MATLAB 在基于模型設(shè)計上的應(yīng)用已經(jīng)廣受認可。從 2016 年開始 MATLAB 推出了 Powertrain Blockset 用于車輛縱向動力學(xué)仿真，2018 年推出了 Vehicle Dynamic blockset 用于車輛整車動力學(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、底盤控制和自動駕駛?以及在建模過程中各個組件的參數(shù)含義。

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

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

本系列會分為 5 個步驟：

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。并進行整車仿真。

Step5:

自定義自動駕駛運行場景，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 中提供了幾個標準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 組織起來的一個完整的雙移線工況測試場景模型。

主模型中有 4 個主要部分。一個是車輛的測試環(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，最后有一個顯示的 visualization 模型。

進入 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。我們需要把其動力系統(tǒng)改成純電動汽車的動力系統(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，抓住每個模塊的輸入輸出信號內(nèi)容。

對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛動力系統(tǒng)，動力源發(fā)動機模型的輸入是 VCU 過來的扭矩需求和發(fā)動機當(dāng)前狀態(tài)的轉(zhuǎn)速，輸出則是發(fā)動機實際的扭矩，該扭矩傳遞給動力系統(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)動機端的扭矩)以及變速器當(dāng)前轉(zhuǎn)速，計算變速器傳遞給傳動系統(tǒng)的扭矩。VCU 包括發(fā)動機控制器和變速器控制器，功能是完成根據(jù)駕駛員踏板信息計算車輛需要的驅(qū)動扭矩，繼而發(fā)送給發(fā)動機相應(yīng)的扭矩需求。TCU 則是根據(jù)車輛狀態(tài)，通過換擋測量計算當(dāng)前時刻的擋位。

對于純電動汽車，動力系統(tǒng)，從發(fā)動機和變速器變成了電機與電池。電機在 VCU 的扭矩需求指令下輸出相應(yīng)的電機扭矩，并通過效率查表計算當(dāng)消耗電功率，從而計算出電流。電池模型則是根據(jù)電流大小以及工作環(huán)境溫度計算出當(dāng)前電池的狀態(tài)信息，包括電壓、電流、電池 SOC 等。計算出這些信息是因為VCU需要根據(jù)電池狀態(tài)來計算電機輸出扭矩的上下限，從而給電機發(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)動機模型轉(zhuǎn)成電氣動力系統(tǒng)模型，并刪除變速器及變速器控制器模塊。并重新設(shè)計 VCU 模塊

要點1. 電機模型

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

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

要點2.電池模型

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

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

注意這個電池模型是個穩(wěn)態(tài)模型，只能表達穩(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態(tài)響應(yīng)特性特征，可以選用等效電路模型建模。

要點3.純電動汽車VCU能量管理策略

純電動汽車 VCU 功能，扭矩管理、電池電機協(xié)調(diào)管理、充電管理、故障診斷、安全監(jiān)控等功能。能夠準確判斷并反映駕駛員的駕駛意圖，實現(xiàn)驅(qū)動和能量回收工況下的扭矩請求和限制保護。其中的核心，能量管理策略的實現(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部分，

1.根據(jù)加速踏板信號(百分比信號)計算需求扭矩;

2. 根據(jù)制動踏板信號(百分比信號)計算需求制動壓力;

3. 將需求扭矩轉(zhuǎn)化為電機扭指令或者制動扭矩指令。

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算可以利用的電機扭矩。在能量回收策略計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算需要的電機扭矩輸出。

一二部分的功能實現(xiàn)可以做成一個簡單的數(shù)學(xué)計算，將百分比信號乘以最大電機扭矩即可得到扭矩需求。

我們詳細查看一下能量回收部分

能量回收部分主要是計算制動需求扭矩與電機可以提供的最大發(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)電的扭矩就會發(fā)送給電機需求扭矩(發(fā)電時，該指令為負)，剩余部分發(fā)給機械制動器。

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

要點4.傳動系統(tǒng)部件的建模

傳動系統(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、阻尼的傳動模型。因此相關(guān)參數(shù)基本都是彈簧、阻尼、慣量、傳動比及其衍生信息。這里不作贅述。

結(jié)論

車輛縱向動力學(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系統(tǒng)以及整車 VCU 的功能(整車 VCU 功能包含很多，其中一個核心內(nèi)容就是整車的能量管理策略。)完成了整車的縱向動力學(xué)建模。

從以上的例子中，我們也會得到一些建模經(jīng)驗：

1. 在搭建車輛部件模型時，需要抓住每個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，那么在電機和電池建模時，盡量避免使用用于電機開發(fā)和電池BMS開發(fā)用的詳細電機、電池模型。

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

文章出處：【微信公眾號：MATLAB】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅