新能源与智能汽车技术丛书--无人驾驶汽车电动底盘技术

当前无人驾驶电动车辆技术在乘用车、商用车、拖拉机和农业机械中无处不在,本书基于无人驾驶汽车电动底盘开发的基本原理进行介绍,内容包括电动汽车的电池、电池管理系统、电机驱动系统、传动系统、分布式驱动技术、转向系统和制动系统,以及无人驾驶电动汽车环境感知系统、无人驾驶汽车的通信网络和无人驾驶电动汽车的安全设计要求等。
本书可为从事无人驾驶汽车电动底盘的研究、设计和开发的工程师、科研人员、高校师生和企业技术经理等提供参考,也可作为新能源汽车专业的研究生教材。

田晋跃，江苏大学汽车与交通工程学院车辆工程系，教授，1982年2月至1999年4月,在机械工业部天津工程机械研究所路面机械研究室，高 级工程师；液力机械传动研究室副主任，高 级工程师。
1999年5月调入江苏大学工程机械研究所,任所长，教授。兼任中国工程机械学会理事、中国工程机械液压传动技术分会副理事长、中国公路学会筑路机械分会理事、江苏公路学会筑路机械委员会副主任，《中国工程机械学报》和《工程机械与维修》杂志编委。
多年来,完成30 项科研项目,其中9项为国家及机械部项目，修定、制定4项行业标准,主管完成科研项目15项,共有6项获国家、部省及局级科技奖,并在各类行业期刊上发表了60多篇论文。
现从事工程机械模块教学与科研工作。重点研究机电液一体化控制车辆，实现行走工程车辆装备的复合作业，研究行走工程车辆装备及其控制操纵系统，使行走工程车辆装备达到节能、高效、操作简便、舒适的技术水平。

《无人驾驶汽车电动底盘技术》是一本难得的实用技术专著。专注于无人驾驶汽车电动化底盘的核心和关键技术进行了较系统和深入的介绍，分析了采用电动底盘的无人驾驶汽车的架构特点和设计方法，详细介绍了无人驾驶汽车电动化底盘动力总成及能源系统设计、电控底盘控制方法、电池参数及匹配计算方法、线控制动系统、线控转向系统，以及车辆通讯控制系统等。 《无人驾驶汽车电动底盘技术》紧密结合工程应用的基本要求，内容完整系统、重点突出，所用资料能够更新、更准确地解读问题点。在注重无人驾驶汽车电动底盘技术知识的同时，强调知识的应用性，具有较强的针对性。适合汽车研发设计、教学科研等相关人员使用。

汽车产业正在进行电动化、智能化、数字化的转型与升级，聚焦到汽车，不可或缺的是“汽车电动底盘”，电动底盘成为汽车电动化、智能化转型的融合载体，是汽车无人驾驶落地的基础。无人驾驶汽车电动底盘定义为使用计算机、控制、通信和各种自动化技术集成的车辆系统，无人驾驶汽车的推广应用可提高公路交通的安全性和运行效率，减少能源消耗和环境影响。
“无人驾驶”一词定义明确，是指在车辆操作中融入高水平的机器智能，电子元件、传感器、微处理器、计算机软件和机电集成系统的进步使车辆的自动化及自主功能达到了十分高的水平。
无人驾驶汽车电动底盘涵盖了从车辆动力学到信息、通信、电子、自动化等多学科的技术。因此，无人驾驶汽车电动底盘的研究、开发和设计需要各个学科的专业知识。幸运的是，目前不同的科学期刊、专业会议和工程专业协会都有涵盖了无人驾驶汽车电动底盘的资源，它们都非常专注于该领域的技术进步和发展，研究人员开发了许多系统，作为现代汽车的选择，已在汽车上装备，并且尚有许多创新原理样机在实验室环境中进行演示。随着无人驾驶汽车的迅速发展，未来定会影响人们的出行方式，从而影响人们的日常生活。
无人驾驶汽车电动底盘所涉及的技术具有多学科性。本书主要介绍了无人驾驶汽车电动底盘的关键技术以及研究成果。全书共11 章，每章都深入介绍了不同主题领域研究的成果，涵盖了无人驾驶汽车电动底盘这一主题的前沿技术。考虑到无人驾驶汽车电动底盘的悬架系统与传统高端汽车的悬架系统的技术要求并无本质差别，目前也没有特别突出的研究成果，因此，本书仅在绪论部分简单介绍了悬架系统，没有进行更深入的探讨。
虽然无人驾驶汽车的技术已经很先进，但是在实际应用中，需要考虑法律、道路规则等方面的问题。这些问题需要时间来解决，无人驾驶汽车的普及也需要时间。因此，本书对车辆的操控描述依然有“驾驶员” 的文字，无人驾驶汽车依然存在“方向盘”和“加速踏板”等传统汽车的车辆操控机构，但实际上，对于无人驾驶汽车来讲，这些操控机构已完全可以通过激光雷达、摄像头、传感器等设备来感知周围环境，通过计算机程序来控制执行元件，实现汽车的行驶方向和速度的变化。
本书可为从事无人驾驶汽车电动底盘的研究、设计和开发的工程师、科研人员、高校师生和企业技术经理等提供参考。
希望在可预见的未来，本书将作为一种突出的资源，帮助工程、研发和学术界同行独立研究解决在无人驾驶汽车电动底盘中的突出的关键问题。

著者

第1章　绪论 001
1.1　电动汽车底盘基本结构 002
1.1.1　汽车底盘组成 002
1.1.2　纯电动汽车底盘 004
1.1.3　混合动力汽车底盘 005
1.1.4　燃料电池汽车底盘 007
1.2　无人驾驶汽车电动底盘 008
1.2.1　无人驾驶汽车电动底盘核心技术 008
1.2.2　无人驾驶汽车底盘系统 010
1.2.3　自动驾驶分级与系统 011
1.3　无人驾驶技术应用 013
1.3.1　无人驾驶与车联网 013
1.3.2　无人驾驶与智能交通系统 015
1.3.3　无人驾驶汽车在特定区域的应用 016

第2章　电动机驱动系统 018
2.1　直流电动机及其驱动系统 019
2.1.1　直流电动机的工作原理 019
2.1.2　直流电动机的动态方程与特性分析 021
2.1.3　直流电动机的调速方法 024
2.1.4　直流电动机的脉宽调制控制 026
2.1.5　直流电动机的转矩与转速控制 027
2.1.6　直流电动机的特点 028
2.2　交流感应电动机及其驱动系统 029
2.2.1　交流感应电动机的工作原理 029
2.2.2　交流感应电动机的特性分析 030
2.2.3　交流感应电动机的矢量控制 031
2.2.4　交流感应电动机的特点及应用 032
2.3　永磁同步电动机及其驱动系统 032
2.3.1　永磁无刷直流电动机及其驱动系统 033
2.3.2　永磁同步电动机及其驱动系统 037
2.4　开关磁阻电动机及其驱动系统 039
2.4.1　开关磁阻电动机的结构和工作原理 040
2.4.2　开关磁阻电动机的控制 042
2.4.3　开关磁阻电动机的特点及应用 042

第3章　电池管理系统 045
3.1　电池管理系统的基本功能 046
3.1.1　电池状态分析 047
3.1.2　电池安全保护 048
3.1.3　能量控制管理 049
3.1.4　信息控制管理 049
3.2　电池管理系统的结构 050
3.2.1　BMS 硬件 050
3.2.2　BMS 软件 052
3.3　电池SOC 的估算 053
3.3.1　SOC 的影响因素 053
3.3.2　SOC 的估算方法 053
3.4　电池SOH 的估算 057
3.4.1　电池SOH 估算的影响因素 058
3.4.2　电池SOH 的估算方法 058
3.5　电池的热管理      060
3.5.1　电池热管理的定义 060
3.5.2　电池热管理的必要性 060
3.5.3　电池热管理方案 061
3.6　电池的均衡管理 063
3.6.1　被动均衡 064
3.6.2　主动均衡 065
3.6.3　电池单体差异对均衡的影响 067
3.7　EV 车型BMS 与整车控制系统的匹配 068
3.8　PHEV 车型BMS 与整车控制系统的匹配 070
3.8.1　PHEV 关键件的功能 071
3.8.2　PHEV 车型功能匹配调试检查 072

第4章　功率变换器 074
4.1　电动汽车的电源系统架构 075
4.2　功率变换器的类别 076
4.3　功率变换器在电动汽车上的应用 078
4.4　功率变换器硬件电路设计 081

第5章　线控转向系统 089
5.1　线控转向系统结构与要求 090
5.2　自动转向系统的结构及原理 092
5.3　车辆转向动力学及运动学 094
5.3.1　坐标系建立 094
5.3.2　车体动力学模型 095
5.3.3　车轮动力学模型 096
5.4　转向系统位置控制动态特性 098
5.5　转向执行机构建模 101
5.5.1　虚拟样机模型的建立 101
5.5.2　确定ADAMS 的输入与输出 102
5.5.3　在ADAMS 中设置变量与函数 102
5.5.4　联合仿真模型的建立 103
5.5.5　转向系统动态特性仿真 103
5.6　转向系统的PID 调节 104
5.6.1　PID 算法基本概念 104
5.6.2　基于PID 控制的系统仿真      106
5.7　无人驾驶汽车实现线控转向的关键技术 108

第6章　线控制动系统 110
6.1　车辆制动要求 111
6.2　无人驾驶车辆制动原理 112
6.2.1　无人驾驶车辆制动系统的控制架构 113
6.2.2　无人驾驶车辆制动系统的下层执行模块 114
6.2.3　无人驾驶车辆制动系统的上层控制模块 115
6.3　线控制动技术 116
6.3.1　电子液压制动系统 116
6.3.2　电子制动系统 117
6.4　电动汽车液压制动元件和系统动态分析 120
6.4.1　液压压力控制阀的平衡 120
6.4.2　制动阀的动态分析 121
6.4.3　制动管路的动态分析 121
6.4.4　制动缸的动态分析 122
6.4.5　系统的动态分析 122
6.5　制动能量回收影响因素分析 123

第7章　分布式驱动系统 125
7.1　分布式驱动系统结构 126
7.1.1　集中对置的轮边电机结构 128
7.1.2　轮毂电机结构 130
7.2　行星轮系传动特性 134
7.3　集中驱动桥的结构 135
7.4　分布式驱动的整车控制结构 137

第8章　动力传动系统 140
8.1　一体化控制流程 141
8.2　加速踏板的响应和控制 142
8.3　变速器的换挡规律 143
8.3.1　最佳动力性换挡规律      143
8.3.2　最佳经济性换挡规律 145
8.3.3　组合型换挡控制策略 147
8. 4  优化的柔性换挡控制策略 147

第9章　线控底盘域 154
9.1　线控底盘基本功能 155
9.2　CAN FD、FLEXRAY 网络结构及通信方式 156
9.2.1　CAN FD 简介 156
9.2.2　FLEXRAY 简介 158
9.3　动力底盘域的故障诊断和处理 164
9.3.1　基于信号处理的故障诊断 164
9.3.2　基于知识的故障诊断 167
9.3.3　基于模型的故障诊断 168

第10章　环境感知系统 169
10.1　摄像机 170
10.2　激光雷达 172
10.2.1　二维光雷达 172
10.2.2　三维激光雷达 174
10.3　毫米波雷达 176
10.4　车体坐标系 177
10.4.1　单目视觉标定 179
10.4.2　双目视觉标定 182
10.5　从传感器坐标系到车体坐标系 185

第11章　总线与通信网络 187
11.1　CAN 技术规范 188
11.1.1　物理层 189
11.1.2　数据链路层 190
11.1.3　网络层 192
11.1.4　应用层 192
11.2　CAN 的基本组成和数据传输原理 193
11.2.1　基本组成 193
11.2.2　数据传输原理      194
11.3　汽车CAN 网络架构及其特点 195
11.3.1　总线架构 195
11.3.2　汽车CAN 网络的组成 196
11.3.3　CAN 节点规范 197
11.3.4　几种常见的汽车网络架构 198
11.3.5　典型汽车的CAN 网络拓扑结构 202
11.3.6　汽车网络系统的结构特点 203

参考文献 206