling=1℃/W）。

Simulink实现（Thermal Network模块）：

节点：绕组、外壳、IGBT、散热器、电池、环境；
热阻：Rth_w=3℃/W，Rth_inv=2℃/W，Rth_coupling=1℃/W；
热容：Cth_w=100J/℃（绕组），Cth_bat=500J/℃（电池）。

第三步：协同控制策略实现（转矩抑制+电池保护+热管理）

1. 转矩脉动抑制（谐波注入法）

向q轴电流注入反向谐波（5次、7次），抵消脉动转矩：

iq_ref=iq_avg+iq5+iq7,iq5=−0.2iq_avgsin(5ωt),iq7=−0.15iq_avgsin(7ωt)

Simulink实现（MATLAB Function）：

function iq_ref = torque_ripple_suppression(iq_avg, omega, t)  
    % 输入：平均q轴电流iq_avg，电角速度omega，时间t  
    % 输出：抑制脉动后的iq_ref  
    iq5 = -0.2*iq_avg*sin(5*omega*t);  % 5次反向谐波  
    iq7 = -0.15*iq_avg*sin(7*omega*t); % 7次反向谐波  
    iq_ref = iq_avg + iq5 + iq7;  
end

2. 电池电流滤波（降低THD）

用二阶低通滤波器（截止频率50Hz）滤除电池电流谐波，减少析锂效应：

ibat_filtered=s2+2ζωcs+ωc2ωc2ibat

（ωc=2π×50rad/s，ζ=0.707为阻尼比）

3. 动态热管理策略（协调电机/电池温度）

温度监测：实时采集绕组温度Tw、电池温度Tbat、散热器温度Ths；
分级调控：
- 预警（Tw>100℃或Tbat>40℃）：降低电机功率10%；
- 限功（Tw>120℃或Tbat>45℃）：限制电机输出转矩至80%额定值；
- 紧急停机（Tw>150℃或Tbat>50℃）：切断逆变器输出。

Simulink实现（Stateflow状态机）：

% 热管理状态转移逻辑（Stateflow）  
if T_w < 100 && T_bat < 40  
    state = "正常"; power_limit = 1.0;  
elseif T_w < 120 && T_bat < 45  
    state = "预警"; power_limit = 0.9;  
elseif T_w < 150 && T_bat < 50  
    state = "限功"; power_limit = 0.8;  
else  
    state = "停机"; power_limit = 0;  
end