汽车工程

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智能网联汽车云控系统及其实现^*

李克强, 常雪阳, 李家文, 许庆, 高博麟, 潘济安

2020 (12): 1595-1605. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.001

摘要 ( 1689 )

PDF(3499KB) ( 1846 )

本文中提出了基于信息物理系统(cyber-physical system,CPS)理论的智能网联汽车云控系统概念,该系统利用新一代信息与通信技术,将人、车、路、云的物理层、信息层、应用层连为一体,进行融合感知、决策与控制,可实现车辆行驶和交通运行安全、效率等性能的综合提升。在介绍系统架构、工作原理与关键技术的基础上,研究了边缘云上融合感知技术与时变时延下车辆控制技术,开发了面向真实道路的云控系统。通过仿真与道路试验,验证了系统的云端计算、融合感知、融合决策与网联控制的性能,展示了系统实际应用的可行性与先进性。

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新能源汽车动力电池安全管理技术挑战与发展趋势分析^*

王震坡, 袁昌贵, 李晓宇

2020 (12): 1606-1620. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.002

摘要 ( 1043 )

PDF(1831KB) ( 1453 )

动力电池安全管理是保证新能源汽车安全运行的重要手段,直接影响着整车耐久性和可靠性。本文从动力电池安全概念、关键技术和未来发展趋势3方面进行综述,将动力电池安全研究关键技术归纳为热失控的机理与控制措施和防护结构分别展开阐述,并对比剖析现有关键技术的成就及不足;针对当前动力电池安全管理所面临的挑战,提出未来电池安全管理发展趋势——从机理分析到系统优化设计,从被动安全防护到主动风险预测。

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蓄电池公交车电液并联混合动力系统设计与能量管理^*

刘桓龙, 陈冠鹏, 王家为

2020 (12): 1621-1629. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.003

摘要 ( 249 )

PDF(2560KB) ( 392 )

针对城市蓄电池公交车起步或加速时电机转矩冲击大、电池寿命短等问题,以成都市区运行的某型电动公交为对象,设计了一种新型双轴并联电液混合动力系统,对典型工况下调节电机工作状态提高综合能量利用率进行研究。基于AMESim与MATLAB/Simulink-stateflow软件的联合仿真建立整车及控制模型并设定基于规则的动态优化能量管理策略,分析了中国典型城市公交车循环行驶工况(CCBC)与该类公交车实地调研循环行驶工况下的动力与能量利用特性。对电液混合动力系统能量耦合等核心问题进行试验研究,验证系统设计思路与仿真模型的正确性。结果表明:在满足动力性能需求的前提下,所设计的电液混合动力系统能显著改善电机工作点分布情况,减小峰值转矩冲击,CCBC工况下峰值转矩减小33.8%,续驶里程提高30.6%;实际调研工况下峰值转矩减小33.0%,续驶里程提高20.0%。

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满足超低NO_x排放标准的紧凑耦合SCR系统控制策略研究^*

刘世宇, 王国仰, 谭致, 张兆欢, 帅石金, 王志明

2020 (12): 1630-1637. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.004

摘要 ( 312 )

PDF(1462KB) ( 297 )

紧凑耦合选择性催化还原(ccSCR)技术是满足加州超低NO_x排放标准的一种切实可行的后处理技术,本文通过数值仿真计算的方法对ccSCR系统控制策略进行研究。利用SCR单状态模型对催化器NH₃存储、NO_x排放和NH₃泄漏进行预测,分析了未安装ccSCR催化器时美国联邦测试循环(FTP)NO_x排放特性,基于此提出了双喷嘴独立控制策略和双喷嘴联合控制策略。研究结果表明,ccSCR系统可以充分利用尾气热量,大大缩短尿素起喷时间,FTP循环冷起动尿素起喷时间从568降低到51 s。双喷嘴联合控制策略将ccSCR催化器和下游SCR催化器中的NH₃存储进行联合控制,采用该策略的ccSCR系统NO_x转化效率达到99.56%,NO_x比排放满足未来加州超低NO_x排放法规要求。

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智能电动汽车自适应巡航与再生制动多目标协同控制^*

郭景华, 李文昌, 王靖瑶, 李克强

2020 (12): 1638-1646. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.005

摘要 ( 287 )

PDF(1319KB) ( 443 )

为提升智能电动汽车安全性、舒适性和经济性等多种性能,本文中提出一种智能电动汽车自适应巡航与再生制动协同控制的方法。首先,建立了可描述智能电动汽车纵向行驶动力学行为特征的非线性耦合模型,该模型由整车模型、动力电池、电机、单速变速器和液压制动系统组成。然后,针对智能电动汽车非线性耦合和参数不确定性等特征,设计了自适应模糊滑模上层控制器,实时求解出自适应巡航过程中智能电动汽车的期望加速度,采用模糊理论逼近滑模控制切换项,以降低抖振。最后,设计了智能电动汽车驱动/制动控制律,提出了一种再生制动控制策略,有效协调再生制动系统与液压制动系统,使智能电动汽车制动能量回收最大化。试验结果表明:所提出的自适应巡航与再生制动协同控制方法在确保智能电动汽车安全性、舒适性的同时,有效提升了制动能量回收效率。

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不同紧急工况下的汽车主动避撞控制的研究^*

裴晓飞, 李朋, 陈祯福, 过学迅

2020 (12): 1647-1654. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.006

摘要 ( 468 )

PDF(2329KB) ( 644 )

本文中针对复杂工况提出了一种集成主动制动和主动转向的紧急避撞策略。首先根据车速与地面附着系数,结合制动与转向安全距离模型,获得考虑前方障碍影响的转向与制动优先级。在此基础上,针对旁车道的其他交通要素,又将转向优先下的避撞模式细分为转向、制动和转向加制动3种。对于转向避撞,采用五次多项式进行路径规划,根据安全性和平滑性代价函数,综合优选出安全、平滑的期望路径,然后采用前馈加LQR反馈控制实现路径跟踪。通过驾驶员在环仿真验证所提出主动避撞算法的有效性。3种典型工况下的试验结果表明,智能汽车能根据不同紧急工况做出合理避撞模式决策,并能顺利完成转向、制动和转向加制动的主动避撞操作。与Sigmoid函数所生成的路径相比,基于五次多项式的规划路径更适合紧急避撞使用。

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电动车用轮毂电机的负载磁场解析计算^*

张河山, 邓兆祥, 杨明磊, 罗杰, 徐进

2020 (12): 1655-1664. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.007

摘要 ( 200 )

PDF(3572KB) ( 450 )

为克服有限元分析反复建模复杂、计算耗时耗资源等缺点,提出一种兼顾精度和效率的磁场解析建模方法。以一台48槽16对极的表面嵌入式外转子轮毂电机为研究对象,利用子域技术在二维极坐标系下建立了轮毂电机的负载磁场解析模型。将电机整个求解域划分为定子绕组槽、槽开口、气隙和永磁体转子槽4类子域。根据激励源的不同,分别在不同子域求解矢量磁位的拉普拉斯或泊松方程。利用相邻子域间的边界条件求解各子域的矢量磁位通解,进而得到轮毂电机的磁场分布、反电动势、电感和转矩等电磁性能,并对比分析了开口槽结构的计算结果。通过有限元分析与样机试验验证了解析模型的准确性。在此基础上,进一步研究了极弧系数和槽开口宽度对转矩的影响,结果表明:当该电机的极弧系数为0.825、槽开口角宽度为2.169°时,输出转矩平均值从原样机的160.75 N·m提高至165.08 N·m,转矩脉动率从8.8%降低至3.025%。

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刀锋臂悬架运动学实时算法及其验证和应用^*

谭侃伦, 邓嘉庆, 唐倬, 袁登木

2020 (12): 1665-1670. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.008

摘要 ( 229 )

PDF(1791KB) ( 309 )

底盘开发需要快速的悬架运动学算法以提高开发效率,自动驾驶需要稳定的悬架运动学实时算法以提高非稳态工况下模型预测控制精度。本文中首先利用向量及矩阵工具建立刀锋臂后悬架轮心瞬时速度线性方程组,并结合动态显式积分实时求解悬架运动轨迹。然后,将实时算法得出的5项典型运动学特性曲线与ADAMS仿真及整车实测结果进行对比分析。结果表明:3种方法的结果一致性优秀,实时算法精度好于ADAMS仿真。最后,基于实时算法建立悬架辅助设计软件,其速度比传统ADAMS仿真提升数十倍。

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基于支持向量机的智能轮胎路面辨识算法^*

王岩, 梁冠群, 危银涛

2020 (12): 1671-1678. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.009

摘要 ( 302 )

PDF(1985KB) ( 402 )

本文中提出一种基于支持向量机的智能轮胎算法,用于预测分类轮胎-路面间峰值附着系数。基于MEMS三轴加速度计搭建智能轮胎硬件系统,并在3种不同附着情况的路面上进行实车测试;提取径向与侧向加速度信号时域频域统计特征,采用主成分分析法进行特征降维;基于降维后特征参数,应用支持向量机进行分类训练;最后利用参数优化完毕的支持向量机分类器对路面峰值附着系数进行辨识。实车测试结果表明:所提出的算法可以实现路面状态的快速估计,从而为车辆控制系统提供道路的关键信息。与传统的附着系数辨识算法相比,本文中提出的方法更直接、稳定和可靠,而且不需要车辆进行加速、制动或转向。该方法泛化能力强,适用范围广,具有潜在的工程价值。

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基于接地特性的轮胎滚阻与抓地性能评价方法^*

梁晨, 王国林, 喻康颖, 梅烨

2020 (12): 1679-1687. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.010

摘要 ( 214 )

PDF(10957KB) ( 247 )

采用数字图像相关技术获取10条不同胎面花纹的205/55R16型子午线轮胎垂直加载后接地区域的变形分布,并构建了表达轮胎接地区几何和力学信息的参数化评价体系。基于接地参数,采用偏最小二乘回归法对轮胎滚动阻力系数和制动距离进行回归预测,通过Bootstrap重抽样法对回归系数进行显著性检验,筛选出对性能有显著影响的接地参数。结果表明,用轮胎接地特征参数来评价轮胎滚阻和抓地性能的回归方程拟合效果较好,研究结果为高性能轮胎设计提供了一定的指导作用。

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激光淬火对制动盘摩擦振动噪声影响的实验研究^*

王书文, 赵德玉, 严晟凯, 张欢

2020 (12): 1688-1694. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.011

摘要 ( 179 )

PDF(1528KB) ( 278 )

制动摩擦振动与噪声的产生机理和控制技术是学术界和工程技术人员多年来一直在努力解决的世界性难题。本文中采用激光表面淬火技术对4个铸铁制动盘的摩擦表面进行激光改性处理,实验研究了激光淬火功率对制动盘残余应力、阻尼系数、摩擦因数以及摩擦振动和噪声的影响。实验结果表明,激光淬火后制动盘的表面残余应力由拉应力变为压应力;阻尼系数随着淬火功率的增大而增大;摩擦因数随着淬火功率的增大有所降低但更趋稳定,有效地减小了制动摩擦振动和噪声的产生,尤其对制动卡钳的减振效果明显,在实验范围内将制动卡钳的振动加速度均方根值最大降低到原盘的30%。本研究对制动摩擦振动噪声的控制、减少制动磨损进而改善环境都具有重要意义。

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标度律分析在汽车气动噪声中的应用^*

袁海东, 刘学龙, 徐辰, 郝剑虹

2020 (12): 1695-1700. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.012

摘要 ( 192 )

PDF(1060KB) ( 259 )

车辆高速行驶时,气动噪声是影响车内舒适性的重要噪声源,车身周围的非定常流动是产生气动噪声的重要因素。一方面非定常流动产生流体压力脉动直接作用到车身外表面,激励车窗玻璃等振动,并向车内辐射噪声;另一方面非定常流动本身产生气动噪声,声学压力透过车窗玻璃和车身钣金件向车内直接传递噪声。本文提出标度律概念,用于描述和区别车身周围流体压力与声学压力随车速的变化规律,并对风洞试验结果进行标度律分析。结果表明:在给定工况下,汽车气动噪声以偶极子声源为主,车内和远场声学压力的幅值与速度的3次方成正比,而频率与速度无关;前侧窗表面流体压力的幅值与速度的1.5次方成正比,频率与速度成正比。

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面向自动充电的自主泊车精准调节策略^*

王永胜, 罗禹贡, 古谚谌, 陈锐, 齐蕴龙, 江发潮

2020 (12): 1701-1709. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.013

摘要 ( 213 )

PDF(2486KB) ( 299 )

针对自主泊车系统与自动充电系统结合应用时,充电装置难以精准对接的问题,提出了一种自主泊车精准调节策略。该策略在“前进—倒车—停车”的运动调节框架下,结合前进运动时的航向角偏差控制、倒车运动时的横向位置偏差控制与精准停车控制,实现对对接位置偏差的精准调节。同时,提出了基于预瞄视角的两点匹配和基于预瞄前视点匹配的双向检索策略,改进了单点预瞄方法。实车试验结果表明:所提自主泊车精准调节策略降低了泊车停止位置的纵横向偏差,提高了自动充电装置的对接准确率与对接成功率。

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考虑驾驶员特性的自学习换道轨迹规划系统^*

高振海, 朱乃宣, 高菲, 梅兴泰, 张进, 何磊

2020 (12): 1710-1717. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.014

摘要 ( 273 )

PDF(1617KB) ( 415 )

为更好地实现个性化驾驶,本文中提出了一种集成驾驶员特性辨识的自学习换道轨迹规划系统。首先,在高斯分布中引入驾驶员特性系数J_c和驾驶员反应与操作时间t_d,建立了个性化换道轨迹规划模型,并通过DTW算法对实际轨迹和拟合轨迹进行匹配。之后,基于采集的驾驶员换道轨迹进行AP聚类,离线标定J_c和t_d共性化值,同时获得30名驾驶员的标签,将其驾驶特性分为舒适、一般和运动型。然后,将自由驾驶数据进行特征工况的提取,并基于长短期记忆网络(LSTM)搭建驾驶员特性在线辨识模型进行训练。最后,选取15名驾驶员进行实车验证,系统实时提取特征工况,然后基于辨识结果在线调整J_c和t_d,并不断更新拟合轨迹。实验结束后,其中14名驾驶员的实际轨迹与拟合轨迹平方欧氏距离小于1,拟合正确率达93.3%。因此,该系统能够良好地复现真人换道轨迹。

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考虑车流密度影响的驾驶风格识别方法研究^*

赵韩, 刘浩, 邱明明, 曹龙凯, 张义雷, 虞伟

2020 (12): 1718-1727. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.015

摘要 ( 230 )

PDF(1875KB) ( 338 )

针对车流密度与驾驶员踩踏踏板行为之间的关联性问题,本文中从车流密度与驾驶风格识别之间的耦合关系入手,提出一种考虑车流密度影响的驾驶风格多层次识别方法。首先,以模拟驾驶实验平台为基础,对不同车流密度下驾驶员的踏板信号与速度信号进行了数据采集并提取了不同驾驶风格的特征参数;然后,采用主成分分析法得到不同车流密度影响下的表征驾驶风格的综合特征参数,在此基础上应用减法聚类和K均值聚类混合算法对驾驶风格进行了分类与特征参数修正;最后,采用随机森林算法对驾驶风格进行了识别验证。结果表明,在不同车流密度影响下,本文中所提出的方法对驾驶风格识别精度高,这为混合动力汽车能量管理策略的进一步优化奠定了基础。

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可轧制约束下VRB薄壁结构的厚度分布优化方法研究^*

陈有松, 沈国民, 段利斌

2020 (12): 1728-1736. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.016

摘要 ( 171 )

PDF(2330KB) ( 178 )

连续变厚度轧制工艺(variable-thickness rolled blanks, VRB)是一种先进的轻量化制造工艺,其制作而成的VRB薄壁结构具有质量轻、吸能效果好等优点。本文中以单帽型薄壁梁的横向冲击过程为研究对象,建立了VRB单帽型薄壁梁的高精度有限元模型,基于粒子群算法(particle swarm optimizer, PSO)的思想提出一种求解可轧制约束的VRB薄壁结构最优厚度分布问题的综合学习粒子群算法(comprehensive learning particle swarm optimizer, CLPSO)。该算法可求解可轧制约束和性能约束下包含大规模设计变量的VRB薄壁梁结构的最优厚度分布问题。为验证CLPSO算法的有效性,分别开展了有/无制造约束下的VRB薄壁结构的最优厚度优化设计。优化结果表明,有制造约束的CLPSO算法相比无制造约束的CLPSO算法更容易得到可用于生产制造的设计结果,且在满足性能约束与VRB可轧制约束条件下,VRB单帽型薄壁结构的质量相比等厚度结构减轻了21.7%。

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概念设计阶段铝合金后副车架轻量化设计^*

廖莺, 李峰, 李志

2020 (12): 1737-1743. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.017

摘要 ( 235 )

PDF(1263KB) ( 361 )

本文重点探讨了铝合金后副车架性能目标的制定与轻量化设计方法。首先采用正向设计与竞品分析相结合的方法制定了铝合金后副车架的质量、模态、静刚度与强度等目标。然后为得到后副车架的骨架并轻量化,引进ICM混合建模方法,通过对后副车架传力路径的识别,对其进行拓扑优化,去除冗余材料,得到数学模型。选择参数化副车架的12个形状变量作为多学科优化轻量化设计变量,得到满足目标要求的最优形状。轻量化后质量减小1.84 kg,约减轻了7.4%;1阶弯曲模态提高10.2 Hz,约上升了4.5%。硬点静刚度与强度的分析结果也表明了该方法快速可靠,具有良好的工程应用前景。

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新能源电动汽车低温热泵型空调系统研究^*

汪琳琳, 焦鹏飞, 王伟, 伊虎城, 牟连嵩, 刘双喜, 许翔

2020 (12): 1744-1750. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.018

摘要 ( 318 )

PDF(1626KB) ( 614 )

为提高电动汽车的能源经济性,减少低温制热性能衰减问题,提出并分析对比了3种用于低温环境的热泵空调系统解决方案:(1)余热回收利用:回收利用电池、电机和电控系统的余热,提高热泵空调系统性能的同时,优化整车的能量消耗。(2)蒸汽喷射热泵空调系统:对R1234yf制冷剂的蒸汽喷射热泵空调系统进行了试验研究。结果表明,开蒸汽喷射比不开蒸汽喷射时的热泵系统的制热COP约高10%～30%,环境温度越低,制热COP改善越明显。(3)CO₂制冷剂热泵空调系统:研究显示由于CO₂制冷剂的特性,热泵系统可在环境温度-20　℃稳定有效地采暖。得出的结论是,目前利用蒸汽喷射热泵空调系统是解决新能源电动汽车低温采暖的有效手段,而在未来,使用自然制冷剂CO₂是必然趋势。

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基于灵敏度排序的焊点布置鲁棒性分析方法研究^*

宋海生, 陈志勇, 杨娜, 杨昌海, 史文库

2020 (12): 1751-1757. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.12.019

摘要 ( 175 )

PDF(2179KB) ( 281 )

鉴于目前焊点布置的鲁棒性分析常用的蒙特卡洛鲁棒性分析方法存在成本高、效率低和精度严重依赖抽样数量的缺点,本文中借鉴蒙特卡洛重要抽样理论,提出了一种基于焊点灵敏度排序的鲁棒性分析方法,并以某国产轻型客车的焊点布置方案为例,将两种方法进行了对比验证。结果表明,本文提出的方法效率高、成本低,仅需要较少的抽样即可获得较高的精度。

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