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• 2021年 第12卷 第4期
  刊出日期：2021-12-31 上一期    下一期
  综述与展望

  碳中和背景下内燃机低碳和零碳技术路径及关键技术

  帅石金, 王志, 马骁, 徐宏明, 何鑫, 王建昕

  2021, 12(4):  417-439.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.001

  摘要 ( 5016 )   HTML ( 627)   PDF (4021KB) ( 3410 )  

  自2020年9月中国在七十五届联合国大会上承诺“2030年碳达峰、2060年碳中和”以来,世界主要国家和地区2016年签署的《巴黎协定》控制全球气温上升幅度及采取碳中和政策和行动进入加速期。内燃机作为量大面广的道路、非道路移动机械和国防装备主导动力,在近中期肩负节能减排重要使命的同时,也面临着未来如何实现碳中和的巨大挑战和重要机遇。本文在分析欧、美、日、中等主要地区和国家碳中和政策和行动的基础上,提出并论述了内燃机近中期低碳和中远期零碳的两条技术路径及其可行性,以及内燃机使用生物质燃料、绿氢、绿氨和绿电合成液体燃料（e-fuel）等碳中和燃料需要解决的关键技术,旨在为内燃机的未来探索可持续发展之路。现有研究表明：内燃机作为一种高效高功率密度的燃料化学能转化为机械能的热力机,通过与电动化和智能化技术结合仍有较大的节能提升空间;内燃机相比氢燃料电池动力,产业链更完整,技术成熟度更高,成本更低,未来通过燃用碳中和燃料的新能源内燃机,仍可以在重型卡车、工程机械、船舶、航空等大型动力装备以及混合动力系统中得到大规模应用,促进中国能源和交通领域早日实现碳中和。

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  基于多传感器融合的智能汽车多目标检测技术综述

  王海, 徐岩松, 蔡英凤, 陈龙

  2021, 12(4):  440-455.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04. 002

  摘要 ( 546 )   HTML ( 529)   PDF (2298KB) ( 578 )  

  随着人工智能领域的快速崛起,智能汽车环境感知技术也得到了突飞猛进的发展,智能汽车的感知系统离不开多个以及多种传感器之间的配合使用,基于多传感器融合的智能汽车多目标检测技术也成为当下的热门研究方向,工业界和学术界都对此提出了不同的解决方案。本文对驾驶环境下基于多传感器融合的多目标检测技术进行了概述和总结,介绍了常用的车载传感器、数据集以及多传感器融合的方法和分类,对最近的多传感器检测算法进行了梳理,最后对基于多传感器融合的智能汽车多目标检测技术进行了概述,并对此方向存在的挑战和未来的发展趋势进行了分析。

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  汽车安全

  人车碰撞中行人的应急姿态对行人的损伤影响

  张道文, 刘奇, 邱健斌, 廖文俊, 母尧尧, 金思雨

  2021, 12(4):  456-466.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.003

  摘要 ( 392 )   HTML ( 516)   PDF (1932KB) ( 197 )  

  为研究行人应急姿态在车辆与行人正面碰撞时对其头部、胸部、下肢损伤的影响,利用PC-Crash软件建立行人与车辆正面碰撞的多刚体模型,根据国家车辆事故深度调查体系（NAIS）中的真实事故案例,进行事故再现和模型验证。在此基础上进行仿真实验,研究车辆在不同碰撞车速、转向角度碰撞时,行人采取不同应急姿态、动作幅度对行人碰撞损伤的影响,利用加权值评价各姿态下行人的综合损伤。结果表明：车速高于50 km/h的碰撞对行人造成较大损伤;下蹲角度达到30°时头部损伤有所降低,超过50°时行人有碾压风险;侧倾与跳跃姿态,造成头部及胸部损伤较为严重,是比较危险的姿态;跳跃0.5 m时头部损伤最严重;车辆有应急转向时,行人下蹲、跳跃对应胸部损伤较大,头部损伤则相反。

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  正面碰撞时后排乘员的下潜损伤及其防护方案

  王东林, 胡子辰, 赵亮, 靳鹏飞, 唐亮

  2021, 12(4):  467-474.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.004

  摘要 ( 283 )   HTML ( 44)   PDF (7629KB) ( 168 )  

  为设计乘员约束系统的防下潜设施,研究了乘员下潜的产生机理。使用有限元方法(FEM),对比了混III假人、FAST GHBMC和THUMS这3种后排乘员模型在正面碰撞中的下潜趋势;并发现：乘员的下潜与脊椎的变形相关。运用高生物逼真度的THUMS人体模型,设计了防护后排乘员下潜的设施;改进了乘员约束系统的参数,对比了不同约束系统参数对人体头部、胸部等部位的损伤的影响。在乘员其他损伤指标满足相关法规的要求下,选定了增大坐垫角度、增长坐垫长度、加装防下潜档杆等6种防下潜方案。结果表明：其中以加装防下潜档杆方案为最优,其最大安全带滑移距离仅为7 mm。

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  行人安全测试现行腿型冲击器的生物逼真度

  龙永程, 郝海舟, 李凡, 费敬

  2021, 12(4):  475-482.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.005

  摘要 ( 292 )   HTML ( 34)   PDF (1527KB) ( 135 )  

  探究了在车辆结构碰撞中腿型冲击器与真实人体响应的差异性。选择了高生物逼真度冲击器和更科学的、可反映实际碰撞事故中人体损伤情况的评价方法。在轿车和运动型多功能车(SUV)车型上,运用有限元方法,分析了3种腿型冲击器和人体模型动力学响应情况;对比了小腿、大腿、膝关节以及骨盆部位的损伤指标。结果表明：先进行人腿型（aPLI）中膝关节内侧副韧带腿型(MCL)比柔性腿型(Flex-PLI)的生物逼真度更好;aPLI腿型的大腿弯矩比刚性腿型(TRL)生物逼真度更好;但aPLI腿型对SUV车型发罩前缘对骨盆造成的损伤评估不全面。因此,在行人下肢评价中采用aPLI腿型和TRL腿型测试,能更全面地评估行人的损伤情况。

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  基于事故重建的行人与骑车人头部损伤的差异性

  徐洪震, 王方, 胡林, 王振, 李凡

  2021, 12(4):  483-489.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.006

  摘要 ( 150 )   HTML ( 30)   PDF (1054KB) ( 108 )  

  为保护易受伤害道路使用者（VRU）,基于“长沙深入交通事故调查数据库（IVAC）”中一系列VRU与汽车碰撞事故数据,对事故中的人体头部损伤影响进行数值再现,以获取事故中碰撞边界条件。采用有限元与多刚体耦合方法,从头部运动学和损伤响应等方面分析了骑车人和行人事故的差异性。结果表明：骑车人头部碰撞角度42.57°、相对碰撞速度51.94 km/h,行人头部碰撞角度50.23°、相对碰撞速度72.54 km/h;这些参数,均与目前行人保护实验规程中的测试边界条件（65°、40 km/ h）有较大差异;行人的头部损伤风险整体高于骑车人,颅脑损伤风险显著大于骑车人。

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  基于VRUs深度事故重建的AEB效能对头部损伤风险的影响

  韩勇, 李永强, 许永虹, 王丙雨, 高秀晶, 黄红武, 聂冰冰

  2021, 12(4):  490-498.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.007

  摘要 ( 308 )   HTML ( 42)   PDF (1887KB) ( 115 )  

  为保护道路弱势使用群体（VRUs,含行人和二轮车骑车人）的、主被动一体化的、汽车安全性设计提供理论参考依据,该文利用高精度事故再现和事故碰撞前场景重建方法,分析了VRU事故的汽车自动紧急制动系统（AEB）的传感器探测角（FOV）及制动减速度等参数的防护效能及VRUs头部损伤风险。结果表明：FOV为30°时事故规避率为45%;当FOV增加到40°、50°和90°时,较FOV为30°事故规避率又分别增加了5％、10％和20％;在FOV为90°,减速度为0.8 g时,即碰时间 （TTC）为1 s工况下,车辆平均碰撞速度降低最为明显,高达84％;AEB介入能降低VRUs与车辆前部撞击造成的损伤,但在头部落地损伤存在不确定性。

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  AEB制动对THOR 50^th假人乘坐姿态影响

  孙振东, 朱海涛, 彭伟强

  2021, 12(4):  499-506.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.008

  摘要 ( 136 )   HTML ( 32)   PDF (2003KB) ( 122 )  

  为了获得在制动紧急系统 (AEB）系统作用下THOR 50^th假人姿态变化特征,论述了车辆AEB系统在前车静止（CCRs）、前车慢行（CCRm）和前车制动（CCRb）3种测试工况试验方法并获取了AEB系统近似梯形的典型制动波形,采用二项式拟合方法构建了典型波形,分析了THOR 50^th假人坐姿离位特征。结果表明：当初始速度低于40 km/h时,相同初始速度下,减速度越大,THOR 50^th假人头部和胸部前倾量越大;在相同制动加速度下,初始车速增大,假人头部和胸部位移增大;在初始速度为40 km/h时,AEB紧急制动造成头部和胸部离位程度最大。

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  车辆转弯工况下间接式胎压监测系统脉冲数的修正

  王宝琳, 夏怀成, 董倩倩

  2021, 12(4):  507-515.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.009

  摘要 ( 141 )   HTML ( 28)   PDF (961KB) ( 110 )  

  分析了以脉冲法为原理的间接式胎压监测系统在车辆转弯工况下误报警的原因,是将正常胎压下的外侧车轮误判为缺气。利用方向盘转角作为修正参数,建立汽车转弯时的几何关系模型。分析了汽车转弯行驶时轮胎侧偏、车厢侧倾和转向系变形对内外侧车轮脉冲差的影响,提出了利用反向传播(BP)神经网络训练法对转弯工况下的外侧车轮脉冲数进行修正,构建一个3层的BP神经网络,将转弯时的车轮脉冲数等效为直线行驶时的脉冲数。结果表明：BP神经网络训练法对脉冲差拟合的决定因数为0.995,修正后的误报率为0;因此,本修正方法效果良好。

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  用于自动驾驶车辆的融合注意力机制多目标跟踪算法

  张平, 迟志诚, 陈一凡, 惠飞

  2021, 12(4):  516-521.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.010

  摘要 ( 471 )   HTML ( 45)   PDF (2256KB) ( 240 )  

  为提高自动驾驶车辆的跟踪准确性,建立了一种融合注意力机制的多目标跟踪算法。基于YOLOv3神经网络并融合注意力机制,增强了目标外观特征提取网络的性能。用该多目标检测算法,提取目标或背景的具有辨别性的特征。用长短时记忆（LSTM）网络,提取物体的运动特征。用该跟踪算法对目标轨迹进行动态建模。借助追踪目标的相似度数值和数据匹配关联,完成了多目标的跟踪任务。在多目标跟踪数据集MOT16上进行了实验。结果表明：与YOLOv3相比,考虑注意力机制的多目标检测算法的成功率提高了1.9%;该算法的准确度53.9%,精确度79.0%;因而,本算法实现了对目标的稳定跟踪。

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  基于自适应扩展Kalman滤波的路侧多传感器融合

  武一民, 郑凯元, 高博麟, 陈明, 王义锋

  2021, 12(4):  522-527.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.011

  摘要 ( 203 )   HTML ( 33)   PDF (831KB) ( 173 )  

  路侧感知是云控车路协同感知的组成部分。为提升路侧传感器的感知精度和稳定性,该文提出了一种基于量测噪声自适应扩展Kalman滤波器(AEKF)的路侧多传感器融合方法。基于路侧相机、激光雷达、毫米波雷达的感知结果,实现了异质传感器目标级数据的融合。采用一种量测噪声在线获取方法,检测了传感器测量值的稳定性,生成了量测噪声的修正系数,自适应调整了量测噪声;经过了实车试验。结果表明：相较于单传感器,采用该多传感器融合方法使横向距离估计精度提高9.7%,纵向距离估计精度提高5.4%,速度估计精度提高26.6%;由于该算法的横向距离估计精度提高44.9%,纵向距离估计精度提高21.3%,速度估计精度提高64.4%; 因此,该文AEKF算法的估计精度高于传统扩展Kalman滤波算法(EKF) 的精度。

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  自适应双时域参数MPC的智能车辆路径规划与跟踪控制

  李耀华, 范吉康, 刘洋, 何杰, 李泽田, 潘绍飞

  2021, 12(4):  528-539.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.012

  摘要 ( 393 )   HTML ( 36)   PDF (1329KB) ( 205 )  

  为解决过度避障,基于车辆点质量模型,采用非线性模型预测控制（MPC）算法,设计了新型避障功能函数,建立自动驾驶车辆路径跟踪性能综合评价指标,得到最优预测时域和控制时域参数,设计自适应双时域MPC参数路径跟踪控制器。搭建规划层和控制层集成的联合仿真平台,进行仿真试验。结果表明：在180个障碍物点下,避障功能函数可避免过度避障,且计算时间仅增加0.294 ms。采用局部避障路径规划与路径跟踪控制集成结构时,在多静态障碍物场景与动态障碍物场景下,车速为65 km/h时,最大横向误差偏差减小0.169 m,最大横摆角速度减小3.196 (°)/s。

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  电动汽车混入条件下多方式动态交通分配模型

  张锐, 姚恩建, 张永生

  2021, 12(4):  540-550.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.013

  摘要 ( 141 )   HTML ( 35)   PDF (1456KB) ( 179 )  

  为解析电动汽车混入条件下多方式路网交通状态的判别及动态演化过程,提出一种基于行为分析的多方式动态交通分配模型。基于离散选择理论,构建了不同人群出行选择行为模型;基于点排队模型,动态考虑路网容量、电池剩余电量和充电站服务水平等因素,提出了多方式动态交通分配模型及求解算法;并进行了算例验证。结果表明：电动汽车初始荷电状态（SOC）、充电服务费及充电桩数量等因素均对交通系统产生显著影响。本文提出的公共充电设施容量配置方案可降低用户成本3.61%,降低充电桩购置成本15.86%,减少交通系统CO₂排放0.76%,同时提高充电站运营收益14.66%,提高充电站服务水平77.09%。

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  汽车节能与环保

  冷凝条件对PEMFC混合工质ORC系统性能的影响

  李青山, 汪春梅, 汪陈芳, 时礼宁, 诸葛伟林, 张扬军

  2021, 12(4):  551-556.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.014

  摘要 ( 143 )   HTML ( 27)   PDF (783KB) ( 84 )  

  为提高氢质子交换膜燃料电池 (PEMFC）能量利用率,提出以R245fa/R123混合工质有机 Rankine循环 （ORC）作为冷却系统并回收PEMFC余热。使用Aspen Plus软件建立ORC混合系统模型,通过固定冷凝温度、固定冷凝压力等不同限制条件,分析了混合工质R245fa的混合质量分数对系统性能的影响。结果表明：混合比R245fa / R123 = 0.6 / 0.4的工质,在冬季工况和固定冷凝压力101.3 kPa时,余热回收率最高,分别为10.90 %和11.08 %;非共沸混合工质相对纯工质有较强的工况适应性,通过调整混合比,可在不同工况下充分回收PEMFC余热。

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  Markov 链与Q-Learning算法的超轻度混动汽车模型预测控制

  尹燕莉, 马永娟, 周亚伟, 王瑞鑫, 詹森, 马什鹏, 黄学江, 张鑫新

  2021, 12(4):  557-569.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.015

  摘要 ( 156 )   HTML ( 32)   PDF (25456KB) ( 69 )  

  为了同时兼顾能量管理策略的全局最优性与运算实时性,本文提出了基于Markov 链与Q-Learning算法的超轻度混合动力汽车模型预测控制能量管理策略。采用多步Markov模型预测加速度变化过程,计算得出混合动力汽车未来需求功率;以等效燃油消耗最小与动力电池荷电状态（SOC）局部平衡为目标函数,建立能量管理策略优化模型;采用Q-Learning算法对预测时域内的优化问题进行求解,得到最优转矩分配序列。基于MATLAB/Simulink平台,对于ECE_EUDC+UDDS循环工况进行仿真分析。结果表明：采用Q-Learning求解的控制策略比基于动态规划 （DP）求解的控制策略,在保证燃油经济性基本保持一致的前提下,仿真时间缩短了4 s,明显地提高了运行效率,实时性更好。

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  基于电化学阻抗谱的锂离子电池析锂检测方法

  董鹏, 张剑波, 王震坡

  2021, 12(4):  570-579.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.016

  摘要 ( 542 )   HTML ( 47)   PDF (1843KB) ( 475 )  

  根据无析锂和析锂锂离子电池在不同温度下电化学阻抗谱变化趋势,应用等效电路模型分别拟合电化学阻抗谱中的Ohm阻抗和固体-电解液界面阻抗,提出了EIS-Ohm法和EIS-SEI法,利用扫描电镜和化学方法对析锂检测方法进行了验证。随着温度升高,析锂电池的电化学阻抗谱中的Ohm阻抗先增大后减小,固体-电解液界面阻抗变化较小;扫描电镜观察和化学方法确定了电池电极表面析出锂金属形貌和化学变化特性。结合电池工作温度 (-10~60 ℃) 和检测时间 (> 21 min),讨论了2种析锂检测方法的可行性。结果表明：基于电化学阻抗谱开发的2种检测方法能够清晰地判断电池发生析锂现象,这一快速、非解体检测方法对电池寿命和安全管理具有重要意义。

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  二甲醚微火焰引燃高稀释汽油混合气燃烧和排放特性

  付雪青, 何邦全, 徐思鹏, 赵华, 郭文翠, 杨建军, 高海洋, 李振国

  2021, 12(4):  580-586.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.017

  摘要 ( 196 )   HTML ( 27)   PDF (1163KB) ( 96 )  

  为改善高稀释下燃烧稳定性和缩短燃烧持续期,由直喷少量二甲醚(DME)的压缩自燃着火形成多点微火焰,调控由气道喷射形成高稀释汽油混合气的燃烧过程,即微火焰引燃(MFI)混合燃烧。在一台单缸四冲程热力学发动机上研究了部分负荷下热废气和空气稀释对MFI燃烧和排放特性的影响,提高进气压力以增加过量空气系数(λ)和减少内部热废气率。结果表明：较低燃料量时λ对着火时刻影响较弱,高λ使燃烧持续期增长;较高燃料量时高λ使着火时刻提前,燃烧持续期逐渐增加。高λ下净指示平均有效压力(p_IMEPn)和指示热效率（η_net）先增加后减少,p_IMEPn为0.32、0.56 MPa时η_net分别为35.4%和42.3%。随λ增加,未燃碳氢排放在低燃料量下增加,在较高燃料量下减少;一氧化碳排放增加,而低于15×10^-6的氮氧化物排放减少。

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  柴油、生物柴油、戊醇混合燃料喷雾特性的实验

  李莉, 李雁飞, 秦颂

  2021, 12(4):  587-595.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.018

  摘要 ( 183 )   HTML ( 182)   PDF (1399KB) ( 115 )  

  为实现燃料与发动机协同优化,探究燃料物性、喷射压力、环境背压、环境温度对宏观和微观喷雾特性的影响。基于定容燃烧弹,采用高速摄影和相位Doppler粒子测试技术(PDPA),对比分析了柴油、生物柴油、戊醇及其混合燃料的喷雾特性。结果表明：与柴油相比,生物柴油液相贯穿距最大,锥角最小;戊醇液相贯穿距最小,混合燃料介于其中。随喷油压力从40 MPa提高到120 MPa,燃油Sauter平均直径(SMD)降低,随背压的增大而增大;生物柴油SMD最大,戊醇SMD最小;燃料的密度、粘度、沸点和表面张力等物性是影响喷雾特性的重要因素,且高温(830 K)时影响更显著;因此,燃料物性融合可改善喷雾特性。

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  国六重负荷柴油机的低粘度节能型机油应用及可靠性影响

  赵国权, 邓建林

  2021, 12(4):  596-603.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.019

  摘要 ( 212 )   HTML ( 191)   PDF (1325KB) ( 92 )  

  为了进一步降低新一代国六重负荷柴油机的燃油耗以提高市场竞争力,开展了低粘度节能型机油（FA-4/5W-30）的研究开发。利用计算机辅助工程（CAE）进行仿真分析,进行了台架燃油经济性测试以及相应的国六重负荷柴油机台架可靠性试验。结果表明：全新开发的低粘度节能型机油可以有效提升燃油经济性约1%,可以满足发动机基本使用性需求;本研究为后续推广低粘度节能型机油（FA-4/5W-30）市场应用做了准备工作,积累了数据。

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  用交互氢泵法的聚合物电解质燃料电池堆-30 ℃启动

  司德春, 蹇季廷, 徐浩森, 汪尚尚, 王诚, 张剑波

  2021, 12(4):  604-612.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.020

  摘要 ( 536 )   HTML ( 201)   PDF (2098KB) ( 194 )  

  为了在温带、寒带地区推广燃料电池汽车,研究了含20片单体电池、活性面积为285 cm²的石墨基双极板聚合物电解质燃料电池短堆的零下启动。开发了基于实车的使用交互氢泵的电源系统;对短堆阳极和阴极同时供应氢气;用低温环境舱来构建-30 ℃环境;以起始膜—水(分子数)含量、交互电幅值及频率等作为3个控制参数,实现燃料电池短堆-30 ℃启动;测试了短堆零下启动前后的极化曲线。结果表明：燃料电池短堆-30 ℃启动后,中心位置的单体电池可在80 s内温升至0 ℃;在其余位置,可在200 s内温升至0 ℃;零下启动前后的极化性能基本无衰减。

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