汽车工程

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基于NMPC的智能汽车纵横向综合轨迹跟踪控制

陈龙,邹凯,蔡英凤,滕成龙,孙晓强,王海

2021 (2): 153-161. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.001

摘要 ( 834 )

HTML ( 38 )

PDF(1048KB) ( 1117 )

本文中针对大曲率转弯工况下，智能汽车纵横向动力学特性的耦合和动力学约束导致轨迹跟踪精度和稳定性下降的问题，提出一种基于非线性模型预测控制（NMPC）的纵横向综合轨迹跟踪控制方法，通过NMPC和障碍函数法（BM）的有效结合，提高了跟踪精度，改善了行驶稳定性。首先建立四轮驱动-前轮转向智能汽车动力学模型和轨迹跟踪模型，采用非线性模型预测控制计算出期望的纵向力、侧向力和横摆力矩；然后基于轮胎动力学模型建立带约束的非线性规划数学模型，利用障碍函数法求解出四轮轮胎力的最优分配，并最终实现四轮驱动智能汽车纵横向综合轨迹跟踪控制。最后进行Carsim和Simulink联合仿真，结果表明，与传统的预瞄PID控制相比，所提方法可在考虑纵横向动力学耦合的情况下明显改善跟踪精度和行驶稳定性。

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基于电机最优回馈转矩曲线的制动控制策略

曾小华,陈虹旭,宋大凤,崔臣,李占江,蒋元广

2021 (2): 162-170. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.002

摘要 ( 342 )

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PDF(4337KB) ( 452 )

本文中首先基于电机等效电路模型，分析了车用内置式永磁同步电机的耗能制动状态和回馈制动状态；然后根据电机矢量控制原理，对控制电流指令进行解析，并经试验数据的验证；接着计算得到永磁同步电机最优回馈转矩曲线，并据此提出一种制动回馈能量最优的串联制动控制策略。最后针对某P4并联混合动力商用车，仿真分析了在C?WTVC、CHTC?TT循环工况和试验采集到的某段省道工况下，并联制动和所提出的串联最优制动控制策略下的百公里油耗和制动回收能量。结果表明，与并联制动控制相比，基于电机最优回馈转矩曲线的串联制动控制策略可降低油耗，并回收更多的制动能量，实现制动回收能量和燃油经济性的提升。

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基于能量流分析的纯电动汽车电耗优化研究

黄伟,张桂连,周登辉,胡林

2021 (2): 171-180. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.003

摘要 ( 730 )

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PDF(3369KB) ( 781 )

能量流分析研究是了解车辆能量利用情况和优化车辆经济性的有效方式，针对于某款纯电动汽车电量消耗偏大的问题，设计了纯电动汽车能量流测试方案，完成了主要部件性能对标测试分析；通过理论分析建立了影响电量消耗的数学模型和基于价值因子的优化参数选取方法；基于CRUISE电耗仿真分析模型，分别从电驱动系统效率提升、滚阻优化、提升制动能量回收率以及优化附件控制策略等方面进行了定量的电耗优化分析。实车应用测试结果表明：优化后的整车能量流效率得到明显改善，DC/DC充电效率提升到90%，制动能量回收率提升到18%以上，NEDC工况下整车电耗降低了13.78%，进一步改善了纯电动汽车能量利用的经济性。

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并联混合动力汽车ECMS的时变等效因子提取算法的研究

李跃娟,齐巍,王成,张博,卢强

2021 (2): 181-188. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.004

摘要 ( 335 )

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PDF(2913KB) ( 392 )

为解决当前等效燃油消耗最小控制策略（ECMS）未能根据实际工况选取最优等效因子的问题，利用动态规划算法（DP）和ECMS各自的优点，构建并联混合动力汽车能量算法模型，即采用动态规划算法的等效燃油消耗最小控制策略（ECMSwDP），将等效因子作为全局最优算法的控制变量，通过对等效因子的离散全局优化，获得基于工况的最佳时变等效因子。在标准工况下对时变等效因子实时控制策略与全局最优控制策略DP的各项性能参数进行了数值仿真，验证了时变等效因子提取算法的有效性和等效因子初始值选取方法的可行性。

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网联车对抗神经网络跟驰模型

梁军,王军,杨云庆,陈龙,盘朝奉,鲁光泉

2021 (2): 189-195. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.005

摘要 ( 283 )

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PDF(2111KB) ( 427 )

针对当前混行交通流场景下网联车对前车速度变化的实时性、安全性和车队稳定性较差的状况，提出一种由生成模型和辨别模型构成的网联车生成式对抗网络车辆跟驰模型（GANVFM）。其中，生成模型提取跟驰参数中的前车速度、跟驰车速和相对车距计算生成加速度；辨别模型对生成模型生成的加速度参数进行相似度计算，并通过更新函数加以更新。采用速度和加速度的均方差 $σ$ 、追尾预测因子 $γ n$ 和跟驰状态因子 $φ n$ 作为对应的指标，对车辆的实时性、安全性和车队的稳定性进行分析。实验结果表明：GANVFM的 $σ$ 和 $γ n$ 均最小，GANVFM对前车速度变化的实时性和安全性高；随着网联车渗透率 $δ$ 的升高， $φ n$ 降低、车队长度缩短，车队稳定性提高。

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大功率型氢燃料电池重卡动力系统匹配设计

刘世闯,孙桓五,王瑞鑫,李昊,张东光

2021 (2): 196-203. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.006

摘要 ( 682 )

HTML ( 44 )

PDF(1578KB) ( 1013 )

针对大功率型氢燃料电池重卡动力系统设计尚无成熟控制策略问题，提出了动力系统匹配设计中大功率型氢燃料电池保护优先的控制策略。根据该策略确定设计流程、零部件选型、参数匹配和计算。在此基础上，进行了动力系统构型优化，并基于稳态工况进行了燃料电池选型，同时综合考虑重卡实际工况特性和效率特性对氢燃料电池、动力电池和电机的功率以及传动比等参数进行匹配设计和零部件参数确定。基于设计结果，在 Cruise中建立大功率型氢燃料电池重卡整车模型进行分析和优化，根据设计和优化结果完成了原型车的设计和制造，并初步进行了总体性能参数的验证。本研究为大功率型氢燃料电池重卡动力系统的匹配设计提供了参考。

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锂离子电池多因素动态生热率模型

潘海鸿,李熠婧,张沫,梁刚,陈琳

2021 (2): 204-209. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.007

摘要 ( 500 )

HTML ( 11 )

PDF(2698KB) ( 602 )

为提高生热率模型的仿真精度，基于Bernardi生热率模型车用锂电池实际应用，提出建立多因素动态生热率模型。首先，综合考虑温度、荷电状态和充放电倍率对Bernardi生热率模型的参数动态影响；其次，利用实验数据建立融合多种影响因素的动态内阻和动态温熵系数的数学模型，将这两个数学模型代入Bernardi生热率模型构建多因素动态生热率模型；然后，开发该模型充电、放电和充放电循环3种工况的仿真程序并仿真电池的动态温度；最后，将电池温度的仿真值与实验值对比验证，结果表明所建立的动态生热率模型能够准确仿真电池在不同工况下的动态温度，其误差小于3.25 ℃。

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针对儿童座椅拉拽失效的车身结构改进

汪隋,宋正超

2021 (2): 210-217. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.008

摘要 ( 300 )

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PDF(2436KB) ( 328 )

在乘用车前期设计阶段，为让儿童保护的安全性能得到控制和优化，以某乘用车根据国家安全法规要求进行儿童座椅拉拽台架试验时，ISOFIX固定装置出现焊点从车身上拉脱失效为例，基于焊点热影响区损伤的焊点失效准则和钣金断裂失效准则，运用有限元分析对其进行虚拟评估和结构改进，有限元分析与试验结果吻合良好。改进结构通过了儿童座椅拉拽台架试验，表明了基于儿童座椅拉拽安全性能的车身结构强度分析具有很好的可靠性和适用性。

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基于拉拽安全性能的汽车座椅优化设计

张志飞,胡桐铜,范维春,王长金,黄瑞文

2021 (2): 218-225. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.009

摘要 ( 330 )

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PDF(3095KB) ( 464 )

首先，基于国家标准GB14167—2013《汽车安全带固定点》中的座椅拉拽安全性能试验规程对汽车座椅单体进行建模仿真，并经试验验证模型的可靠性。然后，为改善座椅拉拽安全性能并实现轻量化，同时考虑NVH性能对座椅结构模态频率的要求，从概念设计阶段到详细设计阶段，对座椅骨架进行拓扑优化和尺寸优化。在概念设计阶段，通过多个静态载荷模拟座椅在动态载荷下的变形趋势，以静态载荷下的座椅骨架总柔度最小为目标，设计区域体积和1阶模态频率为约束，对座椅结构进行拓扑优化。在此基础上，通过相对灵敏度分析从19个部件中选出10个部件的板厚度作为设计变量，通过哈默斯雷和拉丁超立方采样的试验设计，构建了移动最小二乘法（MLSM）近似模型。以质量和滑轨最大变形量最小为目标，采用多目标遗传算法（MOGA）进行优化求解，获取Pareto最优解。结果表明：在座椅第1阶模态频率不低于19 Hz的前提下，优化后的座椅质量下降了5.7%，滑轨最大变形量减小了16.2%，在改善座椅拉拽安全性能的同时实现了轻量化。

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自动驾驶中座椅旋转速度对乘员的影响

武和全,张家飞,胡林

2021 (2): 226-231. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.010

摘要 ( 249 )

HTML ( 7 )

PDF(3621KB) ( 362 )

为提高自动驾驶车辆的安全性，提出用一种旋转速度曲线把座椅旋转至指定角度，研究此旋转速度下的乘员生物力学响应。首先，根据所建立的碰撞模型与假人试验数据进行对比验证；其次，改变座椅旋转方向和速度研究乘员旋转至指定位置乘员的生物力学响应。结果表明：在200 ms内采用等腰梯形旋转速度曲线旋转至±45°和±90°不会引起乘员额外的损伤风险。

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柴油机气缸垫状态参数预测与结构优化研究

董意,刘建敏,李普,刘艳斌,乔新勇

2021 (2): 232-240. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.011

摘要 ( 236 )

HTML ( 5 )

PDF(3174KB) ( 408 )

为提高某重型柴油机气缸垫的可靠性和疲劳寿命，基于其温度场、热机耦合应力场和变形情况等状态参数利用相关方法对气缸垫的工作参数进行了优化研究。利用正交实验方法分析了缸垫的气缸圆直径、上水孔圆直径、隔热带长度、缸垫厚度和螺栓预紧力等5个工作参数对上述3个状态参数的影响规律，并确定了影响最为显著的4个工作参数。利用所提出的混合神经网络模型建立了工作参数与状态参数的对应关系模型，结合所提出的改进灰狼算法计算确定了气缸垫的最优工作参数值。分析结果表明改进后气缸垫的温度应力和变形情况得到显著改善，证明了改进的有效性和算法的准确性。

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基于碰撞安全性的铝合金吸能盒轻量优化

陈静,徐森,刘震,唐傲天,吕伟

2021 (2): 241-247. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.012

摘要 ( 387 )

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PDF(2660KB) ( 597 )

本文中以一种匹配碳纤维复合材料保险杠防撞梁的吸能盒为研究对象，通过试验设计优化，获得吸能盒最佳锥角和溃缩孔的直径及其排列；然后采用拉丁超立方抽样和基于Kriging代理模型加点策略的多目标粒子群优化算法对吸能盒厚度进行多目标优化。优化后不仅吸能盒吸能量大幅提升，且吸能盒质量明显下降。刚性壁100%重叠率正面碰撞和25%重叠度偏置柱撞试验的结果表明，吸能盒具有良好的吸能特性，碰撞变形模式合理。最后，对保险杠防撞梁和吸能盒样件进行了低速碰撞台车试验，验证了吸能盒碰撞位移量的仿真结果，误差较小。

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基于侧碰耐撞性的B柱轻量化设计

夏丁,邸曙升,潘林,赵志新,陆劲昆,张建,吴昌生

2021 (2): 248-252. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.013

摘要 ( 369 )

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PDF(1706KB) ( 538 )

研究了薄壁梁三点弯曲工况压溃力与材料强度和板厚的关系，并提出了一种B柱轻量化设计方法。对于B柱下端，侧撞时发生压溃折弯，可近似等效为三点弯曲工况，且用高延性高强钢代替普通的强度较低的高强钢，进行B柱下端的轻量化设计。至于B柱上端，因其侧撞时主要发生刚性转动，可等效为静力学问题，施加侧撞等效静载力，将B柱上端划分成N段，利用Optstruct软件对各段板厚进行优化。最后以某车型为例，将B柱上、下端优化方案导入整车侧撞模型中进行优化。结果表明优化后B柱关键部位的侵入速度和侵入量与原始设计几乎相当，证明该轻量化设计是有效的，优化实现了24%（1.9 kg）的轻量化效果，而其耐撞性不受影响。

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预溃拉伸吸能结构的构建、分析与优化

王建海,兰凤崇,曾立锵,陈吉清,宋瑞

2021 (2): 253-261. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.014

摘要 ( 228 )

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PDF(2222KB) ( 470 )

本文中基于对拉伸吸能方案优越性的分析，创新性地提出了一种能有效提升碰撞吸能性能的预溃拉伸吸能结构。首先通过吸能盒的压缩试验和标准拉伸样件的拉伸试验，表明了拉伸吸能具有更高比吸能的优点。随后构建了一种利用吸能杆拉伸吸能的预溃拉伸结构，通过有限元碰撞仿真分析其碰撞形变和吸能特性，并对其板厚参数进行优化。结果表明：新型结构充分发挥了材料拉伸吸能原理的优势，其比吸能比传统结构高40%，碰撞安全性能明显提升。

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轿车与6岁儿童行人不同方位碰撞中下肢损伤分析

李海岩,李琨,黄永强,贺丽娟,崔世海,吕文乐,阮世捷

2021 (2): 262-268. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.015

摘要 ( 204 )

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PDF(4046KB) ( 268 )

Euro NCAP发布的行人模型认证技术公告TB024的最新版本对6岁儿童行人模型认证提出了单独要求，旨在加强对儿童行人的保护。本研究应用符合Euro NCAP技术公告（TB024）规定并且具有详细解剖学结构的6岁儿童行人有限元模型，设置了4组不同方位行人-汽车碰撞仿真试验，以探究不同碰撞方位下的儿童下肢损伤机理。结果表明，在4种不同角度的碰撞条件下，仅270°背面碰撞时儿童股骨未发生骨折；0°碰撞时儿童下肢膝关节韧带损伤最为严重；180°左侧碰撞下，对撞侧膝关节半月板最容易发生损伤，而撞击侧股骨远端生长板存在较大的受伤风险；270°背面碰撞中儿童的胫骨和腓骨最容易发生损伤。本研究为儿童行人保护和儿童下肢损伤的治疗提供了理论依据，为汽车安全防护装置的研发提供数据支持。

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磁流变半主动悬架研究及实车试验分析

彭志召,危银涛,傅晓为,姚谢钧

2021 (2): 269-277. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.016

摘要 ( 365 )

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PDF(5038KB) ( 631 )

针对车辆半主动悬架系统的整车协调控制，通过悬架动力学模型分析了耦合量的影响，提出了一种主从控制方法。基于自行研制的并联常通孔式磁流变减振器和控制系统开展了实车道路试验。在越野路行驶时，驾驶员坐垫处的加权加速度降低了13.8%~42.6%，车身俯仰角速度降低了21.1%~53.7%；蛇行试验中车身侧倾角速度、角度分别平均降低了65%和38.5%；变道试验中车身侧倾角速度、角度分别平均下降65%和51%。综上所述，研制的磁流变悬架系统显著地提升了车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶安全性。

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考虑未知输入的主动悬架路面高程与等级识别研究

丁仁凯,蒋俞,汪若尘,刘伟,孟祥鹏,孙泽宇

2021 (2): 278-286. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.017

摘要 ( 314 )

HTML ( 10 )

PDF(5059KB) ( 515 )

通过主动悬架的精确控制提高车辆乘坐舒适性与行驶安全性的基本前提是进行路面高程与等级识别。本文中设计了考虑未知输入的卡尔曼观测器，以获取路面高程信息；根据路面高程建立AR模型，得到路面功率谱密度，并求取兴趣频段内路面功率谱密度均方根值，实现了路面的等级分类。仿真分析了不同工况下路面高程估计方法和路面等级分类方法的准确性，并搭建了试验台架，验证了所提出路面高程估计方法和路面等级分类方法的有效性，为主动悬架的智能控制提供了必要条件。

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考虑气液混合流体时变特性的阀片式液压互联悬架建模

谭博欢,林祥,张邦基,郭春杰,张农

2021 (2): 287-295. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.018

摘要 ( 214 )

HTML ( 3 )

PDF(3010KB) ( 386 )

针对液压互联悬架中气液混合流体对悬架系统特性的影响，推导了气液混合流体物理性质的时变特性模型，提出一种非线性形变修正函数，用以修正所建立的阻尼阀阀片变形等效模型，从而建立了一种考虑气液混合流体时变特性的阀片式单缸液压互联悬架非线性动力学模型，并通过台架试验加以验证。仿真结果表明：气液混合流体时变特性会导致液压互联悬架系统阻尼特性曲线出现明显的“迟滞”现象，并降低阻尼力的峰值，与试验结果对比显示，所提出的建模方法能准确描述“迟滞”现象，且与台架试验结果基本吻合。

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基于学习率的纯电动与燃料电池汽车分场景经济性比较研究

邱彬,禹如杰,刘勇,赵冬昶,宋健

2021 (2): 296-304. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.02.019

摘要 ( 438 )

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PDF(2429KB) ( 631 )

新能源汽车较高的成本是制约我国新能源汽车发展的重要因素之一。本研究构建了纯电动和燃料电池汽车经济性综合分析比较模型。基于新能源汽车各关键零部件的学习率曲线，对纯电动和燃料电池乘用车、客车和货车的未来制造成本趋势进行了分析和比较。同时结合我国私家车、出租车、公交车和物流车4个应用场景，对各场景下纯电动和燃料电池汽车使用成本进行了分析。最后比较了未来不同时点下两种技术路线下的总成本差异。研究发现，虽然未来增程式燃料电池汽车制造成本较低，但纯电动车使用成本价格优势明显，其中总成本将具有较强竞争力。

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