摘 要

随着社会的进步，面对能源的压力，汽车工业开始重视电动汽车的发展，如何降低电动汽车巡航过程中的能耗是必要的，本文主要研究了基于道路坡度信息的四驱电动车速度优化控制方法。

首先，基于行驶路况的道路坡度信息，建立纵向动力学模型，并建立了系统动态方程，基于预测模型，构建综合能耗目标函数，并对通过交通信号灯的行驶策略作了简要分析。

其次，对于模型求解采用离散动态规划算法，确定了离散每阶段的状态变量以及决策变量，最后将行驶过程的整段路程的全局优化转化为分段优化，最终采用MATLAB编写动态规划算法，求解1500m巡航过程得到了最优化速度轨迹，并基于一段预测域长度的巡航对模型部分参数进行了灵敏度分析，研究结果表明了本文采用的动态规划算法求解的优化速度轨迹是合理的。

最后采用CarSim与simulink联合仿真，共同建立simulink仿真模型，并对动态规划算法优化的速度轨迹进行了仿真，对比其他速度轨迹仿真的综合能耗较小，验证了优化结果的合理性。

本文的特色：将行驶过程中所消耗的时间代价叠加到能耗中，避免了仅考虑系统能耗导致优化结果倾向于以较低车速行驶，纠正了目标函数；除此之外，通过动态规划算法，将整段路程的全局优化进行分段优化，提高了计算效率。

关键词：四驱电动车；预测模型；速度优化；动态规划

Abstract

With the social progresses, in the face of energy pressure, the automobile industry began to attach importance to the development of electric vehicles. It is necessary how to reduce the energy consumption of electric vehicle cruise process. This paper mainly researches four-wheel drive electric vehicle speed optimization control method which is based on road slope information.

Firstly, the longitudinal dynamic model is established which is based on the road slope information of the traffic road conditions, and the dynamic equation of the system is established. Based on the forecasting model, the objective function of the comprehensive energy consumption is constructed, and the driving strategy of the traffic lights is analyzed briefly.

Secondly, the discrete-time dynamic programming algorithm is used to solve the model, and the state variables and decision variables of each stage are determined. Then, the global optimization of the whole process is transformed into segmentation optimization. After that, the dynamic programming algorithm is written by MATLAB, and the optimal speed track is obtained according to solving the 1500m cruise process. Sensitivity analysis is carried out on the parameters of the model based on the length of the prediction field. The results show that the optimized velocity track of the dynamic programming algorithm used in this paper is reasonable.

Finally, simulation model is established by using Carsim and Simulink simulation, and the velocity track of dynamic programming algorithm is simulated. It’s comprehensive energy consumption is smaller than other velocity track simulations, which proves the rationality of the optimization results.

The characteristics of this paper: the time cost consumed in the travel process is superimposed on energy consumption, to avoid optimization result tends to travel at a lower speed while considering only the system energy consumption, and it can correct the objective function; In addition, through the dynamic programming algorithm, the global optimization of the whole process is segmented and the computational efficiency is improved.

Key Words：four-wheel drive electric vehicle; prediction model; speed optimization; dynamic programming

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景、目的与选题意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容和方法 4

1.4 本文结构 5

第2章 四驱电动汽车驱动结构研究 6

2.1 本章引言 6

2.2 电动汽车组成结构 6

2.2.1 电源 6

2.2.2 电动机 6

2.2.3 驱动力机械传动装置 7

2.2.4 其他辅助装置 7

2.3 动力驱动系统选择 7

2.4 电动汽车设计需求分析 8

2.5 轮毂电机及电池选择 9

2.6 本章小结 11

第3章 基于道路坡度信息的纵向动力学模型 12

3.1 基本参数设置 12

3.2 纵向动力学模型 12

3.2.1 纵向动力学建模 12

3.2.2 系统动态方程 14

3.2.3 系统初始状态与约束条件 15

3.3 能量管理的决策优化 16

3.3.1 考虑时间代价的目标函数 17

3.3.2 行驶策略分析 18

3.4 本章小结 22

第4章 模型预测控制算法研究 23

4.1 模型预测控制算法分析 23

4.2 动态规划算法原理 24

4.3 模型优化求解 27

4.3.1 求解步骤 28

4.3.2 动态规划求解结果 31

4.3.3 结果灵敏度分析 37

4.4 本章小结 40

第5章 CarSim与Simulink联合仿真 41

5.1 CarSim软件介绍 41

5.2 仿真车辆参数设置 42

5.3 联合仿真模型建立 44

5.4 联合仿真试验验证 45

5.5 本章小结 49

第6章 总结与展望 50

6.1 总结 50

6.2 展望 51

参考文献 52

致谢 55

附录 56

附录A 56

第1章 绪论

本论文涉及汽车速度优化控制，特别是研究基于道路坡度信息的四驱电动车速度优化控制方法。

1.1 课题背景、目的与选题意义

随着社会进步，经济增长和人口增多，能源消耗越来越多，生态环境遭到破坏，因此改善生态环境，实现可持续发展已成为第一要务。自从1886年初，随着第一辆汽车出现在人们的视野中，它的问世预示着汽车工业发展的未来，之后汽车发展突飞猛进，如今汽车已走进人们的生活，而且中国的汽车拥有量越来越多。当今，中国汽车生产量稳居第一，我国越来越重视汽车工业的发展。然而随着汽车数目的增长，燃油消耗量越来越多，这样的快速发展过大的消耗了资源，国际能源机构指出，中国在未来20年的石油需求量预计翻倍，几乎是全国三分之二的石油需求总增长量^[1]，能源形势异常严峻。与此同时，汽车尾气污染排放也是一大问题，在很大程度上违背着节能环保。随着生活水平一步步的提高，人类渴望追求更好的生活，所以人类生活的环境必须得到改善，不能够再肆意伤害原本自然的生活地域，对于降低汽车尾气排放，减少污染，降低能源消耗之类的各种呼声也越来越多^[2]。巨大数量的汽车会产生的巨大能源消耗与环境污染问题，使得如何尽快改变传统的汽车能耗方式日益受到社会的广泛关注。发展可持续的、清洁、高效的新能源汽车，采用清洁燃料替代品是如今新能源汽车产业发展的核心与关键^[3]。

为了响应节能环保的号召，在汽车产业发展的新阶段，电动化和智能化是两大重要发展趋势^[1]。电动汽车符合节能环保的时代趋势，21世纪初期以来，许多国家和地域都发布了施行电动汽车的发展策略，加大对电动汽车的研发投入与鼓励力度^[4]。如今，电动汽车被中国政府大力扶植，也是汽车未来发展的一个重要方向^[5-6]。在国家启动的863计划的电动汽车专业项目中，制定了关于“三纵三横”的研究格局^[4]。其中在863计划中，首席科学家万钢发言，21世纪初，电动汽车才进入科学家们的视线，各个国家对于电动汽车的研究都处于一个较低的水平，我国虽然在传统汽车发展上较缓慢而落后于其他发达国家的先进水平，但是对于电动汽车的发展大家都处于同一起跑线，我国需要大力发展电动汽车，争取和其他国家在电动汽车方面进行竞争，因此汽车工业需要将电动汽车作为另一个突破口，争取赶超国际先进水平，并占得一席之地，增强汽车工业国际竞争力^[7]。