蓄电池正文(待完善)1.doc

德州学院 汽车工程系 2012届 交通运输专业 毕业设计
电动汽车蓄电池性能改进研究
张坤
（德州学院汽车工程系，山东德州 253023）
摘要： 随着全球能源危机与环境污染的日益严重,电动汽车的发展已成为未来汽车工业发展方向之一。电动汽车的动力蓄电池是电动汽车的重要组成部分,直接影响着电动汽车的起动、加速、续驶里程等多项性能。电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。研究改进蓄电池性能，能降低汽车尾气排放，减缓能源危机，更能为人们减少花费。既能改善人们的生活水平，也能为国家的经济发展作出贡献。
关键词： 蓄电池； 容量； AGM 隔板； 压力； 吸酸量； 压缩率；
1绪论
电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。研究改进蓄电池性能，能降低汽车尾气排放，减缓能源危机，更能为人们减少花费。既能改善人们的生活水平，也能为国家的经济发展贡献力量。蓄电池性能的改进利国利民，对可持续发展作为国家的基本战略具有重大的战略意义。
1.1研究电动汽车蓄电池性能的目的和意义
随着全球能源危机与环境污染的日益严重,电动汽车的发展已成为未来汽车工业发展方向之一。电动汽车的动力蓄电池是电动汽车的重要组成部分,直接影响着电动汽车的起动、加速、续驶里程等多项性能。电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。
研究改进蓄电池性能，能降低汽车尾气排放，减缓能源危机，更能为人们减少花费。既能改善人们的生活水平，也能为国家的经济发展贡献力量。
我国在传统汽车行业曾落后与世界先进水平几十年，但在电动汽车等新能源汽车领域里，各国几乎处于相同起跑线上。在电动汽车研发生产竞争的领域里，我国汽车行业不再是以“跟随者”的身份参与，而是凭“创新者”的角色加入了竞争。电动汽车对于我国汽车业是一次实现跨越式发展、绝地反击的绝好时机。我国有成本和市场的优势，有在全球电动汽车市场取得领先地位的潜力和可能。
1.2国内外电动汽车蓄电池性能研究现状和发展趋势
电动汽车，作为无公害的绿色汽车，将成为21世纪的重要运输工具。开发高性能电动汽车已成为当今世界各国科技攻关的重点。作为电动汽车的核心-电池的性能优劣，极大地决定着电动汽车技术的先进性。目前使用的蓄电池有4个因素严重制约着电动汽车的发展：
（1）蓄电量小充电后续驶里程短。目前电动汽车一次充电后行驶的最长距离为380km
（2）充电时间长，一般充电时间需4～8h，使用极为不便；
（3）单位装备质量的电荷量太小，使电动汽车自身装备质量大；
（4）使用寿命短。普通的蓄电池充、放电次数仅300～400次，即使是性能较好的蓄电池的充放电次数也不过700～900次。按每年充放电200次，一个蓄电池的寿命仅为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。兼之，电动汽车蓄电池的价格几乎接近汽车的价格，约100美元／kwh，有的高达350美元／kwh，成本太高，用户难以承受。因此，有人断言：“电动汽车的成败首先取决于电池技术”。
已有百余年历史的铅酸蓄电池由于材料廉价、工艺简单技术成熟自放电低免维护要求等特性，在未来几十年里，依然会在市场中占主导地位。所以说铅酸蓄电池的改进和研究依然是以后电动汽车是否能得到推广的重要筹码。
本文主要分析AGM隔板对铅酸蓄电池性能的影响以及改进研究。通过AGM隔板的改进提高蓄电池的容量，继而提高它的使用性能。
2各种车用电池的性能的比较
电动汽车动力电源的主要要求有比功率高(在大电流工况下可平稳放电，提高加速、爬坡性能) 、比能量大（延长续驶里程）、循环寿命长、安全可靠、安全可靠、免维护、成本低、对使用环境温度要求低、能量转换效率高、对环境污染小以及制作电池的原材料丰富等。电动汽车的未来发展很大程度决定于动力电池的各项性能。在此特将各类车用动力电池的性能优缺点作一集中比较：见下表

各类车用动力电池的性能优缺点比较

电池类型
单体电池电压/V
比能量/（W.h/kg
比功率/（W/kg）
寿命/次
优 点
缺 点
铅酸蓄电池

2.0

35～40

50
400～1000
技术成熟 、原材料丰富、价格低、温度特性好
比能量和比功率较低、寿命短
锂离子电池
3.6
110
300
1000以上
比能量大、寿命长
成本高、需有保护电路
镍氢蓄电池
1.2
55～70
160～500
600
放电倍率高、免维护
自放电高、单体电压低
钠硫蓄电池

约2.4

109

150

1000
比能量高、转换效率高、循环寿命长
工作温度高、性能不稳、不安全
超级电容
-
小
1000
万次以上
比功率大、寿命超长
比能量小
飞轮储能
-
较小
大
长
比功率大、寿命长
比能量较小
燃料电池

-

-

-

-
寿命长、效率高、污染小、噪声低、可快速补充能源和连续
存在制氢、储氢的成本和安全问题

从上表可以看出由于多年来铅酸蓄电池经历了许多重大的改进，由于制造工艺及相关配套技术成熟，具有价格便宜、规格齐全、原料易得、使用可靠、温度特性好、可大电流放电等优点，因此在此主要针对铅酸蓄电池在电动汽车中的应用予以介绍。
3铅酸蓄电池的结构及工作原理
3.1蓄电池的构造
汽车所用的普通铅酸蓄电池一般由3～6个单体电池串联而成，并盛放在外壳内。外壳一般由塑料制成，中间用隔壁隔开每个单体蓄电池。联条一般由铅锑合金浇铸而成。单体电池串联后首尾两极板由极柱引出，正极线柱一般标有“+”或“P”记号，而负线柱标有“—”或“N”记号。单体电池主要由正负极板、隔板、电解液、电池盖等组成。

（1）极板
极板是蓄电池的核心部件，由棚架和活性物质组成。栅架的作用为支撑活性物质和传导电流、使电流分布均匀。栅架的材料一般采用铅锑合金。为防栅架腐蚀，要求锑含量较低。正极板上的活性物质主要成分为二氧化铅，呈深棕色。负极板上的活性物质主要成分为纯铅，呈青灰色。在每个单体电池中有多片正负极板，这主要是增加蓄电池容量。并且负极要比正极多一片，即使每个正极板两侧都有一片负极板，以保证正极板两侧放电均匀。也因正极板处的化学反应较剧烈，反应前后活性物质体积变化较大，将正极板夹在负极板中间，还可以减少正极板的翘曲和活性物质的脱落。
（2）电解液
电解液是蓄电池的重要组成部分，它的作用是传导电流和参加电化学反应。电解液是由纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成。电解液的相对密度对电池的性能和使用寿命有较大影响。为了提高蓄电池的容量和降低电解液的冰点，需要电解液密度大些。但其密度如果过大会使电解液流动性变差，同样会降低蓄电池容量，并缩短其使用寿命。电解液的密度还与蓄电池使用的环境温度有关。一般汽车用的铅酸蓄电池采用电解液密度为（1.2800.0050）g/稀硫酸。
（3）隔板
隔板的作用是将浸在硫酸溶液中的正、负极板隔开。为减少蓄电池体积，其正、负极板应尽可能地靠近，但又要确保正负极板之间有必要的绝缘层，因此隔板须由带微孔的橡胶、塑料、玻璃、纤维等绝缘材料制成(第五节会详细讲到)。
（4）电池盖
电池盖一般由塑料或橡胶制成，对电池起密封作用，阻止空气进入，防止极板老化等。

3.2蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池放电过程反应物负极是海绵状铅、正极是多孔状二氧化铅，而两极产物都是硫酸铅和水。在理想条件下，充电过程两极上的硫酸铅和水分别可恢复为原来的物质。依据双硫酸化理论，硫酸蓄电池平衡电极反应式为：
铅电极（—）Pb+HSO4_ =PbSO4+H++2e
氧化铅电极（+）PbO2+3H++ HSO4_+2e= PbSO4+2H2O
综合上面两式，可得出电池平衡状态的电池反应式为：
PbSO4+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+ PbSO4
电池在开路状态，负极上Pb具有释放出电子变为Pb2+离子并与电解液作用生成PbSO4
的倾向，同时PbSO4中的Pb2+离子又具有吸附电极表面电子的倾向，两者反应速度是相同的。正极上的PbO2具有吸附电子并和电解液作用生成PbSO4和H2O的倾向，同时PbSO4又具有向外释放电子而氧化为PbSO4和HSO4_离子的倾向，两者反应速度也是相同的。
当电池内部有电流时，电池进行放电或充电反应，电极将失去平衡状态并发生能量的转换。与原电池不同的是还可以用外电源恢复损耗的化学物质，使蓄电池具有多次使用功能。
（1）铅酸蓄电池的放电
铅酸蓄电池放电的外电路连接原理如图3—1所示。当电池与负载连接好后，电子将源源不断地自负极流出，经过负载后再流回至电池正极（电流则以反方向流动）。在电池

内部，电解液中早已存在着离散的H+、HSO4_、OH_、SO4_等离子，此时带负电荷的粒子HSO4_、OH_、SO4_将离开正极表面向负极迁移，而带正电荷的粒子H+将离开负极表面向正极迁移。由于正、负离子的定向运动便在电池中形成电流，电流方向与H=运动方向一致。这种携带着一定电荷量的正、负电荷，进行定向运动的形象成为电迁移。
一旦电池有电流通过，负极活性物质Pb会以极大的速度溶解，并向外电路源源不断地供出电子。与此同时电解液至电解液界面上的Pb2+还会夺取界面上的HSO4_而生成PbSO4。但是放电过程负极氧化反应速度远大于还原反应，因此还原反应可以忽略。铅电极放电电极的反应式为：
Pb+HSO4_ →PbSO4+H++2e
显而易见，放电过程是负载持续获取电能，而活性物质铅、稀硫酸不断耗损生成难容物质PbSO4的过程。
在放电过程中正极氧化值高的PbO2物质会以极大的速度吸附外电路电子，并变成低价Pb2+形成与界面上的HSO4_反应，也形成难以难溶物质PbSO4和水。所以正极放电过程的还原反应速度远远大于氧化反应，因此氧化反应可以忽略。氧化铅电极放电反应式为：
PbO2+3H++ HSO4_+2e→ PbSO4+2H2O
综上所述，放电过程是电池释放化学能转变为电能的过程，当放电电流不变时，外观特征是电池端电压渐渐地跌落直至设定值。此时若中断负载，由于电池电流为零而使开路电压在数值上接近等于电池电动势。
（2） 铅酸蓄电池的充电
充电过程采用外接电源（经整流器）向电池补充能量，其原理电路如图下3—2所示

在外电源作用下，电子源源不断地从外电源正极定向运动至外电源负极，即充电电流由外电源正极流出经过电池而后流回外电源负极。在电池内部则是带负电荷的粒子HSO4_、OH-、HO4-离开负极表面向正极迁移，而带正电荷的粒子H+离开正极表面向负极迁移，所以电池内部也形成电流，其电流方向与H+流向一致。
由于铅电极以极大的速度从外电源吸收电子，并将电极表面上难溶物质PbSO4氧化成铅，而相对铅的溶解速度变得十分微小并可忽略不计。铅电极充电反应式为：
PbSO4+H++2e→Pb+HSO4-
在充电过程中正极难溶物质PbSO4也以极快的速度进行溶解，并变成氧化值很高的物质PbO2，而吸附低价Pb2+的作用小到可以忽略不计。充电过程正极电极反应式为：
2PbSO4+2H2O→PbO2+2HSO4-+2H++Pb
综上所述，充电过程是电池吸收电能转变为化学能的过程，当充电电流不变时，外观特征是电池端电压的渐渐升高，最终到达设定值。此时若中断充电，由于电池电流为零而使开路电压接近等于电池电动势。

4铅酸蓄电池容量的影响因素
铅酸蓄电池作为电动汽车动力电源虽尚有许多不足，如容量低、寿命短、存在铅毒等污染，但由于工艺成熟、原料丰富、价格低，特别是近几年来密封技术日趋完善，所以它在动力电源中仍占有一席之地。电动汽车电源铅酸蓄电池更需要改进其容量、电池结构的密封、板栅合金、极板以及装配管理等。
蓄电池容量的大小取决于在放电允许范围内，极板上能参与电化学反应的活性物质的总量，因此影响电池容量的因素有以下几个方面：
4.1极板构造的影响
极板的面积大，参与电化学反应的活性物质就多，其容量也就大。普通蓄电池一般只用了20%--30%的活性物质，因此采用薄形极板、增加极板片数以及提高活性物质的孔隙率，均能提高蓄电池的容量。
4.2放电电流的影响
放电电流越大，单位时间里消耗的H2SO4越多，加之PbSO4产生速率高，极板孔隙就会很快被PbSO4阻塞，电解液不能及时渗透，造成孔隙内的电解液密度急剧下降，使得蓄电池端电压很快下降至终止电压，缩短了允许放电的时间，使得极板孔隙内参加电化学反应的活性物质数量减少，从而导致了蓄电池容量下降。蓄电池的荷电状态与放电电流If的关系如图4-1所示。由此可见，使用蓄电池时应尽可能避免长时间进行大电流放电。

4.3电解液温度的影响
电解液温度低，粘度就会增加，流动性变差，使得渗透能力下降；并且电解液的溶解度与电离度也随温度的降低而降低。这两方面的综合结果使得蓄电池容量下降。蓄电池SOC与温度的关系如图4-2所示。温度每下降1oC，容量下降约1%（小电流放电）或2%(大电流放电）。适当地提高蓄电池的温度（<40oC），有利于提高蓄电池容量。

4.4电解液密度的影响
电解液的密度过低会因离子数量少而导致蓄电池容量下降；电解液的密度过高则又会使其粘度增大、渗透能力降低、内阻增大、极板容易硫化，从而导致蓄电池容量下降。实际使用中，电解液密度一般为1.26--1.285g/cm3(充足电状态）。
4.5隔板
对于传统的富液式铅酸蓄电池而言，隔板的作用是把正、负极板隔开，防止正、负极活性物质短路，要求隔板对电子绝缘，但对离子导电性好；另外机械强度好，在使用过程中不被破坏。但是，对于AGM阀控密封式铅酸蓄电池而言，AGM隔板就不是简单地把正、负极板隔开的作用了，它的性质之重要，有人甚至称之为电池相对于正、负极的“第三极”。在下面的章节将会详细阐述AGM隔板对蓄电池性能的影响以及如何改进。

5隔板材料与使用性能
普通铅酸蓄电池隔板的作用，仅限于防止正、负极板短路，或阻挡蓄电池内有害杂质在正、负极板周围窜动。VRLA蓄电池除了具有铅酸蓄电池的隔板的作用外，还具有阻止正、负极板的脱落吸收并储存电解液以使蓄电池能够任意放置，为正极板析出的氧气提供扩散到负极通道的作用。隔板质量和性能的好坏将影响蓄电池内阻、氧复活效率、蓄电池大电流放电性能及蓄电池使用容量。
VRLA蓄电池隔膜材料，一直被国内外广泛使用的是超细玻璃纤维。直径在3m以下的纯玻璃纤维称为超细玻璃纤维（Absorptive Glass Met)，简称为AGM,它是一种多孔隙疏散体，通常压缩成型为卷式而出厂。
超细玻璃纤维隔板又称为吸附式隔板，这是因为它具有极高的孔率、较大的比面积和良好的可湿润性。采用吸附式隔板的蓄电池又称为贫液式电池。近期为克服贫液式电池电解液易“干涸”的缺陷，国外开发含有部分憎水性PE纤维的玻璃纤维隔板，称为富液式隔板。采用这种隔板的VRLA蓄电池，又称富液式蓄电池。
5.1 AGM隔板
5.1.1对AGM隔板的要求
日本较早研制小型密封蓄电池，对小型VRLA蓄电池用隔板AGM作隔膜，材料研制和生产技术成熟。目前大、中型VRLA蓄电池也采用纯超细玻璃纤维。自1979年美国GNB、英国Chloride等公司先后申请了吸收式密封铅酸蓄电池技术专利以来，西方发达国家，尤其是美国在研制大、中型VRLA蓄电池用的AGM隔膜技术进展较快。目前国内生产超细玻璃纤维的企业约有30多家，估计年产量已超过3000t，产品质量在不断提高。
目前国内外VRLA蓄电池的AGM隔板尚无统一标准，我国机械行业制订了一个推荐标准，还有待修改和完善。实践表明要使VRLA蓄电池具有良好的性能，AGM隔膜应该具有如下特性：
（1） 优良的耐酸性能和抗氧化能力；
（2） 厚度均匀一致，外观无针孔，无机械杂质；
（3） 孔径小且孔率大；
（4） 吸收和保留电解液能力强；
（5） 电阻低，能保证导电粒子自由迁移；
（6） 具有一定的机械强度，耐折性好，能保证蓄电池工艺操作要求；
（7） 杂质含量低，尤其是铁、铜的含量要低。
5.1.2 AGM隔板结构
AGM是采用纯玻璃球经过高温熔化和高温喷吹而制成的 ，AGM隔板则经将玻璃纤维切碎、疏解、搅拌、贮浆、造纸、干燥、裁片等工艺成为片式或卷式成品。有一些埸合不用粘接剂制造隔板板材，因为单个纤维的缠结维持板材内聚集结构。若使AGM维持在压缩状态的埸合则要粘接剂制造隔板。

3.1前照灯自动闪光系统
（1）前照灯自动闪光系统的作用与特点
汽车前照灯自动闪光系统作用是根据对面灯光的强度，自动变换前照灯的近光或远光，以提醒对面驾驶员变换远近光，避免会车时驾驶员炫目。其最大的特点是可在无人操作的条件下实现灯光自动闪亮用以提醒对面驾驶员。
（2）工作原理
当对面没有车辆驶来时，光敏电阻无灯光照射，电阻非常大相当于断路，远近光只受组合变光开关的控制；当对面开着远光的车辆驶来时，光敏电阻接受灯光高度与强度信号电阻逐渐变小，电路中电流变大翼片受热膨胀短路闪光器的电阻丝，使继电器吸合开关触点至远光灯，远光闪亮；当对面驾驶员变为近光或者会车结束时，光敏电阻无较弱或无灯光照射，电阻又变大至无穷，自动变光电路断路，灯光自动闪至近光灯（如图3-1）。
前照灯自动闪光系统是利用对面灯光的强度控制电路电流，使闪光器接入与断开，从而控制远近光的自动变换。当使用中电子控制部分损坏或出现故障时，仍能通过组合变光开关变换远近光。

图3-1 前照灯自动闪光
（3）在中低档汽车上的应用分析
目前，国内外中高档汽车上前照灯自动变光系统是利用三极管的通断来控制电路的，而本文所设计的前照灯自动闪光系统是利用闪光器的作用来控制的，本身需要对闪光器进行调试，需要在实践过程中进行检验校准。
3.2驾驶员视野分析
保证汽车安全运行需要驾驶员能及时接收足够正确的信息。80%以上的信息是驾驶员通过视觉获取的，汽车驾驶视野是汽车主动安全系统中的重要组成部分。汽车驾驶视野的宜人化程度直接决定车辆预防交通事故的性能。汽车驾驶视野设计是以驾驶员的眼睛位置（被称为视点）为定位基准。驾驶员眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学基准。各种百分位身材的驾驶员对应有各种百分位的眼椭圆。为便于汽车视野设计或校核，常将各种百分位的眼椭圆制成样板，其在车身视图上的位置如图3-2。汽车视野按方向不同可分为前方视野、后方视野和侧方视野。另外，夜间行驶需要夜间视野。

图3-2 车身视图位置
（1）前方视野
前方视野是从前风窗玻璃所能看到的可见范围及车厢内部的仪表板部分，前方视野是汽车运行中最关键的视野。前风窗玻璃框架横框和立柱位置以眼椭圆为基准，并综合考虑车辆使用环境、人眼视觉特性和能使驾驶员既方便获取交通信号又避免太阳光照射而眩目等因素最终确定，视野太大，路感等刺激增大，容易引起驾驶员的疲劳；视野太小，不能获得足够必要的信息。为了保证车辆在雨雪天为驾驶员提供良好的视野，应设除霜、除雾系统。这些系统在风窗玻璃上的清除面积及其位置也是用驾驶员眼椭圆（通常采用95百分位的眼椭圆）作基准，分别作眼椭圆的上、下、左、右4个切面，以切面与风窗玻璃的交线确定前方视野的大小和位置，汽车前方视野示意如图3-3。

图3-3 前方视野
（2）后方视野
后方视野是通过车内、外后视镜间接观察到的可见范围。其视角大小和方位主要取决于后视镜的尺寸和布置位置（如图3-4）。后视镜的大小、镜面曲率与视野角度密切相关，镜面面积和曲率越大，视野角就越大。但镜面面积过大时物像会产生畸变失真；镜面曲率过大，难以判断物像的距离并在后车快速接近时造成物像急剧变化的眩目感，不利于驾驶安全。因此应在镜面面积与曲率之间求得平衡，保证视野和物像二者都有较好的效果。

图3-4 后方视野
关于后视镜的布置位置，美国SAE推荐采用眼椭圆的方法确定，要求车内、外后视镜安装在第95百分位眼椭圆边缘水平切线之上或下边缘水平切线之下，使头部和眼睛的总转动角度不超过60°并避开风窗玻璃不能刮刷到的部分或立柱遮挡区域。
（3）侧方视野
侧方视野（如图3-5）是指驾驶员通过侧门风窗等直接可见的视野范围。大客车、货车的视点位置高，侧方显得比轿车更重要！大客车增加侧方视野主要靠右侧（左置转向盘时）以下加大风窗面积。货车靠在右侧门窗玻璃下增设下窥窗，增大侧方视野的下视角。

图3-5 侧方视野
（4）夜间视野
为确保夜间行车安全，车辆必须配备用于前方视野的前照灯、用于倒车的倒车灯，并应设有前、后雾灯及其它专门用于传递信息的转向灯、制动灯、驻车灯、侧位灯、示廓灯和反射器。对夜间视野起主要作用的是前照灯配光性能和近光照射位置。为了提高整个道路交通系统的安全性，应尽可能增强每一辆车的视认性。在车辆上装设各种照明和信号灯是增强视认性的有效措施之一。制动灯可防止后车追尾碰撞；自动频闪的转向灯提醒其他驾驶员注意该车要转向，必须安装在位灯的外侧；危险报警闪光灯用于车辆失控时警示其它车辆驾驶员及时避让。
3.3现代中低档汽车车况路况适时检测
（1）车况检测系统
车况检测系统就是电子控制系统自己诊断本身有无故障。发动机工作时，ECU根据各种传感器输入的信号，按预先设定好的控制程序进行数学计算和逻辑判断，通过向各种执行期发出相应的控制指令来控制发动机的运行。如果某只传感器发生故障不能向ECU输入信号，就会影响ECU对发动机的控制，发动机的工作性能就会变坏甚至无法运转。为了能够及时发现控制系统发生的故障，并在出现故障时尽可能使汽车保持基本的运行能力，以便维持汽车行驶修理厂修理。
ECU内部设有故障自诊断电路。在发动机运转过程中，自诊断电路随时都在检测各种传感器和执行器的工作状况，一旦发现某只传感器或执行器参数异常或功能失效时，立即采取必要的措施保护汽车的安全。汽车车况检测系统使汽车主动安全系统更加有保障。
（2）路况检测系统
1）路况实时检测
RoadView高速全自动公路路况检测系统是一种基于高速数字图象获取和处理，激光三维测量及激光距离测量技术的公路路况数据实时采集分析系统。其核心技术已应用于美国德克萨斯州立大学交通研究中心和德克萨斯州交通部2001年联合开发的公路路况高速数字图象实时处理和高速激光三维测量系统。该系统已经在德克萨斯州交通部十六套公路检测车上历时三年多的使用和完善，现肩负着德克萨斯州近十三万公里公路路况数据采集和分析工作。经过不断地改进和提高，2005年开发出了新一代RoadView高速全自动公路路况实时检测系统。RoadView可在车辆高速行使中实时提供准确的路面损伤、横断面、车辙、及平整度和路面纹理等数据和高质量的路面图象。
RoadView系统是目前世界上唯一的一套具有路面损伤实时检测能力，适用于沥青和水泥路面，并且经过大规模实际使用的高速全自动公路路况实时检测系统。RoadView公路路况实时检测系统不但采用了当今世界上最为先进的数字图象处理技术，而且全套技术均为多年来自主研究开发并经历三年多实际使用。现已证明该系统成熟可靠，可大范围推广应用。而且性能价格比高，适应中国市场，同时具有极强的国际竞争力。其核心技术有：路面破损及裂缝检测(PaveCrack)；激光断面扫描仪(PaveRut)；平整度和路面纹理测量(PaveTx)； RoadView软件；其它检测技术：道路前视图象(Right of Way Video)和距离测量和定位。
2）防托底系统
汽车底盘太低，容易造成托底， 托底一般有以下几种情况：
① 过障碍物时托底
② 上下马路沿时托底
③ 上下坡度比较大的道路时托底
④ 涉水时水面托底
对于电子悬架系统的车辆，可设计防托底系统，其工作原理是：增加高强度护板和增设车底检测雷达。高强度护板可以避免汽车油底壳和排气管等受到损坏，起到被动保护的作用；检测雷达安装在汽车底盘上，以安装位置为基准检测汽车底盘以下前方道路的情况，若发现障碍物而汽车无法正常通过时就会自动报警并且连通自动悬架系统使汽车安全通过避免托底现象，避免交通事故的发生。其工作示意图如图3-6所示。

图3-6 防托底系统结构示意图
3.4电子控制悬架系统ESS
汽车悬架的作用是缓冲和吸收来自车轮的振动，在汽车行驶过程中还要传递车轮与路面间产生的驱动力和制动力。汽车在转向时，悬架还要承受来自车身的侧向力，并在汽车起步和制动时能够抑制车身的俯仰振动，提高汽车的行驶稳定性和乘坐舒适性。电子悬架主要功用是：汽车在行驶过程中，根据实际需要，使悬架的基本参数（如刚度、阻尼）随时调节，从而达到最佳的行驶平顺性和操纵稳定性。电控悬架系统主要有反应汽车运行状况的各种传感器、开关，电子控制单元及执行机构等组成（如图3-7）。

图3-7 电子控制悬架
电子控制悬架系统能够根据汽车的瞬时驾驶条件自动调节悬架组件的性能，即通过各种传感器对汽车的运行状况进行监测，当车载计算机收到传感器监测来的转向和制动状况信号后，能自动地处理车辆的侧倾、前后仰，并自动调整减振器阻尼力的控制系统。它能防止车体倾斜并提高车轮的地面附着力。其结果是使汽车更易于控制，具有更好的操纵响应性。一是气动弹簧，在不同的搭载条件下，如拖拽一个拖车或增加行李或乘员的情况下，气动弹簧能够自动保持车辆一贯的高度。一个高度传感对乘坐基准高度进行测量，当需要时，空气压缩机通过对气动弹簧进行充气或放气维持自动调节来保持车辆的自动高度。其结果是增加了操纵和汽车大灯照明的连贯。二是双阻尼缓冲装置，这一具有创新意义的系统能够在瞬间完成车辆驾驶由软到硬的变化，从而进一步提高了汽车的可控性。采用先进技术的传感器装置对驾驶者的转向、制动和加速进行监测。在快加速、强烈制动和打弯的过程中，该系统自动将缓冲装置转换到“坚固”设置，以减少在非此状态下经常出现的汽车升浮、栽头或横向摇振的程度。其结果是汽车具有了更好的可控性。在颠簸不平的道路上，电子控制悬架系统可以通过升高车身和采用自动电子阻尼控制技术，明显地提高驾乘人员的舒适性。而在高速公路上，它会自动降低车身高度，减小风阻系数，同时在必要时通过调整阻尼系数来改善汽车的操纵稳定性。如果转向稳定性提高，后轮可以传递更大的制动力，从而缩短制动距离。
普通的中低档汽车悬架系统必须在舒适性和操纵性中进行折衷。缓冲性能越好，车辆的减震性能越好，但操控性越差，它自然也会影响制动距离。电子控制悬架系统利用电子技术来提高底盘悬架的技术水平，与一般悬架系统相比，车辆的安全性和舒适性大大提高。
3.5驾驶员注意力检测系统
驾驶员注意力检测系统控制。当今世界汽车交通事故频繁，大多是因为驾驶员注意力不集中即疲劳驾驶导致的。疲劳驾驶容易导致交通事故，而其本身具有隐蔽性，是当今威胁汽车主动安全，交通安全的又一大杀手。事故后又很难对事故原因查清楚，因而很有必要对汽车进行必要的改装，加强对驾驶员注意力的检测。
可以通过对驾驶员连续开车时间进行限制和对转向盘转角进行检测来检测驾驶员的注意力、控制驾驶员的疲劳驾驶。疲劳驾驶警告系统大体分为两部分，转向检测和驾驶累计时间检测。
（1）转向检测系统原理
当检测到驾驶员注意力低下，转向操作与转向盘操作模型相一致时，就劝告驾驶员休息（如图3-8）。

图3-8 转向盘转角检测
转向检测原理：检测到疲劳、精力不集中时出现的典型操作，类似转向跑偏时就劝告驾驶员休息；通过检测转向盘转角与车辆行驶状况，判断出有画龙式工况时提醒驾驶员休息；当出现突发事故或出现极度乏力状态时，判断出转向极度化的打把现象时劝告驾驶员休息。车速低于规定车速有明确驾驶操作时，中断来自转向盘的检测信号；方向盘连续往一个方向转动，判断为弯道行驶时，中断来自转向盘的信号。
（2）安全驾驶时间警告系统控制原理
以保证交通安全为主，考虑气候、驾驶时间和休息时间等因素，来累计驾驶时间，具体工作过程如图3-9所示．

图3-9安全驾驶时间警告

驾驶时间累积原理：累计驾驶时间超过2h，劝告驾驶员休息，以后每一段时间就劝告一次，累计驾驶时间超过4h，自动切断电路，发动机熄火；中途休息时，从累计时问中减除4倍休息时间；雨天或夜间驾驶汽车时，驾驶员容易疲劳，按1.2倍实际驾驶时间折算。
驾驶员注意力检测程序设计如图3-10：

图3-10驾驶员注意力检测
（3）驾驶员注意力检测在中低档车上的应用分析
驾驶员注意力检测是一个相当复杂的过程，是制约汽车安全的一大难题，目前国内外高档汽车上仍未取得突破性进展，高档汽车上将影像信号与多重信号传感器信号经过电脑处理分析与计算最终得出结果，如此高精尖的技术不太适合应用于中低档汽车上，而且这也给维修带来不便。本文是对驾驶员注意力中最典型的两种形式进行检测与控制，最终实现主动安全保护。
3.6自动巡航控制系统
（1）巡航控制系统的特点
汽车巡航控制系统。又称恒速行驶系统。它是利用电控对汽车速度进行自动调节的一种电子控制装置，有如下特点：
①保持汽车行驶速度稳定。无论汽车行驶在平路还是上坡、下坡，也无论是风和日丽，还是疾风骤雨，只要发动机功率允许范围内，汽车的行驶速度均能保持恒速不变。
②提高汽车行驶的舒适性。由于其车速稳定，无或快或慢的感觉，尤其是在郊外和高速公路上行驶，成员乘坐的舒适性体现得更为明显。此外，由于驾驶员无须频繁踏加速踏板，疲劳程度可大大减轻。
③可提高燃油经济性和环保性。采用巡航控制系统后，可使发动机燃料的供给与功率的配合处于最佳状态，在同样的形式条件下，对于有经验的驾驶员开说，可以节省燃油15%，而且加少了排气中有毒成分的含量。
（2）巡航控制系统的组成及工作原理
巡航控制系统主要有各种传感器和开关、电控单元ECU、执行器三部分组成（如图3-11）。

图3-11 巡航控制示意图
巡航控制系统的发展趋势是实现恒速及其发动机的动控制。其工作原理为：在汽车前杠上加装追踪定位传感器来测出前面车辆的速度作为基准车速，然后将车速控制在一定范围以内自动巡航，保持前后车距，防止高速时驾驶员疲劳，防止追尾。巡航控制系统一方面起到节油的目的另一方面降低了驾驶员的疲劳驾驶。
3.7电子稳定控制系统
电子稳定控制系统简称ESP，用于自动控制车辆转弯过程的轨迹稳定性。在紧急闪避障碍物或在转弯时出现转向不足、转向过度进而使车身侧倾角度过大、车尾偏摆力矩超过某一程度、车体的行进方向与转向盘所转过的角度差距达到了某一程度时，将车辆行驶方向快速修正到原行驶路径上（如图3-12）。

图3-12 电子稳定控制示意图
ESP由传感器、电控单元和执行器三部分组成。其工作原理为在汽车行驶过程中，转向盘转角传感器检侧驾驶员的转弯方向和角度，车速传感器检测车速、节气门开度，横向加速度传感器和横摆角速度传感器检测车辆的横摆和侧倾速度。ECU根据这些信息，通过ECU判断与内部存储数据比较，然后ECU发出指令，调整发动机驱动力矩和车轮上制动力矩，如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差，则ESP自动控制对某一车轮施加制动，从而修正汽车的不足转向或过度转向。汽车有向转向外侧前轮偏移的趋势为不足转向，此时ESP自动对转向内侧后轮进行制动，使车辆恢复稳定的行驶轨迹。如车辆发生不可控制的回转运动，有甩尾的趋势，此时， ESP能自动对转向外侧前轮进行制动，产生阻抗力矩，使车辆恢复稳定行驶 (如图3-13)。
带有横向加速度传感器的横向摆动率传感器
转向盘转动传感器
第一压力传感器
车轮轮速传感器
燃油喷射
点火角
发动机管理系统控制单元
车轮制动器
ESP控制器
液压调节器
电子节气门
ABS/ASR控制器MSR发动机制动扭矩控制器

图3-13 汽车上ESP控制环
ESP最主要的作用是在紧急情况下，与ABS和ASR共同工作，帮助驾驶员保持对车辆的控制和ASR共同工作，帮助驾驶员保持对车辆的控制在车辆和地面间还有附着力的前提下，通过对驾驶员的动作和路面等实际情况的判断，对车辆的行驶状态进行及时干预，从而避免重大意外事故。装了ESP的汽车，不再盲目服从司机，它能纠正司机的过度转向和不足转向。ABS和ASR只能被动地做出反应，而ESP则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。ESP的具体作用归纳为三点。 (1)控制驱动力，防止车轮打滑ESP能够避免车辆的起步打滑，系统对制动、发动机管理和变速换挡控制及时干预，让汽车在启动时保持合适的扭矩，而整个过程ESP利用微处理器分析来自传感器的信号并输出相应的控制指令。 (2)控制转向过度或不足在转向过程中，如果驾驶员对车辆的操作过于激烈，会使车辆不能按照自己的轨迹行驶，后驱汽车常出现转向过度情况，此时后轮失控而甩尾。当ESP感知到这种情况将要出现之前，便会对外侧前轮制动，让前轮得到一个反向转矩来稳定车身;在转向不足时，为了校正循迹方向， ESP则对内侧后轮制动，形成一个加强汽车转向的转矩，从而校正汽车的行驶方向。 (3)控制方向，减少对开路面制动距离，对开路面指的是汽车的左右轮分别位于不同附着系数的路面上，如果一半是干燥路面，而另一半是积水甚至是积雪路面。在这种路面上刹车时，制动系统在对附着力较低的路面上的车轮施加制动力时，为了防止车轮的抱死滑动，制动系统不能够对车轮施加与干燥路面上的车轮同样大的制动力。原因是如果没有反方向控制车身，不对称的制动力会使车辆受到一个水平方向的转矩在路面旋转打滑，ESP系统察觉到后，系统会给电动机一个必要的转向角度命令。这时，驾驶员能够感觉到方向盘的变化，并随之继续控制方向盘反向旋转。在这样的作用下，制动力能够发挥地面附着力的最大值，并把制动距离缩短5%—10%，这是大众最新的“ESP Plus”转向控制系统所能达到的最新成果。
ESP是当前汽车安全水准的最高形式，它是针对各种较差路况、低附着路面、高速弯道行驶等状态下研发的一种车辆主动安全稳定控制系统，能大大提高汽车的行驶安全性和操纵稳定性，从而显著减少因外界各种恶劣路况及驾驶员失误等所造成的重大损失。ESP一定将会成为广泛应用与中低档汽车上的最重要的主动安全技术。
4现代中低档汽车事故安全研究
避免交通事故的发生最直接的办法就是在事故发生之前采取必要措施，增强车辆操作稳定性、驾驶稳定性和转向安全性等。在事故发生之前，汽车预碰撞系统AWS、电子机械制动系统EMB、防抱死制动系统ABS、驱动防滑系统ASR和电子制动力分配系统EBD最大程度的避免发生交通事故。
4.1汽车预碰撞系统分析
AWS汽车碰撞预警系统，是一款能预测到行车危险并在碰撞危险发生前2.7秒向驾驶员发出警报，预防交通事故发生的产品，被称为永不疲倦的第三只眼。
AWS系统是通过动态视频摄像技术和计算机图像处理技术来实现其预警功能的，它有三大功能：1、前碰撞预警：系统可以在发生