汽车安全与节能学报

车用燃料电池电堆关键技术研究现状

章俊良, 程明, 罗夏爽, 李慧媛, 罗柳轩, 程晓静, 闫晓晖, 沈水云

2022, 13(1): 1-28. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.001

摘要 ( 749 )

HTML ( 107)

PDF (8210KB) ( 1047 )

“双碳”政策大大推动了氢能的发展,而燃料电池作为氢能利用的最佳方式,迎来了新一轮的研究与产业热潮,尤其是商业化较为成熟的车用质子交换膜燃料电池（PEMFC）引发了众多关注。膜电极（MEA）和双极板（BPP）是PEMFC电堆的两大核心部件,决定了电堆的性能和成本。水热管理和低温启动技术对于电堆性能的实现和实际应用的推广也起到了至关重要的作用。本文全面深入地阐述了车用PEMFC膜电极、双极板、水热管理、低温启动等技术对电堆性能、寿命和成本的影响规律,进一步指出各项技术的发展趋势。除此之外,车用燃料电池的商业化应用短期将围绕公共交通以及重型商用车等大型车辆开展,而乘用车对电堆的功率密度和成本提出了更高的要求。

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汽车安全多领域融合的研究与展望

杨帅, 张金换, 钱占伟, 崔东

2022, 13(1): 29-47. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.002

摘要 ( 590 )

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PDF (4732KB) ( 775 )

该文提出了一种多域融合安全的概念及基本框架,论述了多个安全领域的发展状况及其之间的关联关系。以人的安全为核心,研究了被动安全技术、新能源安全技术、主动安全技术及其相关的功能安全、预期功能安全等安全技术的发展现状,进一步分析了不同安全技术领域之间的融合关系,特别是主动安全和被动安全的两条融合路径发展现状及其未来趋势。将汽车不同安全技术视为一个整体,研究各种技术之间的关系和融合方式,对于汽车安全技术的发展提供了思考的方向和建议。

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骑行者智能手机使用行为的影响因素与风险情景

袁泉, 齐悦瑞, 于迪, 徐学才

2022, 13(1): 48-54. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.003

摘要 ( 176 )

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PDF (2072KB) ( 160 )

对校园内部骑行者使用手机行为的原因和情景,开展了基于人机工程学的综合研究。通过当面采访、实地录像记录,统计了骑行中使用手机的比例;通过问卷方法,调查了骑车人使用手机的频度及原因、以及对于骑行中使用手机行为影响的认识。构建Bayes二项互补双对数概率模型,综合对骑行中使用手机行为的因素,分析了行驶环境、行驶时间、天气等客观条件和骑行者的性别、习惯、心情等主观因素。结果表明：所调查的校园内骑行者使用手机的概率为3.2%,骑行情景多发生在路段和工作日时间。该研究结果可为骑行文明规范的引导和相关安全法规的设定提供了依据和方向。

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汽车追尾碰撞中颈部姿态对生物力学响应的影响

李海岩, 李广明, 贺丽娟, 冉令华, 吕文乐, 崔世海, 阮世捷

2022, 13(1): 55-62. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.004

摘要 ( 152 )

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PDF (4756KB) ( 183 )

基于中国人体5百分位女性志愿者CT图像数据,构建具有详实解剖学结构的颈部有限元模型,重构志愿者实验验证其有效性,并构建颈部伸展和屈曲姿态模型。参照中国新车评估规程（C-NCAP）鞭打试验,对3种不同姿态颈部模型分别施加加速度曲线,研究驾乘人员颈部不同姿态时的生物力学响应。结果表明：自然姿态下最大应力出现在C7椎体和寰椎与枕骨大孔间的前纵韧带及寰枢关节的囊韧带,椎间盘最大应力出现在C6 - C7椎段,且颈部损伤准则（NIC）值和颈部保护准则值（N_km）均达到阈值。伸展姿态下最大应力出现的位置与自然姿态一致,但是其应力值和N_km值在3种姿态中最小。屈曲姿态皮质骨最大应力出现在枢椎齿凸和寰枢关节的囊韧带处,但NIC值在3种姿态中最小。该研究对汽车主动头枕的研发及未来自动驾驶中乘员颈部处于休闲姿态时的碰撞防护措施开发具有一定的参考价值。

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基于机电惯容的车辆ISD悬架的分数阶控制系统

花杰, 沈钰杰, 陈龙, 刘雁玲, 杨晓峰

2022, 13(1): 63-69. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.005

摘要 ( 152 )

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PDF (3498KB) ( 158 )

为改善车辆惯性容器-弹簧-阻尼(ISD)悬架隔振性能,改善驾驶平顺性,建立了一个1/4比例的悬架动力学模型。以乘坐舒适性为目标,搭建悬架分数阶比例积分微(PID)控制系统。考虑车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷等指标,用多目标遗传算法,优化求解模型参数。在Matlab/Simulink中仿真分析了悬架动态性能。结果表明：相较于传统被动悬架,用整数阶控制的悬架车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷的均方根值分别降低了13.9%、26.2%和1.5%;相较于用整数阶控制的车辆,用分数阶控制的悬架的这3个参数分别降低了15.4%、31.5%和6.8%; 因此,分数阶控制系统,提高了行驶平顺性和操纵稳定性。

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复合工况下轮胎非线性力学特性的分段仿射辨识

王玉麟, 胡伟伟, 孙晓强

2022, 13(1): 70-77. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.006

摘要 ( 123 )

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PDF (3722KB) ( 143 )

为实现复合工况下轮胎非线性力学特性的准确模拟,提出了一种基于分段仿射（PWA）辨识的数学建模方法。采用基于Gauss混合模型的统计数据聚类方法进行轮胎力学特性试验数据聚类,将原始试验数据划分为若干个子集;基于最小二乘算法进行仿射子模型参数估计;结合改进的近似支持向量机算法完成相邻仿射子模型间分界面系数矩阵的求解;将辨识模型仿真结果与原始试验数据进行对比,验证辨识精度。结果表明：所辨识的轮胎分段仿射模型能够很好地拟合复合工况下轮胎纵向力及侧向力与其影响因素间的非线性关系,模型拟合精度高于93%。

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轮毂直驱电动汽车速度传感器的故障容错控制

邵锦才, 何致远, 王子辉

2022, 13(1): 78-85. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.007

摘要 ( 437 )

HTML ( 19)

PDF (2565KB) ( 204 )

提出了一种基于轮毂电机无位置传感器估测算法的故障诊断及容错控制策略,以便在速度传感器故障时,保证电动汽车操控稳定性。建立了3自由度车辆动力学模型,分析了速度传感器故障对车辆动力学性能的影响。采用阈值特征法诊断传感器故障及其类型,利用磁链观测器无感算法实现故障容错控制,设计了功率角渐进补偿的状态切换,来实现驱动转矩的平滑过渡。通过Matlab-CarSim仿真平台,验证了直行工况及双移线工况下的速度传感器故障容错控制。结果表明：在设定工况下,该控制策略可在3 ms内恢复并维持100%电机转矩输出,消除车体0.77 (°)/s的横摆运动角速度,从而保证车辆行驶稳定性。

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基于多MAP图的商用车电动助力转向控制策略

李耀华, 何杰, 范吉康

2022, 13(1): 86-94. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.008

摘要 ( 229 )

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PDF (2193KB) ( 149 )

为解决前轴轻载荷和低路面附着因数工况下传统电动助力转向(EPS)降低驾驶员路感的问题,提出设计了基于多MAP图的EPS控制策略。该策略中,考虑了不同前轴载荷和路面附着因数对转向阻力矩的影响,采用反向传播(BP)神经网络计算不同工况下所需转向助力矩。通过Trucksim与Simulink联合仿真,验证评价了基于多MAP图的EPS控制策略。结果表明：基于多MAP图的EPS控制策略使车辆具有良好的转向轻便性,转向手力矩特性符合商用车理想转向盘转矩特性,可在轻载和低附着因数工况下增大转向盘转矩梯度,驾驶员中心转向区路感平均提升212%,改善了行驶安全性。

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自行车座高对骑车人脊背前倾角和头部损伤的影响

邹铁方, 吴良伟, 胡林, 聂冰冰, 王方

2022, 13(1): 95-103. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.009

摘要 ( 315 )

HTML ( 5)

PDF (3029KB) ( 147 )

以46组物理试验和98组数字模拟试验,以自行车车型、座高、骑车人体型及汽车车型为变量,研究了自行车座高对骑车人脊背前倾角（背角）和头部损伤的影响。物理试验发现：影响背角的显著因素有自行车车型、座高及骑车人体型。数字模拟试验发现：座高与骑车人头部损伤显著相关,不同汽车车型、自行车车型与骑车人体型组合下的头部损伤随座高变化规律不同,存在头部损伤耐受座高。头部损伤降低的内因是头部与汽车相对碰撞速度的降低。该研究结果可为汽车与自行车仿真试验提供支持,为骑车人头部防护措施提供建议。

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基于深度学习LSTM的智能车辆避撞模型及验证

房亮, 关志伟, 王涛, 龚进峰, 杜峰

2022, 13(1): 104-111. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.010

摘要 ( 170 )

HTML ( 10)

PDF (2190KB) ( 182 )

建立了一种基于深度学习长短期记忆(LSTM)网络的智能车辆避撞模型。搭载虚拟测试驾驶(VTD)仿真软件的模拟驾驶器;针对跟车行驶、前车紧急制动这一危险工况,开展模拟驾驶实验;以相对距离、相对速度、前车减速度、碰撞时间、横向距离作为输入参数;通过未经训练的样本数据对模型迁移性进行验证,并与传统反向传播(BP)神经网络进行对比。结果表明：本模型自车减速度和方向盘转角预测的决定系数R²分别高于传统BP模型0.17和0.21。因而,本文模型对大数据样本具有更优的拟合优度,能够表征驾驶员实际避撞行为,在驾驶辅助系统应用中具有推广价值。

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基于扩张状态观测器的智能汽车弯道轨迹跟踪控制

赵树恩, 陈文斌, 邓召学, 刘伟

2022, 13(1): 112-121. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.011

摘要 ( 162 )

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PDF (4274KB) ( 208 )

为了提高智能车辆在复杂弯曲道路下进行跟踪控制的精度和稳定性,提出了一种基于扩张状态观测器的模型预测多目标优化控制方法。引入扩张状态观测器实时估计车辆跟踪过程中的总干扰,并对观测器稳定性进行证明;结合模型预测控制实现预测时域内多目标优化效果,利用估计的干扰值对控制量进行前馈补偿,得到车辆在动态干扰下的最优控制量。结果表明：在不同车速和路面附着因数工况下,横向位置误差均方根不超过0.11 m,最大前轮转角量不超过85 mrad,横摆角速度最大值不超过368 mrad。因此,该方法在复杂弯道情况下有较好的跟踪精确性、行驶稳定性和鲁棒性。

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多通路高分辨率网络与注意力机制融合的车辆检测模型

丁飞, 米冠宇, 童恩, 张楠, 暴建民, 张登银

2022, 13(1): 122-130. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.012

摘要 ( 152 )

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PDF (2837KB) ( 100 )

为改善道路交通监测和保证智能网联交通系统的安全、可靠与稳定运行,提出了在路侧边缘平台中基于多通路高分辨率网络与注意力机制融合的车辆检测模型MCHRANet。该模型采用多通路的高分辨率网络的结构设计,保留高分辨率特征并保障识别准确率。融入注意力机制的特征融合方法,通过特征连接权重自学习实现多尺度特征的深度融合。各通路网络采用跳跃连接促进跨层特征融合,加速网络收敛,并利用公开数据集对车辆检测性能进行评估并验证。结果表明：所提模型的车辆检测性能优于3个传统模型,改进后的网络识别平均精度均值（mAP）指标接近95%,且对于不同场景下的检测具有良好的鲁棒性。

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自动驾驶中周围车辆识别与信息地图构建技术

李茂月, 吕虹毓, 河香梅, 徐光岐, 于伟

2022, 13(1): 131-141. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.013

摘要 ( 168 )

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PDF (2645KB) ( 142 )

为提高自动驾驶时单传感器对周围车辆识别成功率及工程实用性,提出了一种基于相机图像与激光雷达信息相融合的车辆识别和地图构建方法。对相机与激光雷达进行了联合标定和时间配准。对图像中的车辆阴影与激光雷达检测信息进行提取,获得两者间的坐标关联度特征,并根据其阈值范围确定周围是否存在车辆。将相机图像信息与激光雷达检测信息进行融合,构建周围车辆的信息地图,进行了实验验证。结果表明：采用坐标关联度特征对两传感器采集的信息进行融合,车辆识别的正确率比用D-S证据理论法结果高4.25%;本车辆信息地图,可以在安全的前提下实现基于三阶Bessel曲线的超车轨迹行驶。

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多燃烧模式下掺氨发动机试验研究

刘尚, 蔡开源, 刘伟, 王巍, 赵自庆, 张日东, 张启航, 马骁, 王志

2022, 13(1): 142-148. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.014

摘要 ( 206 )

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PDF (2593KB) ( 376 )

氨（NH₃）作为一种无碳、低成本、来源广的氢载体燃料,在未来碳中和内燃机研发中将起到重要作用。该文在快速压缩机、高压缩比汽油机和柴油机平台,系统对比研究了氨气掺混对火焰传播、均质压燃、均质引燃3种燃烧模式的影响。结果表明: 氨气压燃着火过程在燃烧室中呈现顺序自燃特征,点燃模式下氨的火焰传播速度仅为0.66 m/s。氨是良好的爆震抑制剂。在汽油机中,掺混少量氨气即可起到爆震抑制和燃烧相位优化的作用,指示热效率提高1.2%,但氨气掺混比例过高时,燃烧持续期增加,热效率反而降低;掺混氨气后NO_x排放增加,但在试验工况下,其与掺混比例无明显相关性。在柴油机中,掺混氨气使得燃烧放热滞后,燃烧持续期增大;随着NH₃掺混比增加,有效热效率和NO_x排放降低,CO排放增加。

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微波辅助点火对CO₂稀释甲烷燃烧的影响

王志豪, 张新华, 吴慧珉, 刘超辉, 王兆文, 黄荣华, 李顶根, 王志

2022, 13(1): 149-156. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.015

摘要 ( 128 )

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PDF (3549KB) ( 190 )

为提高内燃机热效率和降低污染物排放,研究了CO₂稀释条件下的甲烷微波辅助点火特性。基于定容燃烧弹台架,将微波馈入到对置式电极以促进点火,采用高速纹影法探索不同试验条件下火核早期发展规律。结果表明：微波辅助点火（MAI）模式下,CO₂稀释极限得到提高,16% CO₂稀释比仍能成功点火。在8% CO₂稀释比时,馈入微波能将甲烷可燃极限从火花点火（SI）模式下的0.7拓展到0.6。随微波功率的升高,火核等效半径增大,但增大程度逐步减小;在不同CO₂稀释比条件下,微波频率对火核的增强效果出现不同规律。本研究结果可为废气再循环（EGR）氛围下应用微波辅助点火技术提供理论支撑。

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汽车管带式散热器蠕变-疲劳确信可靠性的建模与分析

张湘霄, 杨选虎, 李晓阳, 李梅珺

2022, 13(1): 157-167. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.016

摘要 ( 123 )

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PDF (2829KB) ( 161 )

为汽车发动机管带式散热器的设计、制造、使用、维护,从可靠性原理出发,基于不确定理论,提出了一种散热器蠕变-疲劳可靠性建模与分析方法,分析该类散热器的可靠性。基于功能性能和失效分析,确定关键失效机理和性能参数; 构建关键性能参数与其物理属性、外界条件、时间及失效判据的因果关系;量化其中不确定性,构建可靠性模型。用AA3003铝合金散热器对本方法进行验证,并发现将外界条件变异系数降低至5%后,散热器可靠度提高了0.1。结果表明：本方法刻画了汽车散热器可靠性的因果规律和不确定性的影响;降低外界条件的变异系数,可提高散热器的可靠度。

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电动汽车用柔性复合相变材料的电池热管理系统

陈友鹏, 张国庆, 秦启超, 覃卓庚, 邓坚, 李新喜

2022, 13(1): 168-175. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.017

摘要 ( 196 )

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PDF (2630KB) ( 156 )

为了提高电动汽车动力电池系统的热安全性及可靠性,使得动力电池系统维持在正常的工作温度范围之内,该文基于柔性复合相变材料的控温特性,采用熔融共混与有机溶剂挥发相结合的方法,制备由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物/石蜡/膨胀石墨(SBS / PA/ EG)组成的柔性复合相变材料,并将其与板式热管耦合以显著提高动力电池热管理系统的均温和控温特性。结果表明：柔性复合相变材料（SBS/PA/EG）的导热系数在室温下可提升至0.62 W/(m·K),潜热焓值可达102 J/g。以柔性相变材料耦合板式热管作为电动汽车的电池热管理系统用在电池模组中,当电芯在3 C倍率下放电时,其最高温度控制在42 ℃ 之内,电池间温差缩小至1.0 ℃,显示出优异的控温及均温效果。

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北京市纯电动出租车换电技术用户接受度研究

高索芬, 郝瀚

2022, 13(1): 176-185. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.018

摘要 ( 141 )

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PDF (2478KB) ( 116 )

采用换电技术的电动出租车近年来发展迅速,但其利用效率、盈利能力和用户接受度尚不清晰。为了分析换电技术的用户接受度及其影响因素,该文基于技术接受模型,引入感知有用性、感知易用性、感知风险指标体系,构建换电技术接受度模型。采用问卷调查方法收集北京市纯电动出租车驾驶员的换电技术使用数据,分析换电技术接受度及其影响因素。结果表明：充换模式电动车、纯换模式电动车及内燃机汽车的技术接受度分值分别为3.80、3.37、4.29。作为充电技术的补充,换电技术能有效缓解里程焦虑,但目前换电出租车的技术接受度仍低于传统内燃机出租车,需着重提升里程利用率、续航稳定性、补能便利性、主观安全性和车辆经济性,以加快电动出租车的推广应用。

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基于无迹Kalman滤波算法的电池内部温度估计

陈德海, 王昱朝, 孙仕儒, 雷志军

2022, 13(1): 186-193. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.019

摘要 ( 183 )

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PDF (2486KB) ( 193 )

为实时监测车用锂离子动力电池内部温度,提高电池性能,提出了一种非线性无迹Kalman滤波(UKF) 估计算法。对某一2.6 Ah三元单体锂离子电池,建立等效可变参数热模型;用状态方程分析法,建立电池内部外部温度的关联并离散化;用递推最小二乘法(RLS)辨识热模型中时间、表面温度、环境温度、输入电流4种热参数,实时更新系统状态与观测方程的参数矩阵,结合UKF算法,实现电池内部温度估计。通过Matlab搭建仿真模型,用混合动力脉冲能力特性(HPPC)、动态应力测试(DST)以及恒流3种工况,来验证算法精度。结果表明：对于这3种工况,该UKF算法均可在1 ℃内估计电池内部温度。

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基于特征电压模型的锂离子电池容量估计与RUL预测

来鑫, 孟正, 韩雪冰, 郑岳久

2022, 13(1): 194-201. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.020

摘要 ( 157 )

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PDF (2012KB) ( 154 )

锂离子电池的容量与剩余使用寿命预测对提高其安全性具有重要的意义。该文提出一种基于改进粒子群滤波(PF)算法与特征电压关联模型的锂离子电池容量估计与剩余使用寿命预测方法。提取放电曲线中的特征电压,建立特征电压-循环次数及特征电压-容量2个关联模型;应用改进PF算法对2个关联模型的参数进行辨识, 以实现容量的在线估计与剩余寿命的离线预测; 利用此方法通过拟合样本电池老化数据来优化建议概率密度的初始值,提高模型参数辨识的准确性以提高所建立关联模型的精度。结果表明：所提出的方法容量估计误差能保持在3%以内,寿命预测误差保持在5%以内。

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成都市燃料电池公交车示范运行行驶工况的构建

金思含, 彭忆强, 武小花, 韩震

2022, 13(1): 202-208. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.01.021

摘要 ( 147 )

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PDF (2252KB) ( 87 )

为构建成都市燃料电池公交车示范运行行驶工况,基于示范区内燃料电池公交车实际行驶数据,对预处理后的有效运行数据进行运动学片段划分,采用主成分分析法进行数据降维处理;利用肘部法则确定最佳聚类数目,使用K-means++算法对主成分进行聚类;以不同聚类所占比例和距中心点距离确定最优运动学片段。结果表明：构建出的行驶工况能够反映成都市燃料电池公交车示范区内交通行驶特征,且时长为1 577 s;成都市燃料电池公交车示范运行行驶工况与中国城市客车行驶工况在某些特征参数上存在一些差异。此工况的建立为研制燃料电池公交车智能能量管理系统奠定了基础。

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