虚拟车辆不到一年变身纯电动 UTV 越野车
纯电动多功能全地形车助力绿色出行
范德霍尔汽车厂的布劳利 (Brawley™) 是一款纯电动多功能全地形车 (UTV)。UTV 也称为并排式越野车，深受休闲用户、农民和猎人的欢迎。布劳利提供 303 马力的动力，具有 140 英里的续航里程，旨在让用户在穿越沙丘和岩石地段时获得强大而环保的驾驶体验。
在开始设计该车时，范德霍尔的团队遇到了一些困难和障碍。范德霍尔的传统汽油动力汽车基于 General Motors®（通用汽车）的动力总成系统。工程师先将内燃机替换为另一家供应商的电动动力总成系统硬件和软件。尽管电动汽车的动力总成系统更简单，因为部件更少，只有电池、逆变器和电机，但集成各个系统后的效果达不到工程师的预期。
范德霍尔汽车厂的首席技术官 Christopher Johnson 表示：“我们的电动动力总成系统需要与通用汽车的所有其他模块和控制系统进行通信，例如动力转向系统和防抱死制动系统。但组件无法进行良好的通信，最终导致汽车的驾驶体验不佳。”
范德霍尔决定从头开始开发动力总成系统、电机控制系统和防抱死制动系统。对一家工程师人数有限的小型私营初创企业来说，这可是一项艰巨的任务。当工程团队转向软硬件集成并在真实的越野车上部署代码时，他们认识到，要最大限度地降低发现错误的风险，关键在于以虚拟方式设计和测试控制算法。
范德霍尔汽车厂的布劳利，这是一款纯电动多功能全地形车（图片所有权：范德霍尔汽车厂）
“通常情况下，为车辆控制系统编写软件需要一大批编码人员花费数年时间才能完成。电动汽车市场日新月异；如果沿袭传统的开发路线，那产品可能还停留在我们脑海里，而所有竞争对手都会抢先一步，赢得先机。”
为此，他们使用 Simulink® 建立了车辆模型。通过与半导体制造商 NXP Semiconductor 开展合作，他们可以快速转换 Simulink 代码并在 NXP® 汽车芯片上运行，从而在虚拟车辆上测试前进行车辆动力学仿真和车辆行为预测。通过基于模型的设计，由三名范德霍尔工程师组成的团队在短短八个月的时间内就完成了布劳利原型的设计、仿真和部署。（NXP 是 NXP B.V. 的商标）
Johnson 说道，“通常情况下，为车辆控制系统编写软件需要一大批编码人员花费数年时间才能完成。电动汽车市场日新月异；如果沿袭传统的开发路线，那产品可能还停留在我们脑海里，而所有竞争对手都会抢先一步，赢得先机。”
加速软件开发
“Vehicle Dynamics Blockset 提供了难以置信的灵活性，使我们能够为车辆打造新的功能。借助这款产品，我们可以独立控制每个车轮的动力输出和转速，让车辆能够做出各种炫酷的特技。”
布劳利的动力总成系统具有四个电机（每个车轮配备一个电机），提供了独特的功能，使该款车与众不同。（图片所有权：范德霍尔汽车厂）
一些功能，例如最引人注目的四个电机（每个 35 英寸车轮配备一个电机），使布劳利电动 UTV 从竞争对手中脱颖而出。为了提供令人兴奋的 UTV 动感驾驶体验，Johnson 和他的团队很早就知道他们需要直接控制每个电机。这使得 UTV 能够在崎岖的土路上快速行驶、快速急转弯并从容应对跳跃。
电动动力总成系统供应商却无法满足这一需求，因为他们不愿意改变硬件，并且仍手动编写控制算法代码，这导致重新设计软件困难重重。
Johnson 决定自行开发动力总成系统硬件并选择系统参数，如电池大小、电机类型和系统电压。在获得硬件设计和测试硬件后，工程师需要开发防抱死制动系统、电机控制单元（确定电机的速度和扭矩），以及电子稳定控制系统（自动控制各个车轮制动器，以防止急转弯时打滑和失控）。手动编写控制软件代码并非可选方案，因为范德霍尔希望车辆尽快上市。于是，Johnson 的团队转而采用了基于模型的设计。
工程师使用了 Simulink 来设计和构建他们的车辆控制软件。借助 Vehicle Dynamics Blockset™，他们对 UTV 的运动和响应进行了建模，以便于他们能够精确控制制动距离，并评估在车轮失去牵引力时的电机转速。
通过设计每个车轮配有一个电机的动力总成系统，工程师能够为车辆添加一些独特功能，使其与众不同。例如，他们独有的防抱死制动系统不再依靠反复开关压力阀来防止车轮抱死，而是利用每个车轮的电机来调整扭矩以防止抱死。这样就能够对制动进行精细控制。
“Vehicle Dynamics Blockset 提供了难以置信的灵活性，使我们能够为车辆打造新的功能。借助这款产品，我们可以独立控制每个车轮的动力输出和转速，让车辆能够做出各种炫酷的特技，”Johnson 说。“为了控制这些车轮，需要创建一个模型，即描述车辆行为的物理方程。例如，如果知道布劳利的重量或橡胶与路面之间的摩擦系数，则可以根据施加的扭矩对车辆的加速度或车轮的转速进行建模。”
在开发了用于电机控制和防抱死制动系统的软件后，该团队需要结合电池对该软件进行测试。他们使用了 Powertrain Blockset™ 对电池的荷电状态 (SOC) 进行仿真。对纯电动 UTV 来说，SOC 是一项至关重要的数据。Johnson 说道，车辆中的锂电池具有非线性特征，其电荷呈现动态变化。“在车辆加速行驶时，电压会下降，因为电池输出了很多电能，但电池容量没有显著变化。由于所有测量值都在不断变化，因此估计实际 SOC 非常困难，而 Powertrain Blockset 在这方面能够提供切实的帮助。”
他们用 Simulink 构建了虚拟车辆，用于对动力总成系统和车辆动力学进行实时仿真，以及评估控制算法的表现。
工程师还针对各种边缘情形（例如当车辆执行紧急操纵或高压电池过热时出现的情形）进行了仿真，并相应地实现了其控制算法。这样一来，无需进行物理测试，即可确切地了解车辆在现实世界中的行为。
“我们并不需要每次修改代码时都进行大量物理测试，因为我们有这么出色的车辆动力学仿真，让我们可以知道代码是否会过度纠正某些行为使车辆翻转等情况，”Johnson 说道。“我们会检查牵引控制、稳定性控制和制动距离。虚拟车辆有助于加快工作进度，让我们以更少的人力和物理车辆对所有这些情形进行测试。”
三方共赢
通过基于模型的设计，范德霍尔可以在获得所有车辆硬件之前预先进行软件开发。而且，核心工程团队可以将这一理念从高级代码架构延伸到基于处理器芯片的实现和测试。
在启动软件设计流程的几周后，范德霍尔的团队就准备在硬件上测试其代码了。他们使用了 Embedded Coder® 生成可在车辆控制微处理器上执行的 C 代码。
当时正值 2020 年初，新冠疫情的肆虐导致了停工，并开始拖慢半导体行业的进度。“我们与 NXP 进行了合作，使用了他们的汽车处理器、发动机控制微处理器单元和链路包。” Johnson 回忆道。
NXP 不仅生产高性能的汽车开发微处理器 MPC5777C，而且还提供 Model-Based Design Toolbox，可以帮助范德霍尔的工程师轻松地将 Simulink 设计与 NXP 处理器对接起来。
NXP 公司 Model-Based Design Toolbox 部门经理 Razvan Chivu 表示，他的大多数汽车行业客户都在使用 Simulink。“我们需要采用一种方法将 Simulink 中的所有内容与 NXP 硬件关联起来，让他们工作起来更加方便，这一点至关重要。Model-Based Design Toolbox 最重要的优势在于，它能够充当 MathWorks 生态系统和 NXP 生态系统之间的桥梁。”
借助这个桥梁，范德霍尔的工程师可以尽早多次测试其软件，从而顺利完成从虚拟车辆到处理器在环测试的过渡，并加快原型开发的速度。目前，范德霍尔正在测试其生产动力总成单元，并对其预生产车辆进行试驾。Johnson 表示，在布劳利准备上路之前，我们还需要进行好几个月的耐久性测试和控制代码改进。它一旦上路，无论面对何种路况，都表现得游刃有余。布劳利将带来优雅从容的越野体验。
“我们需要采用一种方法将 Simulink 中的所有内容与 NXP 硬件关联起来，让他们工作起来更加方便，这一点至关重要。Model-Based Design Toolbox 最重要的优势在于，它能够充当 MathWorks 生态系统和 NXP 生态系统之间的桥梁。”
范德霍尔布劳利电动动力总成系统电机。（图片所有权：范德霍尔汽车厂）
