MATLAB 在基于模型設計上的應用已經廣受認可。從 2016 年開始 MATLAB 推出了 Powertrain Blockset 用于車輛縱向動力學仿真，2018 年推出了 Vehicle Dynamic blockset 用于車輛整車動力學建模仿真，幫助工程師快速搭建整車模型，并結合整車、底盤控制器以及自動駕駛場景、算法，完成了構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純電動汽車整車動力學性能的模型。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模型及整車能量管理策略。

Step3:

構建車輛車體、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 法規場景，查看車輛的系統響應。

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 設置為 Enabled，即可將仿真結果在 3D 場景中顯示

仿真結果的 3D 顯示如下

DLCReferenceApplication.slx

Step2

自定義車輛縱向動力學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改成純電動汽車的動力系統，并需要修改相應的整車控制器。

要成功修改車輛動力系統模型，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容。

對于傳統內燃機車輛動力系統，動力源發動機模型的輸入是 VCU 過來的扭矩需求和發動機當前狀態的轉速，輸出則是發動機實際的扭矩，該扭矩傳遞給動力系統后面的變速器模型和傳遞系統。變速器的輸入則是根據 VCU 的擋位、輸入扭矩(即發動機端的扭矩)以及變速器當前轉速，計算變速器傳遞給傳動系統的扭矩。VCU 包括發動機控制器和變速器控制器，功能是完成根據駕駛員踏板信息計算車輛需要的驅動扭矩，繼而發送給發動機相應的扭矩需求。TCU 則是根據車輛狀態，通過換擋測量計算當前時刻的擋位。

對于純電動汽車，動力系統，從發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的電機扭矩，并通過效率查表計算當消耗電功率，從而計算出電流。電池模型則是根據電流大小以及工作環境溫度計算出當前電池的狀態信息，包括電壓、電流、電池 SOC 等。計算出這些信息是因為VCU需要根據電池狀態來計算電機輸出扭矩的上下限，從而給電機發送合適的扭矩需求指令。

根據以上建模邏輯，我們把發動機模型轉成電氣動力系統模型，并刪除變速器及變速器控制器模塊。并重新設計 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及電機控制器的內容。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。

可以使用 Datasheet Battery 對電池進行建模以滿足以上需求，電池模型根據電流進行時間上的積分，從而計算出 SOC 狀態。同時根據內阻和開路電壓對 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態模型，只能表達穩態的橫流充放電的模型。如果需要電池電路充放電的動態響應特性特征，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、電池電機協調管理、充電管理、故障診斷、安全監控等功能。能夠準確判斷并反映駕駛員的駕駛意圖，實現驅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.根據加速踏板信號(百分比信號)計算需求扭矩;

2. 根據制動踏板信號(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當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可以做成一個簡單的數學計算，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電扭矩作比較，如果知道你該扭矩小于發電扭矩，那么制動扭矩由發電扭矩提供，如果大于發電扭矩，那么能用用于發電的扭矩就會發送給電機需求扭矩(發電時，該指令為負)，剩余部分發給機械制動器。

這里發電扭矩需要根據電池 SOC 和車速進行能量回收比例的調整。

要點4.傳動系統部件的建模

傳動系統部件雖然很多，包括主軸、主減速器、差速器等，但是都是可以簡化成扭轉彈簧、慣量、阻尼的傳動模型。因此相關參數基本都是彈簧、阻尼、慣量、傳動比及其衍生信息。這里不作贅述。

結論

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

從以上的例子中，我們也會得到一些建模經驗：

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容。深度理解車輛的系統知識是車輛建模及控制器設計的基礎。

2. 對于不同顆粒度的物理模型，其輸入輸出要與相應的控制器輸入輸出相匹配。

3. 對于不同的應用，應當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和電池BMS開發用的詳細電機、電池模型。

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

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審核編輯：湯梓紅