汽车工程

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氢燃料电池汽车整车集成式热管理系统研究

朱仲文,汪鑫,江维海,李丞

2023 (11): 1991-2000. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.001

摘要 ( 306 )

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PDF(4189KB) ( 336 )

有效的热管理对于燃料电池汽车（fuel cell vehicles，FCV）的高效运行至关重要。燃料电池汽车热管理多采用各子系统独立管理方式，然而这种独立的方式并不能很好地利用自身余热从而提高热管理效率和续航里程。对此，本文开发了一种利用燃料电池余热的整车集成式热管理（vehicle integrated thermal management，VITM）系统，采用热交换器进行一体化的VITM，实现燃料电池的余热回收和各部件高效的热管理，通过六通阀的集成设计实现各回路解耦的灵活管理。并在AMESim仿真平台上开展热管理的仿真研究。结果表明：本文开发的VITM系统能保持燃料电池汽车各部件稳定维持在规定的工作温度范围内；在-10 ℃的环境温度下，利用燃料电池余热作为热源的热泵空调给动力电池加热，与直接加热模式相比，加热时间缩短55%；给乘员舱加热的时间缩短85%，且能耗比（coefficient of performance，COP）值为4，能耗降低75%。

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基于三介质换热器的电动汽车热管理系统及其性能分析

于天蝉,王源,石文星,梁辰吉昱,李先庭,岑俊平,罗敏

2023 (11): 2001-2013. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.002

摘要 ( 123 )

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PDF(7991KB) ( 160 )

电动汽车能实现节能减排与蓄能调峰，其推广应用对于我国“双碳”战略目标的实现具有重要意义。针对现有电动汽车热管理系统尚存在换热流程复杂、系统能效低、难以轻量化集成等问题，本文中提出基于三介质换热器的电动汽车热管理系统，通过样机实验测试建立了三介质换热器计算模型，并结合电动汽车负荷模型与热泵模型建立了三介质换热器电动汽车热管理系统性能模型，分析该系统在不同工况下的运行特性，并与现有典型热管理系统方案进行性能对比。结果表明，在夏季36 ℃、60 km/h工况下，三介质换热器热管理系统相较于现有的采用风冷冷凝器、液冷冷凝器的热管理系统分别节能2.3%、15.1%；在冬季0 ℃、60 km/h工况下，采用舱外、舱内三介质换热器进行余热回收时，分别比不采用余热回收的系统节能5.9%、19.7%。

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低温环境下车用锂电池预加热策略研究

薛撬,李军求,肖焱升,赵宇,刘宇,韩冬雪

2023 (11): 2014-2022. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.003

摘要 ( 189 )

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PDF(3022KB) ( 311 )

为提升电动车在低温环境下的续航里程，提出基于加热目标温度优化的电池组预加热策略，充分提高电池在低温环境下的能量效率，满足目标行驶里程的需求。首先通过实验测试确定不同温度下电池的最大放电能量；其次基于不同温度下电池的能量保持率和考虑温度对电池寿命的影响，建立非线性多目标约束方程并求解，得到不同环境温度和不同SOC状态下电池的最优加热目标温度；最后基于实测数据标定的整车物理模型对加热策略进行验证。实验结果表明，在-15和-5 ℃的初始温度下，基于优化的电池加热目标温度，整车的续航里程最大分别提高了8.41%和4.77%，说明所提方法能够明显提升低温下电动车的续航里程。

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汽车乘员舱热舒适性影响因素多参数优化分析

王国华,桑国辉,张英朝,徐金诚

2023 (11): 2023-2033. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.004

摘要 ( 135 )

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PDF(5385KB) ( 115 )

目前纯电动汽车续航里程受环境影响程度较大。本文以SUV车型为研究对象，利用计算流体力学软件搭建了乘员舱的数学模型，耦合了人体热生理模型，将Berkely热舒适性评价模型用于乘员舱内人体热舒适性的评测。针对高温工况分别就送风温度、送风速度和送风湿度对乘员舱内部热环境、空调的总负荷以及人体热舒适性的影响程度进行了研究。结果表明，在送风风速由低到高改变的过程中，乘员的整体热舒适性会先上升，后下降，且能耗也随之升高。且在较低送风风速条件下，送风温度的变化对整体热舒适影响有限。送风湿度对热舒适的影响程度要弱于送风温度和送风风速。同时本文将送风风温、送风相对湿度、送风风速作为自变量，把乘员的整体热感觉、整体热舒适指标乃至空调系统总负荷当作研究对象，拟合出它们之间关系的回归方程。利用多参数优化分析的方式，不同送风参数对热舒适性和空调负荷的影响进行耦合分析。把乘员的整体热舒适指标的目标值设置成0，把空调系统热负荷降目标值设置成最小值，并且使乘员的整体热舒适指标与空调系统负荷二者的权重均设置成1，求取最佳方案，实现在提高热舒适性的同时减小空调系统热负荷的目的。

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非均匀热环境人体局部热响应对整体热感觉影响差异性分析

陈吉清,李晓婷,兰凤崇,李伟健

2023 (11): 2034-2046. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.ep.005

摘要 ( 118 )

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PDF(4102KB) ( 153 )

在车辆智能化与电动化趋势下满足人体热舒适性和车辆节能性双向需求是乘员舱区域化热环境管理的重要优化目标。尤其在高度非均匀“热-流”特性狭小空间环境中，只有正确认识并量化人体局部受热、响应和热需求的差异性与相关影响，才能高效地优化乘员舱热环境。为此，结合人体自身物理和生理热调节特性及其与乘员舱环境传热关系，建立人体热响应数值分析模型，分析非均匀局部气流作用下人体皮肤温度和热感觉变化规律，并应用影响因子分析方法量化局部与整体热感觉关系特征，得到局部气流作用状态对人体整体热感觉影响的不同关键部位。结果表明，在相同强度冷/热激励下，人体头部和手部是影响人体整体热感觉的主要部位，二者皮肤温度和热感觉变化幅值最大；高温环境中局部冷却作用需求的关键部位依次为头部、手部、前胸和后背，偏冷环境中局部加热作用需求的关键部位为头部、手部和脚部。

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锂电池热管-液冷板式冷却结构多目标优化

段志勇,马菁

2023 (11): 2047-2057. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.006

摘要 ( 95 )

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PDF(3653KB) ( 164 )

为满足锂电池成包后的温度一致性需求，本文提出一种基于热管与液冷板的复合冷却结构。利用数值模拟对液冷板内两种不同流道（流道I和流道II）的冷却性能进行对比，结果表明流道II的冷却性能更优；采用正交试验法筛选出4个对流道II冷却性能影响较大的结构因素作为设计变量，以电池组温差和冷却液压降为目标函数，建立设计变量与目标函数之间的Kriging代理模型并采用NSGA-II遗传算法进行寻优。与初始结构相比，优化后的流道II对应的电池组温差和冷却液压降分别降低了10.52%和50.14%，而电池组最高温度仅升高了0.68%。本文的方法和结论可为热管式锂电池冷却结构的设计与优化提供借鉴。

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基于同心圆结构的新型液冷板优化设计及其性能研究

路兴隆,张甫仁,赵海波,孙世政,李雪,赵浩东

2023 (11): 2058-2069. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.007

摘要 ( 61 )

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为提升电池热管理系统的综合性能，本文提出了一种具有同心圆结构通道的液冷板。首先，利用控制方程讨论了环形通道数量和宽度对液冷板综合性能的影响，并通过综合评价指标选出了最佳环形通道数量和宽度。然后，为了更大程度上降低液冷板压降，将部分曲段通道进行直化，并优化了直段通道角度以及圆心距。与初始模型相比，最优模型的压降降低了62.83 Pa（67.61%），温度降低了1.1 ℃。最后，为进一步提升系统的散热性能，在最优模型的基础上引入了不同种类和体积分数的纳米流体作为冷却介质，与纯水相比，在低雷诺数下采用纳米流体作为冷却介质可以获得较好的综合性能，综合评价指标最高可提升16.19%，效果显著。

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基于帧间隔-总线电压混合特征的汽车ECU伪装攻击识别

刘浩天,魏洪乾,时培成,张幽彤

2023 (11): 2070-2081. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.008

摘要 ( 59 )

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PDF(4764KB) ( 55 )

汽车的网联化和智能化发展提高了汽车内部总线CAN（controller aera network）网络被入侵的风险。不像以太网具有完善的身份认证机制和加密传输协议，总线CAN网络采用明文传输数据，其报文非常容易被非法ECU窃取和攻击。因此，如何设计车载的入侵检测系统识别ECU的非法篡改和伪装攻击成为当前汽车网络安全研究的重点和难点。基于此，本文提出了基于帧间隔-总线电压混合特征提取的汽车ECU伪装攻击识别技术。首先，借助嵌入式设备的时间戳机制获取报文帧的帧间隔时间；同时，采样汽车总线网络的电压信号，并采用快速信号处理技术获取总线电压的特征参数（如电压众数和边沿时间等），以此构建ECU识别的指纹特征（即混合特征参数，包含帧间隔时间、电压众数、位时间、边沿时间等）。然后，利用轻量化的Softmax学习算法训练IDS模型并在线识别潜在的伪装攻击等非法入侵行为。为了验证所提方法的有效性，本文开展了基于ECU设备的硬件试验测试；结果表明，所提方法对所有合法ECU的识别精度高达98.33%，即可以通过甄别报文消息源头判断非法入侵；并且相较于传统的基于单特征指纹的方法，本文所提方法能够提高7%左右的识别精度。

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基于特征和标签联合分布匹配的智能驾驶跨域自适应目标检测

刘正发,吴亚,刘佩根,顾荣琦,陈广

2023 (11): 2082-2091. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.009

摘要 ( 67 )

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PDF(4083KB) ( 53 )

现有的跨域自适应目标检测器主要通过特征分布匹配学习域不变特征来减小域偏移。然而，它们忽略了现实世界中因目标检测对象组合不同和类不平衡等引起的标签分布偏移问题，导致这些方法泛化性较差。为解决这一问题，本文提出一种基于特征和标签联合分布匹配的域自适应目标检测算法，以同时在特征和标签级别上显式对齐域分布。首先，提出一个图像级分类嵌入模块，通过对比学习增强全局特征可迁移性和可判别性。然后，提出类级分布对齐模块，通过多级特征对齐实现域间多模态结构对齐。最后，提出增强一致性正则化模块，通过区域一致性正则化实现跨域标签分布对齐。在多个数据集上的实验表明，所提出的域对齐算法能有效地促进跨域数据迁移前后语义一致性，为智能汽车跨视觉域应用提供了一种有效的解决方案。

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基于RMPC的自动驾驶货车路径跟踪控制

胡杰,陈锐鹏,张志豪,向博文,刘昊岩,朱琪,郭启翔

2023 (11): 2092-2103. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.010

摘要 ( 110 )

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PDF(5127KB) ( 137 )

针对自动驾驶货车相较于普通乘用车具有较大模型不确定性、执行器偏差以及存在曲率扰动等外部影响因素导致路径跟踪精度不足问题，本文提出一种基于鲁棒模型预测控制（robust model predictive control，RMPC）的分层式控制方法。首先，在转角增量式控制误差模型的基础上，根据实际车辆系统与标称模型之间的偏差，设计鲁棒控制律并构建上层多目标约束RMPC控制器，提高跟踪精度。然后，针对自动驾驶货车不足转向以及定位误差问题，设计下层转角补偿器和基于中值滤波的状态估计器，改善执行响应，提升车辆稳定性。最后，通过TruckSim/Simulink联合仿真和实车试验验证，结果表明：所提出的控制方法能够有效处理模型失配和不确定性扰动，具备良好的鲁棒性和适应性。

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基于多参数控制的分布式驱动电动汽车操纵稳定性控制策略研究

宋强,王冠峰,商赫,张念忠

2023 (11): 2104-2112. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.011

摘要 ( 106 )

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PDF(2612KB) ( 167 )

为改善高速低附着路面上的车辆动力学性能，本文针对分布式驱动电动汽车提出一种基于多参数控制的操纵稳定性控制策略，包括上层轨迹跟踪控制和下层转矩分配控制。上层控制器设计基于2自由度车辆模型和驾驶员预瞄偏差模型，提出了MPC轨迹跟踪控制策略，实现对侧向偏差、横摆角偏差、质心侧偏角、横摆角速度的多参数控制。下层控制器以轮胎负荷率最小为优化目标，获得4个车轮电机转矩的最优分配量，借助于7自由度动力学模型，在双移线、蛇行工况下完成了CarSim-Simulink联合仿真。结果表明：提出的控制策略改善了高速、低附着工况下的操纵稳定性和轨迹跟踪精度。

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纯电动汽车传动系统-电机结构参数协同设计优化

何智成,谢泽军,刘侃,周恩临,唐谦,黄元毅

2023 (11): 2113-2122. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.012

摘要 ( 109 )

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PDF(2377KB) ( 186 )

提出一种纯电动汽车传动系统与电机结构参数协同设计优化方法，来提高纯电动汽车动力性与经济性，同时降低永磁同步电机齿槽转矩以降低电机的振动噪声。首先，以电机结构参数为输入，额定转矩与齿槽转矩为输出，开展了基于电机多参数仿真和不同机器学习预测模型精度的研究，并建立永磁同步电机额定转矩和齿槽转矩的高精度机器学习预测模型；其次，利用电机基本设计参数（额定转矩、峰值转矩、额定转速、峰值转速）以及峰值效率构建永磁同步电机效率map图的快速预估数学模型；再次，基于电机齿槽转矩预测模型以及电机效率map图的快速预估数学模型，建立电机结构参数与效率特性的映射关系；最后，以电机结构参数和传动比为优化变量，整车动力性、经济性以及电机齿槽转矩为优化目标，运用遗传算法进行多目标优化。仿真结果表明，相较于优化前，优化后的整车性能0-100 km/h加速时间缩短了27.3%，15 km/h最大爬坡度提高了40.5%，WLTC工况能耗减少了1.6%，电机齿槽转矩降低了42.2%。

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车用燃料电池堆低温停机吹扫试验研究

吕平,孙昕,许有伟,张宝,徐家慧,邢丹敏

2023 (11): 2123-2129. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.013

摘要 ( 63 )

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PDF(2597KB) ( 76 )

质子交换膜燃料电池停机吹扫是保证电池在低温环境下安全存储与正常启动的重要方法。为实现快速停机吹扫，且满足-40 ℃无损存储与低温启动的要求，本文首先构建了吹扫过程水平衡模型，对吹扫过程水的产生和移除进行分析；其次，对吹扫主要参数进行敏感性分析，确定了电池温度为强敏感性参数，增湿温度为中敏感性参数，气体流量为弱敏感性参数；再次，对吹扫结果进行30次-40 ℃/60 ℃的冻结/解冻循环试验，并对试验后电池进行物理形貌和电化学分析；最后，进行了-40 ℃低温启动验证。结果表明，通过对吹扫参数的优化大幅缩短了低温停机吹扫时间，吹扫后的电池在-40 ℃低温存储后性能未见衰减，形貌无明显变化，且吹扫后的电池能够实现-40℃低温启动。

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火花辅助压燃准维燃烧模型的建立及应用

王耀东,苏岩,郎茂春,李小平,解方喜

2023 (11): 2130-2138. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.014

摘要 ( 38 )

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PDF(3076KB) ( 66 )

本文采用湍流火焰传播速度模型描述火花点燃（SI）燃烧，针对单个自燃点仍采用湍流火焰传播速度模型，将所有自燃点的当量湍流火焰速度集合作为总当量湍流火焰速度用来描述压燃燃烧，进而建立了火花辅助压燃（SACI）准维燃烧模型。基于该模型研究了空气、外部废气再循环（EGR）稀释对SACI的影响，仿真和实验匹配良好。计算表明：SACI的火焰传播速度高于SI，随点火提前而增大，外部EGR稀释的火焰传播速度低于空气稀释；点火推迟或者增加外部EGR都会导致火焰前锋面面积峰值升高，衰减速度减慢，燃烧等容度减弱；稀释率相当时，空气稀释的热效率更高，但外部EGR稀释的尾气后处理更容易。

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三火花塞点火系统对混动专用发动机稀燃性能影响试验研究

闫博文,Waters Benjamin,Pendlebury Ken,胡铁刚,张家祥,杨晓前,蒲运平

2023 (11): 2139-2147. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.015

摘要 ( 48 )

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PDF(4629KB) ( 67 )

基于一台三缸1.5TGDI增压直喷发动机研究了三火花塞点火均质稀燃对发动机性能的影响。结果表明：三火花塞可有效拓展稀燃极限，压缩比15时，采用三火花塞在2 000 r/min、8 bar BMEP的特征工况点可实现lambda 1.95的稳定燃烧，最低油耗相比单火花塞降低约5 g/（kW·h），NO _x 原始排放可降低至约50×10^-6，此时lambda受增压能力限制难以进一步增加；压缩比增加至16所能实现的最低油耗相比压缩比15改善不明显，且稀燃极限有所下降。三火花塞对爆震倾向改善作用较小，但可显著加快稀混合气的燃烧速率，相同lambda条件下其燃烧持续期相比单火花塞可缩短约3-6°CA，lambda 1.95时的燃烧持续期相比当量燃烧仅增加约2°CA。通过对潜在最高热效率的研究表明，采用三火花塞设计可在压缩比15条件下最终实现45.02%的有效热效率。

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车用大功率燃料电池发动机进气系统控制

石晨旭,杜常清,王超,李兴意,张家铭

2023 (11): 2148-2156. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.016

摘要 ( 63 )

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PDF(4325KB) ( 95 )

为满足100 kW大功率氢燃料电池发动机工作时气体供应需求，开发进气系统控制策略。首先对燃料电池电堆及进气系统进行建模，依托被控对象模型设计开发了“MAP前馈+PID反馈”的阴、阳极进气控制策略，采用单片电压状态与系统效率加权求和的方式标定阳极吹扫时间，并通过台架测试验证了该策略部署到实际控制器中的控制效果。结果显示，在稳态和瞬态工况中均实现了对压力和流量的快速响应，使得电流拉载速率提高到120和-170 A/s，阳极压力稳态和瞬态控制精度分别为98.93%和95.10%，全功率单片电压平均值为15 mV，一致性较好。基于测试数据标定搭建了阴极进气系统状态方程，开发了集成非线性扰动观测器和基于Lyapunov直接法的非线性控制器的进气方案，经MIL仿真测试显示了对空气进气控制目标的准确控制，为进一步提高控制系统响应精度提供了理论基础。

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副车架静刚度修正方法及多层级拓扑优化

苏永雷,张志飞

2023 (11): 2157-2164. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.017

摘要 ( 99 )

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PDF(2238KB) ( 127 )

本文构造副车架静刚度与K&C性能的并行仿真流程，提出考虑多学科性能耦合的副车架静刚度目标修正方法，并系统地建立一体式空心铸铝副车架分层级设计优化方法。首先，建立副车架计算模型并改进加载方法，提出局部坐标系下的静刚度计算方法，并集成副车架静刚度分析、模型缩减分析、K&C性能分析3种工况，执行多样本分析并通过实验设计矩阵转换，构建K&C性能与静刚度性能的组合代理模型，基于组合代理模型利用K&C性能修正静刚度目标；其次，开展多性能约束的副车架多层级拓扑优化，通过第1层级拓扑优化完成等壁厚主体结构设计，通过第2层级拓扑优化完成变壁厚结构设计。结果表明：经过多层级拓扑优化的副车架1阶、2阶扭转模态分别提升39.3%、14.9%，静刚度及K&C性能满足目标要求，其他各项性能指标均得到显著提升且实现轻量化。本文可为副车架静刚度性能目标制定、K&C性能提升及副车架结构优化提供参考。

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碳陶盘式制动器散热特性台架实验分析与数值仿真研究

张荣荣,孙思睿,樊杰,刘苏俊,杨勤超,张风利

2023 (11): 2165-2174. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.018

摘要 ( 84 )

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PDF(4169KB) ( 190 )

制动器的散热能力与乘用车的行车制动性能关联紧密，其中高性能车型在激烈驾驶过程中对制动器的散热能力有更高的需求。本文针对某型碳陶通风盘式制动器总成开展台架实验，并通过对制动盘降温工况中冷却系数的计算，提出了一种表示对流及辐射综合换热的通用拟合关系式，对定量描述制动器的散热性能具有重要参考价值。随后，对该制动器模型进行计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）仿真，探讨了不同变量对该型制动器散热特性的影响，揭示了防尘罩对制动器散热的影响机制。结果表明：对于制动盘初始表面平均温度500 ℃且无防尘罩遮挡的降温工况，对流换热占总换热量的75%以上，其中制动盘外表面的对流换热起主导作用；此外，当制动盘受防尘罩遮挡时，贴近防尘罩一侧制动盘表面空气温度升高以及制动盘通风道内质量流率的下降使其散热能力显著降低。本文分析结果对制动器散热导流通道的优化设计具有重要指导意义。

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基于薄板承载特性的车身接头结构设计方法

王超,于万元,成艾国,何智成

2023 (11): 2175-2186. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.019

摘要 ( 117 )

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接头作为白车身框架的关键结构，合理的接头设计对白车身承载能力的提升具有重要意义。本文以B柱下接头为研究对象，提出了基于薄板承载特性的车身接头通用结构设计方法。首先阐述了薄板结构的载荷类型、传力方式和承载特性，为后续的通用接头结构提供理论基础；其次通过灵敏度分析识别了接头载荷条件，用于分析接头的薄板承载特性；然后建立了T型接头薄板的设计规则，并归纳了接头通用结构设计。应用实例与试验表明：接头刚度和车身扭转刚度分别提升35%和8.5%，质量仅增加0.16%。该方法可以快速、有效地改进接头结构设计，提升车身刚度性能。

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