MATLAB 在基于模型設(shè)計(jì)上的應(yīng)用已經(jīng)廣受認(rèn)可。從 2016 年開始 MATLAB 推出了 Powertrain Blockset 用于車輛縱向動(dòng)力學(xué)仿真，2018 年推出了 Vehicle Dynamic blockset 用于車輛整車動(dòng)力學(xué)建模仿真，幫助工程師快速搭建整車模型，并結(jié)合整車、底盤控制器以及自動(dòng)駕駛場景、算法，完成了構(gòu)建虛擬整車模型的工具鏈。

下面我們將以模型案例講解如何快速搭建整車模型用于整車仿真、底盤控制和自動(dòng)駕駛?以及在建模過程中各個(gè)組件的參數(shù)含義。

比如，我們需要驗(yàn)證一個(gè)純電動(dòng)汽車 AEB 功能的模型。這就需要一個(gè)能體現(xiàn)純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力學(xué)性能的模型。如何搭建車輛的物理模型呢?同時(shí)又要如何搭建整車 VCU 模型呢?

我們以這個(gè)下面鏈接的這個(gè)模型來講解如何一步步搭建純電動(dòng)汽車 AEB 仿真測試模型。

本系列會(huì)分為 5 個(gè)步驟：

Step1:

基于 Reference Application，選取合適的整車模型，為接下來自定義打下框架。

Step2:

自定義車輛傳動(dòng)系統(tǒng)模型及整車能量管理策略。

Step3:

構(gòu)建車輛車體、輪胎、懸架模型完成 14 自由度的整車模型。

Step4:

根據(jù)需求增加車輛底盤控制器模型，如 ABS 控制器。并進(jìn)行整車仿真。

Step5:

自定義自動(dòng)駕駛運(yùn)行場景，如 AEB 法規(guī)場景，查看車輛的系統(tǒng)響應(yīng)。

MATLAB

Step1

——從 Reference Application 開始——

快速搭建車輛模型可以選擇從 Vehicle Dynamic Blockset 提供的 Reference Application 中的案例。

在 Reference Application 中提供了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)底盤測試場景下的車輛仿真模型。我們選擇模型 Double Lane Change (雙移線) 的車輛模型。

打開該模型,該模型是用 simulink project 組織起來的一個(gè)完整的雙移線工況測試場景模型。

主模型中有 4 個(gè)主要部分。一個(gè)是車輛的測試環(huán)境模型，第二是駕駛員模型，第三是車輛模型，第四是車輛控制器 controller 模塊，最后有一個(gè)顯示的 visualization 模型。

進(jìn)入 Visualization 中，雙擊 3D Engine 模塊將 3D engine 設(shè)置為 Enabled，即可將仿真結(jié)果在 3D 場景中顯示

仿真結(jié)果的 3D 顯示如下

DLCReferenceApplication.slx

Step2

自定義車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型及車輛控制器模型

Reference Application 提供的車輛模型是燃油車車輛的模型。我們需要把其動(dòng)力系統(tǒng)改成純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，并需要修改相應(yīng)的整車控制器。

要成功修改車輛動(dòng)力系統(tǒng)模型，需要深度理解建模原理。對于模塊化建模，抓住每個(gè)模塊的輸入輸出信號內(nèi)容。

對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸入是 VCU 過來的扭矩需求和發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的轉(zhuǎn)速，輸出則是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的扭矩，該扭矩傳遞給動(dòng)力系統(tǒng)后面的變速器模型和傳遞系統(tǒng)。變速器的輸入則是根據(jù) VCU 的擋位、輸入扭矩(即發(fā)動(dòng)機(jī)端的扭矩)以及變速器當(dāng)前轉(zhuǎn)速，計(jì)算變速器傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩。VCU 包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和變速器控制器，功能是完成根據(jù)駕駛員踏板信息計(jì)算車輛需要的驅(qū)動(dòng)扭矩，繼而發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的扭矩需求。TCU 則是根據(jù)車輛狀態(tài)，通過換擋測量計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的擋位。

對于純電動(dòng)汽車，動(dòng)力系統(tǒng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器變成了電機(jī)與電池。電機(jī)在 VCU 的扭矩需求指令下輸出相應(yīng)的電機(jī)扭矩，并通過效率查表計(jì)算當(dāng)消耗電功率，從而計(jì)算出電流。電池模型則是根據(jù)電流大小以及工作環(huán)境溫度計(jì)算出當(dāng)前電池的狀態(tài)信息，包括電壓、電流、電池 SOC 等。計(jì)算出這些信息是因?yàn)閂CU需要根據(jù)電池狀態(tài)來計(jì)算電機(jī)輸出扭矩的上下限，從而給電機(jī)發(fā)送合適的扭矩需求指令。

根據(jù)以上建模邏輯，我們把發(fā)動(dòng)機(jī)模型轉(zhuǎn)成電氣動(dòng)力系統(tǒng)模型，并刪除變速器及變速器控制器模塊。并重新設(shè)計(jì) VCU 模塊

要點(diǎn)1. 電機(jī)模型

對于整車層級的電機(jī)建模而言，電機(jī)模型是為了計(jì)算能否按照扭矩需求信息輸出相應(yīng)的扭矩。并計(jì)算電池電流大小。因此電機(jī)的模型不需要考慮電機(jī)細(xì)節(jié)及電機(jī)控制器的內(nèi)容。一方面是輸入電機(jī)的 N-T 特性曲線計(jì)算電機(jī)的輸出扭矩，另一方面是根據(jù)效率查表計(jì)算電池電流即可。

對于想要探討電機(jī)控制策略對整車性能的影響可以參考以下復(fù)雜電機(jī)模型。這里不做過多贅述。

要點(diǎn)2.電池模型

對電池建模的目的就是對 SOC 狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。評估電池放了多少電，從而計(jì)算車的耗電，這個(gè)信息也需要給到 VCU，用于能量管理策略開發(fā)。

可以使用 Datasheet Battery 對電池進(jìn)行建模以滿足以上需求，電池模型根據(jù)電流進(jìn)行時(shí)間上的積分，從而計(jì)算出 SOC 狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)內(nèi)阻和開路電壓對 SOC 和溫度的查表信息計(jì)算出電池的電壓。

注意這個(gè)電池模型是個(gè)穩(wěn)態(tài)模型，只能表達(dá)穩(wěn)態(tài)的橫流充放電的模型。如果需要電池電路充放電的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性特征，可以選用等效電路模型建模。

要點(diǎn)3.純電動(dòng)汽車VCU能量管理策略

純電動(dòng)汽車 VCU 功能，扭矩管理、電池電機(jī)協(xié)調(diào)管理、充電管理、故障診斷、安全監(jiān)控等功能。能夠準(zhǔn)確判斷并反映駕駛員的駕駛意圖，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和能量回收工況下的扭矩請求和限制保護(hù)。其中的核心，能量管理策略的實(shí)現(xiàn)可以查看以下案例的搭建過程。

VCU 的功能模塊組成有以下幾個(gè)部分，

1.根據(jù)加速踏板信號(百分比信號)計(jì)算需求扭矩;

2. 根據(jù)制動(dòng)踏板信號(百分比信號)計(jì)算需求制動(dòng)壓力;

3. 將需求扭矩轉(zhuǎn)化為電機(jī)扭指令或者制動(dòng)扭矩指令。

這一過程要考慮能量回收并根據(jù)當(dāng)前電池充放電的上限計(jì)算可以利用的電機(jī)扭矩。在能量回收策略計(jì)算出能夠回收的扭矩指令后，根據(jù)電池充放電的上線限在計(jì)算需要的電機(jī)扭矩輸出。

一二部分的功能實(shí)現(xiàn)可以做成一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算，將百分比信號乘以最大電機(jī)扭矩即可得到扭矩需求。

我們詳細(xì)查看一下能量回收部分

能量回收部分主要是計(jì)算制動(dòng)需求扭矩與電機(jī)可以提供的最大發(fā)電扭矩作比較，如果知道你該扭矩小于發(fā)電扭矩，那么制動(dòng)扭矩由發(fā)電扭矩提供，如果大于發(fā)電扭矩，那么能用用于發(fā)電的扭矩就會(huì)發(fā)送給電機(jī)需求扭矩(發(fā)電時(shí)，該指令為負(fù))，剩余部分發(fā)給機(jī)械制動(dòng)器。

這里發(fā)電扭矩需要根據(jù)電池 SOC 和車速進(jìn)行能量回收比例的調(diào)整。

要點(diǎn)4.傳動(dòng)系統(tǒng)部件的建模

傳動(dòng)系統(tǒng)部件雖然很多，包括主軸、主減速器、差速器等，但是都是可以簡化成扭轉(zhuǎn)彈簧、慣量、阻尼的傳動(dòng)模型。因此相關(guān)參數(shù)基本都是彈簧、阻尼、慣量、傳動(dòng)比及其衍生信息。這里不作贅述。

結(jié)論

車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型相對于完整的車輛物理模型相對簡單。我們通過更改 Reference Application 中的車輛框架模型，自定義了車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)以及整車 VCU 的功能(整車 VCU 功能包含很多，其中一個(gè)核心內(nèi)容就是整車的能量管理策略。)完成了整車的縱向動(dòng)力學(xué)建模。

從以上的例子中，我們也會(huì)得到一些建模經(jīng)驗(yàn)：

1. 在搭建車輛部件模型時(shí)，需要抓住每個(gè)模塊的輸入輸出信號內(nèi)容。深度理解車輛的系統(tǒng)知識是車輛建模及控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2. 對于不同顆粒度的物理模型，其輸入輸出要與相應(yīng)的控制器輸入輸出相匹配。

3. 對于不同的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)選取不同顆粒度的物理模型。比如，如果需要考察整車控制器的能量管理策略，那么在電機(jī)和電池建模時(shí)，盡量避免使用用于電機(jī)開發(fā)和電池BMS開發(fā)用的詳細(xì)電機(jī)、電池模型。

原文標(biāo)題：MATLAB 手把手 | 五步教你玩轉(zhuǎn)整車建模和自動(dòng)駕駛仿真 (Step 1-2)

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審核編輯：湯梓紅