Arjo van der Ham,Lightyear
“光年一号”是一项了不起的创新:它是一款由太阳能充电的四驱五座电动汽车。这种创新的关键挑战是,在太阳能电池板有限且波动的发电量下,匹配驾驶时所需的能源。MathWorks的万博 尤文图斯解决方案被光年工程师用作“瑞士军刀”,以解决这一挑战,优化从太阳能电池板及其配套电子设备到车辆的能量流。本演讲概述了光年迄今为止的成就,以及它正在进行的使命:为每个人提供清洁的移动。
记录时间:2019年5月20日
欢迎大家。我是Arjo Van der Ham,Co-Fordser和Lightyear的首席技术官。今天标志着Matlab的10年周年纪念日。我想带你透过它,一点点,我们一直在做什么。
这是我所做的第一件事之一。它始于我在埃因霍温大学学习电气工程的第一年。我们使用这种自动化测试脚本来测量双极晶体管的集电极发射极电压。整个岁月,整个年来,我开始真正看到Matlab的附加值作为一个普遍的工具,也在我的个人生活中。
所以我做了很多蒙特卡洛模拟,矩阵中的每个数据点都有1万,来计算在棋盘游戏《Risk》中赢得一场战斗的几率。从那以后我再没输过。所以我只能建议你也这么做,或者做得更聪明一点。
但当然,我们也一直在做更严肃的事情,例如这一点。这是使用该工具进行的用户界面,以控制用于电机逆变器的电源转换器的新拓扑。但是,我还在使用Simscape建模的控制系统建立了许多类似型号的控制系统,该控制系统是一种自由度飞行模拟器的动态,这一类型的东西。
但最后,我用MATLAB最多的是这个。这是我常用的老式台式计算器。我想说的是我把MATLAB看成是工程师的瑞士军刀。只要你说出来,它就能做到。这也是我们目前在“光年”使用它的方式,以实现我们为每个人提供清洁交通工具的使命。请欣赏视频。
地球,我们美丽的小星球 - 一个住的地方,发现,旅行。作为人类,我们一直都喜欢四处走动。几千年来,我们已经使用了母亲自然给我们的能量。我们发现我们可以通过挖掘和燃烧自然创造的内容来进一步越来越快。
而且,现在我们以前从未如此旅行。每年使用化石燃料的总距离距离仅超过9.5万亿公里,一个轻的年份。我们的目标是让人们在2035年之前只使用自然的力量来旅行相同的距离。
我们宣布开发一辆直接使用自然最大的能源来源的汽车。它今天在这里,明天,它将永远在这里。作为这一领域的先驱,我们已经成功地建立了原型。现在,现在是时候巨大的飞跃了。
仅使用太阳能旅行光年度 - 这是我们的使命。
因此,我们的使命是为每个人创造清洁的交通工具。但我们为什么要这么做呢?如果我们看看现在的情况,世界上只有3%的人可以在100公里范围内使用公共充电站。开发充电站确实限制了电动汽车的普及。实际上,解决方案,就像现在每个人提出的,大致是这样的。
所以首先我们必须用可再生能源取代所有的燃煤电厂。我们必须对电网进行重大升级。每个人都必须安装家用电池和太阳能电池板。我们必须在全世界安装大约10亿个充电站。你们所有人还得买电动汽车。
我们提出的是尽可能多地尝试跳过这些昂贵的基础设施投资,并可以从太阳器上从太阳能电池板上直接提供汽车所需的能量,从而从阳光下直接。并向您展示今天已经可能的,我们正在开发Lightyear一个。而Lightyear是一个五座电动汽车。它真的为效率而设计,尽可能高效地驱动。
它在屋顶上有一个太阳能电池板,引擎盖和行李箱。而太阳能电池板将在荷兰提供每年高达10,000公里的范围。如果你去一个阳光灿烂的地方,如果你去西班牙或其他东西,我认为这是约1 1/2倍。如果你去加利福尼亚,它的两倍多。那很好。但是,如果你每天驾驶这辆车,那么这是什么意思?
嗯,想象一下在葡萄牙海岸进行一次冲浪之旅。你沿着海岸开了1100公里。你把后面的长凳折叠起来,把你的冲浪板、自行车、高尔夫球包、滑雪板等等放进去。这一切都符合。如果你花了两周的时间去旅行,你就不用再充电一次了。这就是这种车给用户带来的自由。
当然,我不是自己这样做。所以我们现在在赫尔蒙德的汽车校园里有一个大约130名工程师的团队。它真的是年轻人才和行业经验之间的结合,以实现正确的平衡。
我们从合作伙伴那里得到了很多帮助。特别是,我们努力专注于真正使汽车特别的东西,自己做。和传统的汽车工程材料,我们试图与业界的很多合作伙伴做。
而且,我们也被投资者的帮助,即使是第一个客户也在帮助。到目前为止,我们已经为Lightyear提供了超过80美元的付款。该公司于现在由大约60名私人投资者提供资金。
当然,我认为你们大多数人都是技术人员。所以你在想,我们到底是怎么做到的呢?你是怎么做到的?当然,我要告诉你们一点。第一步是从头开始。
想象一下,蓝色的条是当前电动汽车的能源消耗,黄色的条是太阳能电池板的发电量如果你把它放在传统汽车的形状上。我们真正要做的是将两者匹配起来。我们怎么做呢?还有一些步骤。
所以第一个是车辆打火机,只需使用轻质材料来降低能量消耗。而且因为你这样做,你需要一个较小的电池和较轻的电机来实现相同的性能。所以这辆车甚至更轻。所以你进入了这一向下的轻量化螺旋,这也是在航空航天行业中所知的。
在某种程度上,您可以减少车辆的重量,以便使用轮式电机产生足够的扭矩。而这些车载电机,它们增加了效率,因为您不再需要最终驱动器。你之间不再需要差异。这不仅为您提供了很多空间,而且,在长期来看,更好的维护等,因为车内的零件较少。但它还为我们提供了改善欠款中的空气动力学的设计自由。
此外,我们通过在后轮上添加轮垫来改善空气动力学,也通过用相机更换镜子来改善空气动力学。并且所有在一起,这会带来能量消耗很大。但这还不足以让它匹配。所以你还必须在另一边工作。所以我们在那里有什么,首先,它听起来非常微不足道,但是使太阳能电池板更大。它听起来非常微不足道,但它是你必须从干净的工作表开始的原因之一,并确保这辆汽车有形状将所有这些太阳能电池板放在上面。
此外,我们还提高了将太阳能转化为电池的电子设备的效率。这就是我想深入探讨的,因为我也是一个技术人员,我忍不住要告诉你们。
所以我们将稍微回来,看看我们在整个年份都在太阳挑战中做了如何。在那里,目前的艺术状态看起来像这样。所以我们在车上有一堆太阳能电池。大约有125人将串联连接。然后将有一个将其转换为电池的中央转换器。
这是主要的缺点是,接收最少量的阳光,最弱的电池的电池是限制通过串的电流,用于组中的所有电气工程师。而这些不匹配 - 你从阴影中得到它们,而且来自曲率,因为如果你有这个弯曲的表面,总是有一个电池接收的阳光较少。
因此,我们过去常常建造,为了光线,我们过去常常建造有平屋顶的汽车。这个平屋顶,我们不太喜欢因为它限制了设计师的设计自由,也限制了空气动力性能。所以对我们来说,很清楚。如果我们要开发一辆商用汽车,这是我们需要跨越的桥梁之一,也是我们需要修复的。
首先,这个问题到底有多大?调查的影响有多大的曲率对细胞的数量,我们定义这个分组效率之间的比率的权力从分组细胞和大量的力量,我如果我能够操作每个细胞在其最大功率点。
为了让你一个想法,如果我们有这个斯特拉的这个平坦的屋顶,它最终是一点点曲线。这就是为什么它不是100%。您获得约98.6%的分组效率。如果你有这个非常弯曲的大众甲虫,你就会减掉25%的可用能量,这有点太多,当然是羞耻。解决方案非常简单。您想转到较小的群体,较少的细胞系列。这被称为分布式最大功率点跟踪。
这是怎么做到的呢?大约是这样的。我们有旧的情况,所有的细胞串联起来。然后想象你在这里看到的每个太阳能电池实际上是一小群串联的太阳能电池。假设所有这些组,其中一组接收到的阳光较少因为它是弯曲的或者有阴影,而另外两组,他们各接收到12个阳光。
如果您只需将其连接,则底部组将通过顶部组限制电流。因此,我们只能获得18瓦特。在输出的总可用30瓦的总体上,我们只能在输出处获得18瓦。所以大约一半的能量丢失了。当然,这有点羞耻。
传统的解决方案是放置该旁路二极管。并使用旁路二极管,我们有点关在限制的组。由此,我们允许其他两组将完整的12瓦传送到输出。我们在输出中获得24个,但它仍然不是30。
我们在最大功率点跟踪中要做的就是给每个组添加一个平衡转换器。这些平衡转换器的输出是并联的。然后我们以这样一种方式控制它们,每一个转换器连接到一个更强的组,从强组通过总线得到一点电力。与较弱的组连接的转换器,它们从总线上取回一点能量并将它发送给组,所以最后,来自每组的净功率是相等的。
现在没有电流限制了,我们可以在汽车的输出上得到所有的30瓦,当然,如果我们假设所有的转换都是无损的,不是这样的,但效果不是那么大,我们会看到。在稳定状态下,所有的组都在最大功率点,通过总线的净功率为零。
现在对我们来说,这个问题是,系统很好,但我们现在必须在每个小组中放置多少个细胞之间的效率和成本之间的良好平衡吗?并调查这一点,我们创造了基于Matlab的模型,我们从汽车的CAD文件开始。和此CAD文件,我们使用算法将太阳能电池放在汽车区域上。所以它看起来大致如此。
然后我们使用聚类算法将这些太阳能电池集聚到组。然后,我们将其与典型的模型年天气数据相结合,这是建立工程师使用的相同类型的天气数据,以计算建筑物的高气象等。并使用该数据,我们可以准确地计算每个单独的太阳能电池,辐照度如何进入每个单独的细胞。
利用它,我们可以计算每个太阳能电池的IV曲线。如果我们把它和细胞在组中的位置结合起来,我们就能计算出所有个体组的静脉曲线图。现在群组的IV曲线的最大功率点和细胞的最大功率点之间的比值给出了我们一直在讨论的群组效率。
然后我们遇到了PV的稳态模型,以隔离我们在前一个幻灯片中显示的总线架构以计算测试测试。Beta是由我们添加的转换器处理的权力之间的比率以及通过系统的总电量。并且您需要计算系统的效率。
我也要向您展示这一点,因为我总是喜欢看到算法工作,所以我无法抗拒它进入。那么这个聚类算法如何工作?好吧,我们需要纳入76分,所以所有的太阳能电池都成了八个大小九个或10个群集。我们所做的是,我们首先是随机初始化集群。然后每个群集都可以在其组中选择它想要的单元格。所以现在,我们这样做了几次,你会看到创建的团体。
然而,没有足够的细胞留给每组。因此,我们允许丢失的单元格选择他们想要的哪个组。现在我们有群组,但他们看起来很糟糕,因为实际上,你希望这些小组真正靠近,因为连接在一起的电池具有大致相同的方向。因此,您在该群体中不匹配,您可以获得更好的分组效率。
所以我们现在要做的就是改变所谓的互换提议。所以每一组都可以说,我想把这个单元格和这边的单元格交换一下。如果我们都像这样变得更好,如果群体变小,那么这就是一个好的解决方案,我们就这么做。所以开始交换,你会看到分组变得更加整洁,我们继续交换,直到解决方案不再改进。然后是最后一组。
我们主要使用此算法,因为我们希望调查大量不同的汽车大小的大量不同的汽车。所以你也可以用手做到这一点,但是变得很多工作。对于最后的汽车,我们一旦它是一辆汽车,我们就是用手做到这一点,我们确切地知道群体需要多大,主要是为了优化所有电缆的电气路由,并使其更有效那样。
这个算法,整个模拟,我们用来比较四辆车。当然,我们也计算了轻的那个,但我现在不允许给你们看。所以它不在幻灯片上。
但是我能告诉你的是我们用两辆典型曲率的汽车。并且较轻的曲率与那两个大致相似。所以这是一个菲亚特Punto和特斯拉模型S.然后我们用一辆带有非常平坦的屋顶,斯特拉和一辆汽车的汽车,带有非常弯曲的屋顶,大众甲壳虫。
如果我们比较它们并进行模拟,这就是大致的结果。在下面的坐标轴上,你可以看到每组有多少细胞。这里你可以看到分组效率,也就是我们因为曲率损失了多少能量。首先你会看到,如果我们把一个单元格放在每组中,那么每个单元格都能以最大功率运行,所以根据定义,分组效率是100%。
你还可以看到,如果汽车的曲率增加,分组效率下降得更快,当然,这是我们预期的。如果我们看看多大的权力实际上是被处理的转换器,我们引入了更高效,首先你可以看到在底部,如果你把所有的屋顶上的细胞在一个组,和我没有任何平衡转换器了,所以的力量正在处理是零。曲率越大,处理的能量就越大。
但有趣的是,有趣的是,正在处理的电力总量实际上围绕10%至12%的范围,这意味着这些转换器实际上只处理了小部分的电源,以便在稳态解决方案中获得系统.这意味着该系统对我们推出的新转换器的效率并不敏感。
如果我们查看结果,那么我们已经离开了菲亚特Punto,因为它因为类似的曲率而与tesla完全相同的结果 - 我们可以将旧系统与新系统进行比较,为曲率增加曲率的新系统,可以看到效率实际上是由两个数字组成的。因此,它是分组效率,即关于曲率的效果是多大的分组效率,以及转换效率,这是旧系统的效率,即旧系统的转换器。在底部情况下,转换效率包括该转换器的效率,平衡转换器的效率,以及该β的数字,这些新转换器正在处理多少功率。
如果你比较它们,对于一个平屋顶来说,这个系统完全没有意义。所以不要用它。你是否获得了一点点的分组效率,但是你在转换效率上损失的比你获得的更多。然而,对于更弯曲的车辆,你会发现传统系统的分组效率下降得非常快。然后在转换效率上增加一点实际的损失实际上超过了弥补。
并且总共获得了汽车上的15%的电力输出点。在实践中,这意味着在阳光下每年驾驶8,000公里,这意味着在阳光下每年10,000公里。最终,系统的影响非常重要,最终设计的汽车。如果你走到更多的曲率,那么大众甲壳虫,它甚至是18%的分数。
现在,好的,这一切都听起来很好,当然。但我觉得你们所有人也在想,好的,但是什么时候去看车,什么时候通过市场?好吧,它仍然只覆盖几周。但我们今年6月25日展示了汽车的第一个原型。然后在2020年底,预期第一次交货。在2021年,我们开始升级生产,我们开始了新模型的开始。并给你一点点公司的氛围,我有一个最后一个视频关闭。
哇,你能感觉到嗡嗡声吗?我做的事。女士们先生们,我真的很激动。我觉得这里有蹊跷。我很想看到它变得非常,非常,非常大。
我确实认为再过几年,当你在街上看到这些车时,一个孩子会转过头说,嘿,看,爸爸,一辆来自未来的车!我想现在最好是给你们看光年一号。
和是的。对不起,你仍然要等一点点。但在6月25日,它也将公开展示,汽车将是什么样的。感谢您的关注。
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