真·simulink车辆仿真基础教程-这玩意真不难：仿真基础知识（1）

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问大家一个问题，你认为要做一个车辆的仿真模型最大的难点是什么？

最近后台有铁子问，“我零基础，需要做一个简单的车辆仿真模型，我该从哪些方面入手？”



我告诉他，“你先别愁，建立这种基础的模型其实简单的很，不需要多高深的理论基础，也不需要多精通软件使用技巧。”

这个铁子一个鲤鱼打挺，“真的吗？”

“那当然”

“那你快告诉我，完成一个仿真模型需要怎么做呢？”

“你听我慢慢……”



在这个系列，我打算做成基于simulink车辆动力经济性仿真建模的基础教程。

有多基础？手把手让你从不会到……到什么程度我就不好说了，我会尽可能把完整建模过程展示出来。你们照着葫芦画瓢，应该能把模型搞出来。

将通过10篇左右的文章详细介绍通过Matlab/Simulink建立车辆模型的方法， 大概的内容是这样的。当然，以实际更新内容为准。



说明一下哈，这个系列是Matlab/Simulink车辆建模基础教程、基础教程、基础教程。介绍的是以纯电车为例的车辆仿真模型建立的理论及方法，只实现基本的仿真逻辑。

零基础接触车辆仿真，或者因为搞毕设疯狂挠头的铁子可以看一下，比较熟悉仿真或者做工程仿真应用的铁子可以关了。



不关是吧，那你看到最后给我点个“在看”吧。

本文先介绍需要了解的基础知识，这里我将其分两类：一是汽车理论的相关知识，二是仿真软件使用的相关知识。



汽车理论基础知识

既然介绍基础知识，我就从最基础的开始讲。

什么？汽车理论你都倒背如流了？那你也可以关了。

你不关是吧，那你接着看吧。



汽车是一个复杂系统，为了充分描述其运动特性，需要用大量的力学及运动学方程。

我知道你一听到力学及运动学就头秃，但是你先别秃。

我们只讨论车辆驱动的基本原理，而动力经济性仅限于纵向的一维运动。所以别慌，真用不到几个公式。

在介绍公式之前你需要先了解下你做模型最终的目标-即模型的输出是什么。

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汽车动力性定义与评价指标

汽车动力性概括来讲，是指汽车在良好路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向外力决定、所能达到的平均行驶速度。通常用最高车速、爬坡能力、加速时间表征。

①最高车速

指在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度。

对于纯电动汽车，最高车速又分为1km最高车速及30min最高车速。

1km最高车速：电动汽车能够往返各持续行驶1km以上的距离的最高车速的平均值，衡量的是车辆的瞬态能力。通常受限于两方面的因素：一是车辆牵引力与阻力的平衡状态；二是驱动系统最高转速与传动系统传动比的匹配状态。

30min最高车速：电动汽车能够持续行驶30min以上的最高平均车速，衡量的是车辆的稳态能力。除上述两方面因素外，还受驱动系统稳态工作能力、储能系统稳态输出能力的限制。

你们做毕设或者课设通常用不到30min最高车速，当然也不绝对，所以可以简单了解下。

②爬坡能力

指车辆以某一恒定速度所能克服的最大坡度。

坡度通常用百分比（%）表示，即坡度角的正切（tan）值。将坡度及坡度角概念混淆，这也是许多初学者容易犯的错误。

③加速时间

指车辆在水平良好的路面上从速度V1加速到速度V2所需要的时间，通常包括起步加速时间（V1=0）和超越加速时间（V1≠0）。

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汽车经济性定义与评价指标

汽车的经济性是指车辆行驶一定距离所消耗的能量，或者车辆消耗单位能量所能行驶的距离，通常用能耗和续驶里程表征。

对于燃油汽车，通常用行驶100km的油耗（L/100km）来评价车辆经济性。

对于纯电动汽车，通常用行驶100km的电耗（kwh/100km）和纯电续驶里程（km）来评价车辆经济性。

对于混合动力汽车，通常用行驶100km的加权油耗（L/100km）和纯电纯电续驶里程（km）来评价车辆经济性。

了解了车辆的评价指标，在建立模型时你就知道你建模的终极目的—即模型的最终输出是什么了。

当然，这个系列里我们只用到纯电动车的指标，其他的稍微了解下即可。

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车辆的行驶阻力

车辆阻力包含空气阻力、轮胎滚动阻力、传动系阻力、坡道阻力和加速阻力。这里只讨论基本的汽车运动方程，不讨论传动系阻力。

当车辆在路面上匀速行驶，所受阻力用公式描述如下。（这个公式挠破头也得背下来！）



看到这里，可能有铁子要问了，我要考虑车辆动态特性，加速时受到的阻力呢？先别急，我们放在后面谈。

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车辆的驱动力

假设你站讲台上开始答辩了，这时候老师问了个问题：车辆的直接驱动力来自于什么？

你想这题我会，然后脱口而出：发动机或驱动电机！

恭喜你，歪沟里去了，准备好接受老师春风化雨般的谆谆教诲吧。

车辆的驱动力由驱动单元的转矩产生，通过传动系传递到驱动车轮后，由地面对驱动轮产生的反作用力驱动车轮，此外力称为汽车的驱动力。

车辆纵向的运动状态，取决于车辆驱动力Ft和阻力Fr之间的关系，有以下三种情况：



车辆的驱动力按下式计算（这个公式也得背下来）：



同时车辆的驱动力受限于轮胎与地面的附着力，对于简单的模型，可以不考虑滑转状态。



车辆运动状态描述

那么我们知道了车辆的阻力、知道了车辆的驱动力，车辆的运动状态怎么描述呢。

这时候我们就要请出牛大爷，哦不，牛顿第二定律了。

物体的加速度怎么求？



对于运动的车辆来说，这个F等于什么呢？

等于驱动力-行驶阻力，即



质量m又等于什么呢？等于车辆质量？

你如果点头，那恭喜你又翻沟里去了。



这里的m应该是惯性质量，它等于车辆质量+旋转部件的等效惯量质量。

车辆质量是已知的，等效惯量质量怎么求呢？

复杂点的，我们可以计算汽车旋转部件等效惯量质量的和。当然做这种简易模型没必要，可以通过下式计算：



这里δ是等效旋转质量换算系数，通常取0.05~0.1。

所以车辆加速公式就可以写成：



车速呢？对加速度求积分。

里程呢？对车速求积分。

简单吧！是不是感觉自己又行了？

可以说，汽车理论中你只要了解动力经济性的定义及评价指标的定义，掌握阻力与驱动力的公式，就足够你完成一个基础的车辆纵向动力学模型时使用了。

那电机与电池呢？也这么简单吗？