汽车安全与节能学报

智能电动浪潮下的汽车产业格局重塑

许英博, 李景涛, 高飞翔, 武平乐, 李铮

2023, 14(6): 651-663. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.001

摘要 ( 96 )

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汽车产业正经历智能电动浪潮，产品定义和产业格局正在被重塑。2023年1—11月，中国新能源汽车销量达830万辆，同比增长37%，新能源汽车渗透率达31%。特斯拉引领汽车技术变革和产业演进趋势，2022年，特斯拉销售整车131万辆，虽然较丰田（约1 048万辆）等厂商仍有较大差距，但其市值已突破7 000亿美元，居全球车企首位，体现出投资者对其发展的乐观态度。复盘特斯拉发展历程，笔者分析其成功的3点主要原因为：全栈技术自主研发；第一性原理定义产品；持续降成本推动销量增长。造车新势力和科技公司积极跟进，传统车企加速转型。2022年，本土品牌占中国新能源汽车市场份额约80%。未来，中国和全球新能源汽车渗透率将持续提升。智能电动浪潮下，汽车产业格局将持续变化。具备全栈自主研发能力、产品定义和重构能力、产业链协调能力的公司有望持续获得更多市场份额。

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视觉障碍下十字路口电动两轮车事故特征和典型场景分析

韩勇, 孟昕, 潘迪, 吴贺, 石金明, 张悦苁

2023, 14(6): 664-670. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.002

摘要 ( 52 )

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视觉障碍是导致汽车与电动两轮车在十字路口发生碰撞的主要原因之一。为了厘清其事故特征以促进适用于中国道路的电动两轮车自动紧急制动（AEB）测试场景的开发, 该文统计分析了道路弱势群体交通事故（VRU-TRAVi）数据库510例电动两轮车案例中具有视觉障碍的交通违规情况、障碍物类型和事故场景和等事故特征。采用逐帧分析法和直接线性理论估算不同事故场景下的碰撞速度和碰撞时间（TTC），获得不同事故场景下碰撞速度与TTC的分布关系并分析了障碍物对事故规避的影响。结果表明：将事故特征场景统计结果与前人研究结果对比得出4种典型场景，即固定障碍物场景、相邻车道反向行驶中车辆或同向等待车辆为障碍物场景、非相邻车道可移动障碍物场景，4种场景下TTC均值分别为1.12、1.02、0.96、1.27 s，汽车速度分别为24~47、27~46、27~46、18~45 km/h，电动两轮车速度分别为15~27、15~24、15~24、16~24 km/h。研究结果可为存在视觉障碍的电动两轮车碰前事故场景测试的关键技术提供参考。

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基于人—车碰撞事故重建的行人下肢动力学响应与损伤生物力学分析

张道文, 雷毅, 任耀, 汤楷文, 董鑫驰, 罗晶, 胡文浩

2023, 14(6): 671-680. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.003

摘要 ( 53 )

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为了深入研究人—车碰撞事故中行人的下肢运动响应和生物力学损伤规律，基于国家车辆事故深度调查体系中真实的交通事故案例，建立了人-车碰撞有限元模型并进行了模型有效性的验证。利用THUMS人体模型模拟了行人站立、步行、跑步3种姿态，针对车辆前部横向结构特征选取了3个碰撞位置，分析了行人下肢在碰撞位置的生物力学响应和损伤特点。结果表明：在40 km/h的碰撞初速度下，车辆前部横向结构特征对行人左、右腿的运动响应和损伤有较大影响；行人股骨高风险区域为股骨头和股骨骨干，其最大应力值达到124.9 MPa, 而胫骨高风险区域为胫骨骨干，其最大应力值达到157.2 MPa；行人左腿膝关节最大横向弯曲角37.1°，最大剪切位移12.5 mm，其损伤风险相对于右腿膝关节更高；在车灯碰撞区，行人下肢受到的损伤比车辆其他碰撞区的损伤更低。

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基于电磁屏蔽的专用车辆屏蔽箱体结构优化及仿真验证

陈一哲, 于成杰, 杨郁森, 霍嘉宸, 王辉

2023, 14(6): 681-687. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.004

摘要 ( 23 )

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为满足专用汽车轻量化与安全的要求，减少专用汽车电磁干扰，该文以专用车辆碳纤维复合材料电磁屏蔽箱为研究对象，使用Ansys Electronics Desktop软件对专用汽车结构设计方案进行了仿真试验，研究了屏蔽箱体厚度、开孔形状对电磁屏蔽性能的影响，并进行轻量化设计优化。结果表明：在低频率和高频率频段的电磁干扰下，箱体的厚度与屏蔽效能呈正相关；相同开孔面积下，箱体的开孔形状为圆形时屏蔽效能更好，而在谐振频率频段内上述因素无明显影响。经过轻量化设计优化后的车体屏蔽箱结构在低频率和高频率频段，屏蔽效能分别达到46.3 dB、32.2 dB，符合专用车辆对电磁屏蔽性能的要求。

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汽车正面碰撞中后排不同坐姿乘员损伤生物力学分析

武和全, 周惠来, 李羿辉, 胡林

2023, 14(6): 688-697. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.005

摘要 ( 36 )

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为了研究后排乘员不同坐姿的正面碰撞损伤生物力学特征，采用有限元仿真分析的研究方法，对THUMS AM50乘员在50 km/h正面碰撞时标准坐姿、左倾15°以及右倾15°这3种坐姿下的损伤生物力学进行了分析。并针对左倾15°坐姿，使用3+2点式安全带以及后排正向安全气囊对乘员进行了碰撞保护策略研究。结果表明：乘员左倾15°坐姿损伤最为严重，为此使用3+2点式安全带能有效减轻乘员头部损伤；使用后排正向安全气囊很大程度上对乘员头部以及胸部起到保护作用，并且对左右倾斜坐姿的乘员也具有好的保护效果。未来需要加强对后排乘员的保护研究，以适应不同的碰撞工况以及复杂多变的乘员坐姿。

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盘鼓混合式磁流变踏板力调控装置结构设计与优化

屈贤, 张金龙, 渠立红

2023, 14(6): 698-706. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.006

摘要 ( 23 )

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为了解决踏板感觉对电动汽车再生制动应用的不良影响问题，设计了可嵌入安装于制动踏板根部的磁流变踏板力调控装置。基于嵌入安装需求，设计了盘鼓混合式的磁流变装置，运用有限元方法优化设计装置磁路结构，并进行样机性能测试分析。结果显示：所设计的磁流变踏板力调控装置结构紧凑，能有效实现嵌入式安装；磁流变踏板力调控装置的输出力矩可调范围广，可达0.2~32.0 Nm，能满足踏板力调控需求；同时，磁流变踏板力调控装置输出力矩受转速影响较小，可通过控制电流调节输出力矩，易于实现踏板力的精准调控。

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车载视角下基于视觉信息的前车行为识别

刘延伟, 黄志明, 高博麟, 钟薇, 陈嘉星, 刘家熙

2023, 14(6): 707-714. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.007

摘要 ( 36 )

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不同于传统车辆行为识别方法大多基于鸟瞰视角下的历史轨迹信息，该文提出了一种用于自动驾驶汽车的车载视角下基于视觉信息的前车行为识别方法。针对缺乏车辆行为数据集的问题，提出了基于车载视频信息的车辆行为标注方法，构建了车载视角下的行为识别数据集。设计了一种基于SlowFast网络为主体的车辆行为识别算法，设计了焦点损失函数，并引入非局部操作模块来替换原有的交叉熵损失函数。结果表明：相较于原SlowFast模型，新模型的总体准确率提高了20.56%，实现了对视频中前方多台车辆的行为识别。

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基于百度地图API的纯电动汽车未来行驶能耗预测

黄新朝, 张毅

2023, 14(6): 715-722. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.008

摘要 ( 46 )

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为了预测纯电动车的未来行驶能耗，利用从百度地图应用程序接口（API）所获取道路车流数据，并在云计算系统的在环平台（in-loop platform）上进行实车上路实验验证。用百度提供的道路车流数据，可以计算剩余里程、路径规划、能量管理策略以及充电桩布置等。这些数据与实车行驶数据结合，一并作为训练数据集。用k-means聚类分析算法与支持向量机（SVM）分类算法，来预测未来行驶能耗。对比池剩余电量（SOC）的预测值和实车上路实验所得的实际值。结果表明：对于一个40 min、约20 km的行驶工况，能耗预测的误差可以限制在一个标准差σ之内。从而验证了本文基于百度地图API车流数据的未来行驶能耗预测算法的准确性。

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基于微分同胚变换的智慧交通锥反步编队控制

张佳乐, 焦生杰, 王玥琳, 易小刚

2023, 14(6): 723-733. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.009

摘要 ( 36 )

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为解决智慧交通锥的摆放和回收，对于一类装有标准交通锥模型的移动机器人，提出了一种基于微分同胚变换的反步编队控制方法。根据编队摆放和回收条件，将反步技术应用于智慧交通锥的动态误差方程中；用构造Lyapunov函数，设计了系统的控制量。将微分同胚变换与传统的反步方法相结合，解决控制输入限制的问题。用Matlab仿真和机器人操作系统（ROS）实验平台进行了仿真与实验验证。结果表明：本控制方法智慧交通锥的线速度为-0.5~0.5 m/s，角速度为-0.5~0.5 rad/s；编队距离误差均收敛到小于10 cm。相较于传统的反步编队控制方法，该文的反步编队控制方法可以更有效地控制智慧锥的线速度和角速度，使其稳定在规定范围内且变化平缓，能够保证智慧锥线速度和角速度的有界性，实现了斜线摆放以及回收工况下的编队控制。

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执行器攻击下自主无人车辆模糊滑模安全控制

孙洪涛, 王晨, 赵庆堂, 王志文

2023, 14(6): 734-743. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.010

摘要 ( 25 )

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针对发生执行器攻击现象的自主无人车辆（AUV）路径跟踪控制问题，提出一种基于模糊滑模变结构的鲁棒安全控制设计方法。根据AUV的动力学行为建立了基于状态空间的路径跟踪控制模型，利用滑动模态对执行器攻击信号的不变性，设计了一种积分型滑模安全控制策略，通过选取合适的Lyapunov函数，推导出发生执行器攻击情形下AUV路径跟踪控制的稳定性和前轮转角控制增益。进一步，通过结合模糊控制规则设计了可自适应调节的切换项增益，利用MATLAB/Simulink和CarSim联合仿真实验平台验证所提控制策略的有效性。结果表明：相较于执行器攻击下，车速为72 km/h，在单移线和双移线2种工况下，路径跟踪最大误差分别减少5.6%、6.2%，方向盘转角减少73.9%、75.4%，质心侧偏角减少249.9%、213.9%。该控制策略能够增加AUV路径跟踪过程中的鲁棒性，保证良好的路径跟踪性能。

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基于中国能源和材料的乘用车全生命周期温室气体排放分析

付洋, 王步宇, 帅石金

2023, 14(6): 744-754. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.011

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获取汽车全生命周期温室气体（GHG）排放数据是研究汽车节能减排技术路径的基础。该文基于2019年中国能源和材料的数据，针对乘用车生产、行驶、回收和再生环节，系统地分析采用不同燃料内燃动力、锂电池纯电动力、燃料电池动力以及不同燃料混合动力等8种乘用车的全生命周期GHG排放结果，并结合中国发电能源结构、制氢路径、甲醇生产路径、动力系统效率变化以及石油开采和炼制过程减碳水平，预测未来不同能源场景下的结果。研究表明： 2019年的甲醇车、甲醇混动车、汽油车、氢燃料电池车、汽油混动车、蓝色甲醇车、纯电动车和蓝色甲醇混动车的GHG排放分别为384.7、283.4、226.6、180.9、171.1、158.7、139.4和123.5 g/km；面向未来能源场景，这8种乘用车的GHG排放都会大幅下降，在2060年氢燃料电池车、纯电动车和蓝色甲醇混动车的GHG排放相当，低于其他动力系统。

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长寿命中性锌空电池的双改性聚丙烯酸凝胶电解质

商诺, 王克亮, 裴普成, 张鹏飞, 左亚宇, 魏满晖, 王恒威, 陈卓, 钟代源

2023, 14(6): 755-761. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.012

摘要 ( 18 )

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为解决传统锌空气电池强碱电解液对汽车小功率部件的腐蚀和安全风险，同时提高锌空电池的性能表现和寿命，对中性凝胶电解质和添加剂的作用进行了研究。将不同量NaCl和纳米SiO₂作为添加剂对中性聚丙烯酸（PAA）凝胶进行改性，与纯聚丙烯酸中性凝胶对照组进行电化学及保水性测试对比，并将各组凝胶放入锌空电池中在不同工况下进行充放电循环测试。结果表明：经双改性的聚丙烯酸凝胶保水性和离子电导率均得到提高，其中9 h保水率由48.91%提升至68.76%，离子电导率达到了211.3 mS/cm；以此为基础的柔性锌空电池工作平稳，0.2 mA/cm²单放电寿命达到了82 h，2 mA/cm²小电流充放电充放电测试中，工作寿命相比于对照组提高了30 h。

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中国氢燃料电池重型卡车的总拥有成本分析

王明华, 王雯, 陈泽宇, 刘建喆, 欧训民, 任磊

2023, 14(6): 762-773. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.013

摘要 ( 28 )

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为计算氢燃料电池重型卡车与电动化路线的成本，建立了包含氢能供应链成本分析模块的中国氢燃料电池重型卡车总拥有成本分析模型。从氢能供应链到重型卡车运行的全流程制、储、运、加注及车辆使用各环节，选择了化石能源制氢、风电光伏制氢、工业副产氢、核能制氢等制氢技术，长管拖车运氢、管道运氢2类运氢技术为研究对象。结果表明：城内运输-半挂车、城间运输-半挂车、矿山/港口货运-自卸车3类氢燃料电池重型卡车目前的总拥有成本为200~357万元人民币，该值比柴油重型卡车多38.4%~74.3%；氢燃料电池重型卡车在矿山货运、港口货运等场景的经济成本表现相对占优，具有优先推广的潜力。在不考虑政府补贴的情况下，在城间货运、矿山货运、港口货运等场景下的氢燃料电池重卡都需要在2027—2028年以后达到与柴油重型卡车平价，即与类似车型的总拥有成本相接近。根据现有的政府补贴政策，在上述各类场景下，中国的氢燃料电池重型卡车与传统汽车达到平价的时间，有望提前到2025年之前。

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基于联接式通道的厢式货车减阻性能仿真研究

许建民, 龚晓岩, 郑庆杰, 宋雷

2023, 14(6): 774-782. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.014

摘要 ( 28 )

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为降低厢式货车行驶时的气动阻力并且避免过量改变现有车辆形状和尺寸，提出将厢式货车侧面和尾部联接起来的通道式减阻方式。采用计算流体动力学方法，通过探究联接式通道的基本参数（如进出口形状、位置、尺寸大小和通道内部弯曲形状）对厢式货车减阻效果的影响，最终得到一个最优的联接式通道减阻模型：该通道模型进出口形状为四边形，位置在侧面进风口距离尾部36 mm和尾部出风口距离侧面39 mm处，进出风口尺寸相同，通道内部形状为直线形，模型的气动阻力系数为0.494 2；并探究了新型减阻方式在侧风环境下的减阻效果。研究表明：与原始模型相比，提出的通道式模型减阻方式无侧风下的气动阻力系数减小率为2.62%，有侧风下平均气动阻力系数减小率为3.47%。通道式减阻能够通过将侧面的气流引入到车辆尾部，改善尾部的涡流状态，达到降低车辆行驶时气动阻力的目的。该新型联接式通道减阻方式为今后厢式货车气动减阻研究提供了新的减阻方法。

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氨柴双燃料高压缩比发动机柴油喷射策略优化

蔡开源, 王志, 刘奕, 陈清楚, 齐运亮, 林浩, 卢文健, 张沈欢, 殷勇

2023, 14(6): 783-789. doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.06.015

摘要 ( 31 )

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为了提高氨柴发动机的燃烧效率与热效率，研究了柴油喷射策略对燃烧与排放特性的影响。在一台6缸、压缩比21的氨柴发动机上，采用了进气道喷射氨并缸内2次喷射柴油的控制方法。用柴油第1次喷射来活化缸内热氛围，用第2次喷射来控制燃烧相位。结果表明：提前柴油第1次喷射时刻，可使氨柴模式的氮氧化物（NO_x）排放减少30%；增加第1次喷射量有助于提高氨燃烧效率，并能减少85%的N₂O和50%的CO排放。随第1次喷射量的增加，有效热效率先升高后降低。相比同压缩比下纯柴油模式，优化的氨柴双燃料模式的柴油喷射策略下，最高有效热效率提高1.2个百分点。因此，该文的优化柴油直喷策略，可节能和降低重型车辆的碳排放。

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