摘 要

近年来，随着我国汽车保有量的持续增长，一方面对于石油资源的消耗量不断增加，另一方面，汽车尾气的排放造成的环境污染也越来越严重。在这样的背景下，新能源汽车的优势也慢慢地显现出来，但是，新能源汽车的续航里程这一瓶颈问题在很大程度上阻碍了其发展。目前，针对新能源汽车的续航里程问题，业界提出了两种解决方案，其一是提高储能装置的能量密度，以期提高车辆的行驶里程；其二则是提高车辆的能量利用率，以在同等能耗的情况下，让车辆有更长的行驶距离。本文基于某纯电动车辆，通过仿真模型的搭建、校核、整车能量流的分布分析以及控制策略的优化，在保证车辆动力性的同时，提高了车辆的能量利用率，从而提高了其续航里程。本文所做的主要工作如下：

首先，在了解纯电动汽车整车结构以及相关理论的前提下，利用GT-Drive搭建整车仿真模型，并对模型进行了校核；其次，在模型校核合格之后，对仿真结果进行能量流分布分析，分别绘制了NEDC全工况、城市工况、郊区工况、驱动和制动工况能量流分布图，并对能量流分布图进行了分析，从而为本文提供了优化思路。最后，对基础MAP控制策略图和电机效率图进行了分析，发现在当前控制策略下电机在低速时存在制动回收扭矩小、工作效率低等问题。通过参考某车型的控制策略对所研究车型当前的控制策略进行了优化，提出了三种有效的控制策略，并进行了比较和分析。

研究结果表明：相比于当前车辆所采用控制策略，优化后的控制策略在电机的驱动效率和制动效率上均有不同程度的提高。具体地，反映在整车的经济性指标上，百公里耗电量最大降低了4.16%，续航里程最大提高了2.65%，表明所提出的控制策略是有效的。

关键词：纯电动车辆；控制策略；能量流；GT-Drive

Abstract

In recent years, with the continuous growth of China's automobile ownership, on the one hand, the consumption of petroleum resources has been increasing, on the other hand, the environmental pollution caused by the emission of automobile exhaust has become more and more serious. In this context, the advantages of new energy vehicles are slowly emerging, but the bottleneck of the new energy vehicle's cruising range has largely hindered its development. At present, the industry proposes two solutions for the cruising range of new energy vehicles. One is to increase the energy density of the energy storage device in order to increase the mileage of the vehicle; the other is to improve the energy utilization rate of the vehicle. In the case of the same energy consumption, the vehicle has a longer driving distance. Based on a pure electric vehicle, the simulation model builds, checks, distributes the energy flow distribution of the vehicle and optimizes the control strategy to improve the vehicle's power efficiency and improve the energy utilization of the vehicle, thus improving its battery life. mileage. The main work done in this paper is as follows: Firstly, under the premise of understanding the structure and related theory of pure electric vehicles, the GT-Drive is used to build the vehicle simulation model and the model is checked. Secondly, the model is qualified. After that, the energy flow distribution analysis is carried out on the simulation results, and the NEDC full working condition, urban working condition, suburban working condition, driving and braking working condition energy flow distribution map are drawn, and the energy flow distribution map is analyzed. This article provides an optimization idea. Finally, the basic MAP control strategy map and motor efficiency map are analyzed. It is found that under the current control strategy, the motor has low braking recovery torque and low working efficiency at low speed. The current control strategy of the research model was optimized by referring to the control strategy of a certain vehicle. Three effective control strategies were proposed and compared and analyzed.

The research results show that compared with the current control strategy adopted by the vehicle, the optimized control strategy has different degrees of improvement in the driving efficiency and braking efficiency of the motor. Specifically, reflected in the economic indicators of the vehicle, the power consumption per 100 kilometers decreased by 4.16%, and the cruising range increased by 2.65%, indicating that the proposed control strategy is effective.

Key Words：Pure electric vehicle; Control strategy; energy flow; GT-Drive

目 录

摘 要 II

Abstract III

第 1 章 绪论 1

1.1 论文的选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容与技术路线 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 技术路线 4

第 2 章 纯电动汽车基本理论 6

2.1 纯电动汽车的主要结构 6

2.1.1 驱动结构 6

2.1.2 电机 8

2.1.3 电池 10

2.2 纯电动汽车的评价指标 11

2.2.1 动力性指标 12

2.2.2 经济性指标 12

2.3 纯电动汽车测试规范 12

2.3.1 滑行试验 13

2.3.2 整车轮毂试验 13

2.3.3 制动能量回收计算 14

2.4 纯电动汽车控制策略简介 15

2.4.1 整车驱动控制策略 15

2.4.2 制动能量回收控制策略 16

2.5 本章小结 17

第 3 章 仿真模型的搭建、校核与集成分析 18

3.1 GT-Suite软件的概述 18

3.1.1 GT-Drive的背景及应用 18

3.1.2 GT-Drive的仿真计算流程 20

3.2 仿真模型的搭建与校核 21

3.2.1 整车模型 21

3.2.2 各子系统模型 21

3.2.3 模型搭建总结 24

3.2.4 仿真模型的校核与性能评价 25

3.3 能量流的分布分析及意义 29

3.3.1 能量流传递路径与计算 29

3.3.2 能量流分布分析结果 32

3.3.3 能量流分布分析的意义 39

3.4 本章小结 39

第 4 章 控制策略优化 41

4.1 当前控制策略存在的问题 41

4.1.1 制动能量回收策略 41

4.1.2 电机效率 42

4.2 优化方法的提出 43

4.2.1 控制策略的优化 43

4.3 原策略和调整后的策略的对比分析 47

4.3.1 各控制策略对电机效率的提升 47

4.3.2 电机驱动/制动效率与电池能量效率的对比分析 47

4.3.3 各控制策略下的能量对比分析 48

4.3.4 各控制策略对车辆经济性的贡献率 49

4.4 本章小结 50

第 5 章 结论 51

5.1 总结 51

5.2 展望 51

参考文献 52

致谢 54

绪论

论文的选题背景及意义

近年来，关于新能源汽车的研究方兴未艾，国内外与汽车相关的科研机构和企业纷纷对新能源汽车的开发和设计进行了研究。从世界范围来看，当前新能源汽车仍处于从政策驱动向市场驱动的转型期。市场经济体制下，政府有时可以改善市场结果，于是政府补贴成为这次“转型”的重要可选工具。为了促进纯电动汽车的发展及市场化，我国也先后出台了一些相关政策，从一开始的补贴退坡政策到如今的双积分政策，都对新能源汽车的市场化起到了一定的作用^[1]。在一定程度上推动了纯电动汽车的技术革新，对于解决纯电动车辆的“续航里程”这一瓶颈问题起到了促进作用。目前，业内提高纯电动车辆的续航里程主要有两种方法，其一是研究生产具有较大比能量的电池组来为车辆提供更多的能量，其二则是通过降低纯电动车辆行驶过程中的能耗来提高其续航里程，由于高比能量电池组的开发技术尚不成熟，因此前者的推广还需时日。

整车能耗是整车能量管理的主要内容和核心环节，整车能耗的优化需要在对整车进行能量流分布分析的基础上来进行。通过对整车能耗的分布分析，可以为整车能耗优化找到方向。

整车能量流分析可以了解车辆能量的产生、传递、转换、消耗和分布。能量在传递过程中，系统和部件会存在能量损失，通过对整车能量传递路径的分析和计算可以知道能量损耗的形式以及定量了解能量的分布和损耗程度。在对某车型能量消耗分布情况全面细致把握的基础上，就可以迅速、精准地找到所研究车辆与对标车辆之间的能耗差异，从而找到针对所研究车辆行之有效的若干能耗优化方法。最后，通过能耗优化方法之间的对比分析，筛选出最优方案，并就各优化方法对车辆性能指标的影响进行比较。

国内外研究现状

近年来，随着全球温室效应的加剧和石油资源的日渐枯竭，新能源汽车作为解决这两大问题的不二选择，被提上了议事日程。国内外各大科研机构和车企也纷纷响应号召，并且在新能源汽车的某些方面已经取得了一定的成就。本文通过广泛查阅相关文献，对国内外现状展开了充分的调研，并将影响车辆能耗的因素分为了五个方面，具体如下：

（1）空气阻力

车辆在行驶过程中会受到空气阻力的作用，空气阻力是影响汽车能耗的主要因素之一，其大小与汽车的迎风面积和风阻系数有关。近年来，国内外很多学者都致力于从汽车构造上入手，通过优化汽车挡风板、进气格栅和借助一些装置来减小汽车的空气阻力损耗。

北京航空航天大学康宁等^[2]通过计算流体动力学的方法研究了车轮周围流场的分布，研究了挡风板放置位置、曲率半径、高度及宽度等因素对风阻的影响，从而对阻风板进行了优化，其相对于原模型而言，风阻系数降低了14.7%，优化了汽车能耗。

湖南大学谢月风^[3]就某车型的进气格栅进行了研究，基于此研究，提出了一些主动进气格栅的优化方法，通过对主动进气格栅与前保周边间隙的优化设计，减少了汽车的风阻，从而实现了车辆能耗减少的要求。

Sean C. Graham^[12]发明了一种用于降低车辆空气阻力的装置，该装置是通过引导车辆后轮周围的气流来进行工作的，基于此设计可以减少车辆在移动时的空气动力学阻力，从而可以降低整车能耗，提高其续航里程。

（2）滚动阻力

车辆在运行过程中还会受到滚动阻力所带来的能量损耗，主要包括轮胎在滚动过程中克服应变滞后所消耗的迟滞功。国内外学者以及汽车行业的相关工作者们主要从轮胎压力、轮胎结构、轮胎的材料、轮胎温度以及制造工艺等方面入手，从而降低车辆能耗。

北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心任军峰^[4]通过研究汽车轮胎的滚动阻力，提出了采用子午线轮胎、适当提高轮胎气压、优化轮胎结构、改变轮胎胎面胶料配方等减小滚动阻力的措施。

江苏大学王国林等^[5]将轮胎分为胎冠区和非胎冠区两个部分，采用有限元分析的方法，建立了滚动阻力和区域能耗之间的关系。基于此，设计了低滚动阻力的轮胎的结构，从而降低了轮胎滚动阻力的损耗。

Maruti Suzuki India, Ltd的Rakesh Khanger和Amritashu Bardhan^[13]研究中发现轮胎制造商需要技术升级和工艺一致性，以改善全二氧化硅复合轮胎，以满足印度的道路状况。车辆重量在决定充气压力方面起着主导作用，因此在较小尺寸的车辆中通常不会出现较高的轮胎压力。通过对轮胎的改进，在保证汽车性能的同时，降低了汽车的滚动阻力。

Takeshi Hotaka等^[14]基于轮胎的温度特性，开发了一种使用特殊滚动试验装置的新校正技术。经验证，新校正公式的应用将运行阻力的变化从2.7％（在调节校正的情况下）减少到1.0％。

（3）内部阻力

汽车在行驶过程中，由于受到机械阻力、液力阻力和摩擦阻力等因素而消耗的能量称为内部阻力损失。国内外学者以及汽车行业技术人员主要通过降低内部传动机构的各种阻力来降低车辆内部损耗，具体地，可以通过优化车辆内部结构、改进传动部件的安装位置和角度来实现。

安徽江淮汽车集团股份有限公司惠周朋等^[6]在“基于底盘测功机的汽车制动拖滞力测试方法”的研究中，在对汽车制动拖滞力的综合分析中发现，通过优化制动卡钳，可以减少制动拖滞力，且效果较为明显，从而减小了车辆能耗。

武汉理工大学陈寅^[7]基于目标车型与对比车型的比较中发现，传动系阻力较大可能主要是受变速箱的齿轮啮合机械阻力的影响，另外受润滑油液力阻力的影响也较大。传动轴的安装角度和位置对传动系的阻力影响较大。

Lee C H^[16]开发了一种仪表化的先进CV关节摩擦装置，使用实际三脚架式接头组件测量CV接头的内部摩擦行为。该装置能够在振荡速度，扭矩和接头安装角度的不同实际操作条件下测量摩擦的关键性能。通过在接头内部安装一个定制的三轴力传感器，以测量内部CV接头力（包括摩擦力）。使用设计的测试装置，研究了CV接头的固有界面参数，以便了解它们的接触和摩擦机制，从而可以为减小车辆内阻提供指导。

（4）优化算法

车辆的优化算法是控制策略的核心环节，利用互联网技术，针对所研究车辆的实际情况，通过一定的优化算法达到降低车辆能耗的目的。近年来，随着互联网技术的快速发展，各种优化算法也相继被学者们提出。

重庆大学陶虹君^[9]就逻辑门限控制算法、PID控制算法、滑模变结构控制算法、最优控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等的研究中，基于车辆在低附着路面等典型路面易发生滑移等问题，设计了基于PID控制的优化算法

美国工程师Alexandros Plianos等^[17]提出了优化车辆推进能耗的概念控制算法证明的开发和评估。还考虑了行程时间和其他驾驶性能以及自动驾驶属性和约束。两阶段优化方法用于在后退预测范围内优化插入式混合动力电动车辆（PHEV）的自我车辆速度轨迹和动力系统状态。

（5）控制策略

车辆的控制策略是影响车辆能耗的重要因素之一，是车辆能量管理的重要环节。国内外学者通过观察纯电动车辆的行驶行为，通过实验和仿真等手段，基于不同的车辆特点、行驶工况等情况，提出了相应的控制策略，以减小车辆在行驶过程中的能耗。

清华大学欧阳明高等^[8]通过测功机台架试验和仿真分析发现：与定速驾驶策略相比，“加速—滑行策略”的应用在纯电动车辆的能耗优化方面显现出了一定的潜力。

清华大学邱明喆^[10]分别对协调式和叠加式制动能量回收策略进行了中国典型城市公交循环工况试验，试验结果表明，前者相对于后者能量经济性有了显著提高。

长安大学宋广发^[11]在比例制动力分配控制策略和最佳能量回收制动力分配策略的基础上提出了优化最佳能量回收制动力分配策略，从而综合前两种策略的优势。最大限度的提高了再生制动能量在总制动能量中所占的比例，同时也保证了纯电动汽车的制动稳定性。

福特汽车公司的Banvait^[15]等设计了一种动力分流插电式混合动力电动汽车（PHEV）能量管理系统，并且介绍了基于功率分配的PHEV的车辆和动力系统的动力学。利用这些动力学，提出了PHEV的混合系统模型，并使用动态规划方法解决了非线性约束能量最小化问题。

研究内容与技术路线

研究内容

通过上述对整车能耗优化的国内外研究现状可知，在整车结构参数选定的情况下，对控制策略的改进和优化是降低整车能耗的主要有效途径。本文将通过GT—Drive搭建整车模型并进行仿真，然后对某纯电动汽车进行能量流分布分析，了解该汽车的能量消耗机制，获取本文的优化思路，并对当前车辆采用控制策略进行分析和评价。最终在降低整车百公里电耗的基础上提升整车的续驶里程。

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