智能网联汽车关键技术PPT，智能网联汽车的共性关键技术

汽车能耗标准日益提高，“双碳”目标的要求对节能技术提出了更高的要求，利用交通信息技术和智能技术提高汽车实际行驶能耗水平具有巨大潜力，也是国内外研究的热点，开发智能节能驾驶战略也是自动

2020年我国首次提出：“中国将加大国家自主贡献力度，采取更有力的政策和措施，努力到2030年实现二氧化碳排放高峰，到2060年实现碳中和。” 人们对汽车产业早日实现“碳中和”目标寄予厚望，努力成为“脱碳之星”已在汽车行业内外达成共识。 实现这个目标的过程非常复杂，难度和压力非常大，需要包括汽车、交通、能源等多个行业的跨界联动和协同。

中国汽车工程学会于2020年发布了《节能与新能源汽车技术路线图》版本2.0，提出2025年、2030年、2035年轿车新车平均油耗分别达到每100km油耗4.6L、3.2L、2.0L。 同年，国务院办公厅发布《新能源汽车产业发展规划》，明确提高技术创新能力需要攻关多能源动力系统集成技术，突破整车智能能源管理控制。

目前，通信、传感、计算、控制和智能等信息技术发展迅速，ICV已成为世界关注的焦点，正在改变汽车现有的生态系统。 据国际能源局《2019年能源效率报告》介绍，数字化和信息化技术对提高汽车能效具有重要作用，贡献率预计将达到20%~25%，美国NEXTCAR项目的目标是在智能动力系统节能减排中实现20%

车辆智能节能技术是指车辆能源管理系统与GPS、GIS和ITS的协同控制，利用交通大数据信息是提高智能汽车能效水平的系统节能新方案，是满足未来油耗法规、提高市场竞争力的关键技术。

实现整车节能目标，不能只依靠某一系统和零部件，还需要挖掘整车和动力总成各子系统的节能潜力。 核心是整车能源的有效管理和最大限度地适应用户全状况，使车辆全运行具有最佳的能源使用效率。 从用户对车辆差异化使用需求的角度，全面考虑全场景路况，将全球定位系统、地理信息系统和智能交通系统相融合，在提高驾驶质量的同时，实现节能收益最大化。

车辆节能原理

目前，从能量的收集、输送到车辆使用最终完成交通运输任务，至少需要三个能量转换步骤，但不同能量转换环节的汽车节能减排技术着眼点也不尽相同[1]。

图1能量转换的主要步骤

首先是从能源到车辆储存设备的过程。 主要考虑通过合理规划加油站、充电桩等的分布，减少等待时间过长、资源浪费等不必要的成本。

其次是消耗能量使车辆行驶的过程。 实现汽车节能控制、提高发动机热效率、提高传动系统效率、提高电动机和控制器效率、提高电池充放电效率、优化整车阻力、轻量化技术等是整车的主要节能途径。

最后是耗能驱动车辆行驶的过程也就是车辆在道路上行驶完成交通运输任务的过程。 该环节针对不同的驾驶情况，通过考虑道路坡度、曲率等信息，优化车辆自身的运动状态，达到节能减排的目的。

在驾驶任务环节，车辆节能减排控制一般以某一固定起点到终点区间为优化范围，构建最优控制问题。 为了便于问题分析，将车辆视为质点，根据牛顿第二定律，可以得到车辆纵向行驶行为力学公式。

考虑整车能效提高的核心问题之一是在给定的驾驶任务下，合理规划车辆从起点到终点的行驶速度以达到节能的目的。 如果将车轮上的瞬时功率FwV定义为性能指标，则汽车在一定时间[0，tf]内从起点行驶到终点并完成驾驶任务所消耗的能量e由式表示

通过结合式，将公式变换后得到公式

为了便于分析，在不失去普遍性的情况下，假设m、g、Cr和为常数，则上式最终可以变换为式

式中前2项分别指车辆动能和势能的变化量，由于驾驶任务固定不变，前2项不能为节能做出贡献； 三项是滚动摩擦损失，这部分涉及Cr和x，为了尽量减小这一项，需要选择距离短、滚动阻力小的路线，这也是融合道路信息节能的基本理论出发点。

节能系统的重要因素

1.ADAS高清晰地图技术

随着高精度地图的迅速发展ADAS地图被广泛应用于车辆安全和节能领域ADAS地图几何精度约50cm，在一般导航电子地图的基础上进行了扩展，包括道路等级、车道信息和车道、交通标志、交通设施、交叉口、道路形状点、坡度、曲率和连接关系等静态道路数据，以及天气、交通拥堵、拥堵等交通信息

图2 ADAS地图节能相关关键因素

整车节能的相关主要功能如下。

高精度定位可利用具有高地理位置的道路车道形状点、交通标志、交通设施等静态数据，结合GNSS、车身传感器甚至视觉信号等其他辅助定位手段，实现厘米级定位精度。 本地路线指南通过地图数据的拓扑结构可以描述车辆最有可能走的路径。 该MPP具有道路级乃至车道级的行驶引导信息，可提供给车辆决策控制系统，引导驾驶员操纵车辆，决策系统接管车辆动力、转向、制动控制，进行半自动或全自动引导、变道等操作全球路线规划也利用全球MPP，车辆可以随时了解全球道路的静态属性信息和动态属性信息。 一方面，根据这些信息合理调整车辆动力系统和电源管理模块，能够降低油耗、节约电力，达到最佳经济性，另一方面，能够事先识别车辆行驶路径上的事故、堵塞等实时动态信息，适时变更行驶路径

2 .车辆状态感知技术

车辆状态感知是实时有效控制车辆的基础，车辆在行驶过程中需要准确感知周边信息，整车节能主要是获取前车动态信息。 目前主流的传感器，如照相机、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达等，都有各自的优缺点和适用范围。 详情请参照表1。

对比分析表明，毫米波雷达传输距离远，传输窗内大气衰减和损耗低，穿透性强，能满足车辆全天候适应性要求。 毫米波本身的特性还决定了毫米波雷达传感器器件尺寸小、质量轻等特性，较好地弥补了相机、激光、超声波及红外等其他传感器在车载APP应用中不具备的使用场景。 利用毫米波雷达可以支持整车节能，77GHz汽车雷达比24GHz分配带宽，距离分辨率高，体积小，目标检测能力强，适用于节能车辆周边精度问题。

节能战略开发方案

1 .基于导航信息全局优化节能技术

目前的能源管理策略主要分为基于规则的能源管理和基于优化的能源管理，利用ADAS高精度地图和用户导航信息，基于全局优化策略实现车辆节能。 该方法采用规划算法优化整个行驶循环，可以得到全局最优解。 其核心思想是将一系列事件或连续事件按不同阶段或时间间隔进行划分，选择合适的状态变量、控制变量，定义状态转移方程和性能指标函数，求解各阶段的性能指标函数，得到全局最优控制序列。

求解动态规划算法时，首先对状态变量和控制变量进行离散化处理，将各控制变量应用于各阶段的各状态值可以得到相应的状态转移代价和下一时间点的状态值； 然后，进行递归，获得从当前各状态到末端状态的最小世代价值和与其对应的最佳控制序列； 最后，通过提前，可以从初始状态量得到所有阶段的最优控制序列，从最优控制序列得到每个阶段的状态量和总的世代价值。

2 .基于车况预测模型的节能技术

自由流和限制流用于描述车辆当前所处的交通状况。 在自由流交通状况下，车辆节能驾驶策略不受外部交通状况的影响，但在限流交通状况下，车辆节能驾驶策略必须考虑前方车辆车速与前方车辆的距离进行修改，在确保节能策略合理性的同时，满足车辆驾驶安全性的需要。

为了适应不同的行驶工况提高能耗经济性，需要开发根据前车行驶工况选择控制目标的节能型自适应巡航控制，主要方案如下。

设计了识别前车行驶状况的BP神经网络结构，网络输入为平均车速、最大车速、平均加速度及最大加速度等几个行驶特征参数。 抑制层一般为2层，神经元8个和10个，输出为市区、郊区和道路行驶状况类型。

建立自适应巡航跟踪预测模型，针对不同的行驶工况，设计了模型预测巡航控制的目标函数和约束条件，主要采用加速约束，加速度的实现方式如图3所示。

图3基于节能策略的加速度控制方案

案例分析

1 .轿车的典型应用

奔驰ECO辅助系统梅赛德斯-奔驰A级插电式混合动力系统设计为P2并行架构，混合动力系统在智能动力系统管理中使用系统路线优化策略，在混合动力驱动模式下，由电力驱动运行、电池驱动

该方案在车辆上采用ECO辅助功能实现，提出了根据以后的路线、下坡、交叉口和区间的限速来放松油门，培养了用户经济的驾驶方式，也提高了能量回收的效率。 例如，导航数据允许ECO辅助系统在驾驶员意识到即将发生的制动事件之前，建议驾驶员减速进入ECO工况。 与正常运行模式相比，采用ECO-Assist系统可减少5%的消费量。

上汽荣威智能能源管理系统上汽荣威开发的智能能源管理系统IEM基于导航等提供路况和环境信息，智能选择最适合动力系统运行模式和能量回收强度，最大限度地优化整个行程系统的效率

图4上汽荣威智能能源管理系统

IEM功能开启后，动力系统自动根据全程长度、预计车速、坡度值和拥堵等信息提前规划，调整发动机和电动机使用范围，全程进行油耗、能耗分配，实时控制电池电量。 行驶中收到导航前方的拥堵信息后，系统通过畅通的链路利用发动机高效区域进行充电； 在拥堵路段，车辆可以以更高效的EV模式行驶，最终全程功耗较低。

通过估计车速曲线，智能优化发动机启停时刻，准确控制发动机运行状态，确保发动机始终在高效区域工作。 IEM可以根据地图导航信息和雷达前后的车距信息推算车速变化，更智能合理地控制车辆在纯电、行驶充电和并网模式之间切换，避免车辆自身因素和驾驶员操作导致的发动机频繁启停和超时

为了确保更准确的控制，IEM还将引入和修正驾驶激烈指数，实现千人千乘的驾驶方式。 识别减速场景，积极强化能量回收扭矩。 能量回收摆脱强、中、弱各区块的束缚，进入Auto状态。 地图显示，前方有红绿灯时，车辆会根据有强烈减速需求的情况，提高能量回收强度。 此时，驾驶员只需在红绿灯前松开油门，车辆就会在较强的能量回收作用下快速减速，完成预期操作，将能量储存在电池组中。

除了地图交叉口、限速等静态减速场景外，IEM还引入雷达信号，根据与前车的相对位置和速度识别动态减速场景，并根据需求的变化，代替部分刹车功能降低能耗，而不是将能量回收强度再定值。 IEM还计算最经济的导航路线，供用户选择，并及时提醒客户操作。 例如，导航终端提示客户关掉EV； 前方电子眼速度快，用户超速时提示减速，松开节气门后强力回收。

典型场景的实测数据表明，IEM智能能量管理可以节约能耗15%以上，实际路况影响因素比较大，效果可能会上下波动。

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公众号

吉利几何SEM智能能源管理系统吉利几何c的SEM智能能源管理技术，基于全场景、全工况、全温度系统级动态能效控制算法，实现精确的能耗控制。 SEM系统基于协同整车控制系统和电池控制系统动态标定驾驶员习惯、充电模式、空调负荷等多种参数的控制策略，不仅提高了续航距离算法的精度，而且在长期检测整车状态后，达到了最优

SEM智能能量管理系统从能量存储、节能、能量恢复、控制能量及能量上升五维度出发，通过以算法为核心的能量效率控制，实现超低能耗、高精度能量控制及高效能量回收在能量控制能力方面，采用行业专有的SOC持续行驶距离算法，将VCU整车控制器与BMS电池管理系统融合，应用SOC计算逻辑加权，实现剩余持续行驶距离和实际持续行驶距离精度接近100%。 同级独有的智能预约充电桩加热技术，可提前将电池组调整至最佳状态，最大行驶距离可提升50km。 配备ITCS3.0电池智能温控管理系统，可在-30~55的环境温度下维持电池恒温工作。 此外，还有生态超级节能模式，智能调整电力分配，一键提升里程8%。

2 .商用车典型应用

奔驰PPC动力系统前瞻巡航系统奔驰卡车内置PPC动力系统前瞻巡航的三维地图可提前预知高速公路前方2km的地形，自动优化换挡时机、档位选择、恒速巡航设定车速，节省燃油。 无论是在陡峭的斜坡上行驶还是在平地上行驶，动力系统的预见性巡航都能提前识别前方路况，提供预测性应对措施。 因此，动力系统的前瞻巡航需要持续测量车辆的动能，根据道路前方地形的变化，如登顶前或走向平地时，通过经济滑行功能充分利用车辆动能，减少发动机牵引力损失，节约燃油与未配备PPC的车辆相比，智能巡航控制和变速器控制系统平均可节约5%的燃料。

四维图新节能驾驶辅助系统四维图新及其中环卫星推出节能驾驶辅助系统“PCC-前瞻巡航”。 PCC前瞻巡航是一种具有油耗特性的批量级商用车智能驾驶控制系统。 该系统在不改变司机驾驶行为和车辆动力总成匹配的情况下，通过车辆的优化控制实现油耗，有效缓解司机的驾驶疲劳。 PCC从ADAS地图数据中提取坡度、曲率、航向等数据，结合持续优化节油算法进行车辆驾驶决策，PCC前瞻巡航可实现平均节油6%~10%。

图5中环PCC-前瞻巡航系统

清华大学云控节能巡航控制系统清华大学研究团队发现，当前自行车智能驾驶系统感知范围有限，道路交通信息获取能力不足，车辆动力系统的最佳工作状态与道路交通条件难以匹配，无法构建全球范围的节能驾驶战略

图6基于清华大学云控平台的节能巡航控制系统

该系统在不改变司机驾驶行为和车辆动力总成的情况下，基于车辆行驶数据，从地图数据中提取前方道路路况、坡度等信息，通过云端节能巡航规划算法，实现滚动优化、迭代更新的节能巡航最优车端分析最佳车速指令，通过闭环控制进行跟踪。 与大于2000km的精确数据采集对比，表明相对于恒速巡航，节能巡航模式下平均油耗稳定在2.2%，70%条件下油耗可维持在4.6%。

结束语

本文对融合交通信息的车辆智能节能策略关键技术进行了系统分析，主要结论如下。

利用交通大数据信息提高汽车能效水平的系统性节能新方案是满足未来油耗法规、提高市场竞争力的关键技术。

根据车辆驾驶任务的需要和车辆节能原理，整车节能需要选择距离短、滚动阻力小的路线。

融合交通信息节能系统的整车主要包括ADAS地图和毫米波雷达，其作用分别是提供地图信息、获取用户导航路径、感知前车运动状态。

基于ADAS地图和导航信息采用全局优化算法实现了最优节能控制效果，基于前车距离和车速采用MCP算法实现了动态跟踪车模型开发。

融合交通信息的智能节能战略在轿车和商用车上都有搭载，综合油耗可达到3%~5%，特定路线可达到6%~10%。

今后，智能网络技术和5G技术将进一步发展，智能电源系统节能减排的预期潜力将达到20%以上。

作者：张先锋、杨建军、白巴特尔、王宝森、刘双喜

单位：中汽研汽车工程研究院有限公司

这篇文章刊登在《汽车工艺师》杂志上

2021年第12期“汽车观察”栏目P22-P27发表。

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