电驱动系统 混动、纯电动与燃料电池汽车的能量系统、功率电子和传动

前言
第1部分车辆与能量源
第1章电动性和环境……3
1.1电机动力总成简史……4
1.1.1第一部分——电动汽车诞生……4
1.1.2第二部分——电机动力总成的复苏……4
1.1.3第三部分——电机动力总成最终成功……6
1.2能源推进和排放……9
1.2.1燃料碳排放……10
1.2.2温室气体和污染物……11
1.3法规的出现……13
1.3.1监管注意事项和排放趋势……15
1.3.2大型货车法规……16
1.4EPA行驶工况……17
1.5BEV燃油消耗、续驶里程和等效燃油经济性……21
1.6传统动力总成和电机动力总成碳排放……22
1.6.1油井-车轮和摇篮-坟墓排放……25
1.6.2输电网络产生的排放……25
1.7传统汽车、电动汽车、混合动力汽
车和燃料电池汽车电力系统概论……26
1.7.1传统内燃机汽车……26
1.7.2纯电动汽车……27
1.7.3混合动力汽车……28
1.7.4燃料电池汽车……30
1.7.5传统汽车、电动汽车、混合
动力汽车和燃料电池汽车效率对比……30
1.7.6传统汽车、电动汽车、混合
动力汽车和燃料电池汽车
案例研究对比……31
1.8汽车和其他交通运输技术对比……32
参考文献……33
扩展阅读……34
问题……34
作业……35
第2章车辆动力学……36
2.1车辆载荷……36
2.1.1基础动力、能量和速度之间的关系……37
2.1.2空气动力阻力……37
2.1.3滚动阻力……40
2.1.4根据EPA滑行试验的车辆
道路-载荷系数……41
2.1.5恒速下纯电动汽车的续驶里程……44
2.1.6最大爬坡度……45
2.2车辆加速……47
2.2.1车辆制动能量回收……48
2.2.2牵引电机特征……48
2.2.3车辆加速度……50
2.3简化行驶工况车辆对比……53
参考文献……55
扩展阅读……55
问题……55
MATLAB代码示例……56
作业：BEV模型……59
目录●●●●●●●●●●电驱动系统——混动、纯电动与燃料电池汽车的能量系统、功率电子和传动
第3章电池……61
3.1电池介绍……61
3.1.1电池类型和电池组……61
3.1.2电池基本原理……64
3.1.3基础电化学……66
3.1.4电池能量储存单位……68
3.1.5放电率……69
3.1.6电池参数和比较……70
3.2生命周期和规格考虑事项……72
3.2.1电池选型案例……75
3.2.2电池组放电曲线和寿命……77
3.3电池充电、保护和管理系统……78
3.3.1电池充电……78
3.3.2电池失效和保护……79
3.3.3电池管理系统……80
3.4电池模组……80
3.4.1适应纯电动汽车电池模型的
简化新曲线……82
3.4.2电池组电压、电流、电阻和
效率……84
3.4.3混合动力汽车电池的简单曲线……86
3.4.4充电……87
3.4.5计算给定输出/输入功率下的
电池/电池组电压……88
3.4.6电池单体能量和放电率……89
3.5例：某固定齿轮速比纯电动汽车的能耗……91
参考文献……94
扩展阅读……94
问题……94
附录：一种简化的适应于纯电动汽车电池
的模拟曲线……96
第4章燃料电池……99
4.1燃料电池介绍……99
4.1.1燃料电池排放和上游
排放……100
4.1.2氢气的安全因素……101
4.2基本原理……102
4.2.1燃料电池模型和电池
电压……103
4.2.2燃料电池单体和燃料电池动力
系统的功率和效率……105
4.2.3燃料电池特征曲线……106
4.3燃料电池动力系统选型……107
4.3.1例：燃料电池单体
选型……107
4.3.2丰田Mirai……108
4.3.3配套设施……108
4.3.4DC-DC升压变换器……109
4.4燃料电池寿命……109
4.5例：重型货物牵引车-拖车组合
燃料电池系统选型……110
4.6例：燃料电池汽车燃油经济性……112
参考文献……115
问题……115
作业……116
第5章传统和混合动力总成……117
5.1混合动力汽车概述……117
5.2制动比油耗……119
5.3传统发动机、串联和串并联混合
系统的比较……123
5.3.1例：使用汽油或柴油发动机的
内燃机汽车的燃油经济性……123
5.3.2例：串联HEV的燃油经济性……128
5.3.3例：串并联混合动力汽车的
燃油经济性……130
5.3.4比较总结……132
5.4行星齿轮作为动力分配装置……133
5.4.12004款丰田普锐斯动力总成……134
5.4.2例：在电驱动模式下运行的
CVT（车辆起动和低速）……135
5.4.3例：CVT在全功率模式下运行……137
5.4.4例：CVT在巡航和发电模式下运行……138
参考文献……139
问题……139
作业139第2部分电机
第6章牵引电机介绍……143
6.1驱动电机概论……143
6.1.1直流电机……144
6.1.2交流电机……145
6.1.3牵引电机对比……149
6.1.4案例研究——火星探测器牵引电机……150
6.2电机定义……151
6.2.1四象限运行……152
6.2.2额定参数……152
6.2.3额定转矩……153
6.2.4额定转速和基本转速……153
6.2.5额定功率……153
6.2.6峰值转矩……153
6.2.7堵转转矩……154
6.3电机特性曲线……154
6.3.1恒转矩模式……154
6.3.2恒功率模式……154
6.3.3最高转速模式……155
6.3.4效率谱……155
6.4电机单元转换因子……157
参考文献……157
第7章有刷直流电机……158
7.1直流电机结构……158
7.2直流电机等效电路……160
7.3直流电机电路方程……161
7.3.1空载旋转损耗……163
7.3.2空载转速……163
7.3.3最大功率……163
7.3.4额定条件……163
7.4永磁直流电机功率、损耗及效率……164
7.5应用电力电子进行电机控制……165
7.6正向或反转模式下电机作为电动机
或者发电机运转……167
7.6.1例：应用永磁直流电机发电或者制动……168
7.6.2例：反转驱动……169
7.7磁饱和与电枢反应……170
7.8电动汽车动力总成使用PM直流电机……171
7.9电动汽车动力总成使用WF直流电机……173
7.10案例研究——火星探测器牵引电机……177
7.11电机热特性……179
7.11.1稳态温升案例……179
7.11.2瞬态温升案例……180
参考文献……181
问题……181
第8章感应电机……183
8.1定子绕组和旋转磁场……183
8.1.1定子磁流密度……185
8.1.2空间向量电流和旋转磁场……188
8.2感应电机转子电压、电流和转矩……191
8.2.1转子结构……191
8.2.2感应电机运转理论……192
8.3电机模型和稳态运转……193
8.3.1三相感应电机功率……196
8.3.2三相感应电机转矩……197
8.3.3感应电机相量分析……199
8.3.4当供给电流源时的电机运转……199
8.4感应电机的变速运转……207
8.4.1每Hz运转的恒定电压……208
8.4.2变速运行……208
8.5电机测试……212
8.5.1直流电阻测试……213
8.5.2锁定转子测试……213
8.5.3空载测试……214
参考文献……216
扩展阅读……216
问题……217
MATLAB代码示例……218
第9章面置式永磁交流电机……221
9.1SPM电机基本运转……221
9.1.1单线圈的反电动势……221
9.1.2单相反电动势……222
9.2SPM电机的单相分析……227
9.2.1SPM电机的单相等效电路模型……227
9.2.2SPM电机的相量分析……227
9.2.3电机磁饱和……234
9.2.4SPM电机转矩-速度特性……234
9.2.5超过额定转速的SPM电机的高速运行……235
9.2.6磁场弱化运行的电机特性……240
参考文献……242
扩展阅读……242
问题……242
MATLAB代码示例……243
第10章内置式永磁交流电机……245
10.1电机结构和转矩方程……245
10.2d轴和q轴电感……247
10.3内置式永磁电机测试……250
10.3.1空载旋转测试……250
10.3.2直流转矩测试……251
10.4低转速运转和基础理论……254
10.4.1例：额定条件下驱动……255
10.4.2单位电流最大转矩(MTPA)……257
10.4.3单位电压最大转矩（MTPV）
或单位磁通最大转矩(MTPF)……257
10.5内置式电机高速运转……257
10.6电机dq模型……259
10.6.1恒定电流变换……260
10.6.2恒定功率变换……262
参考文献……263
扩展阅读……263
问题……264
作业265第3部分功率电子
第11章DC-DC变换器……269
11.1简介……269
11.2电力变换的基本原则……272
11.2.1基本拓扑关系……273
11.2.2半桥降压-升压型双向变换器……274
11.3降压变换器……274
11.3.1CCM模式降压变换器电压增益分析……276
11.3.2降压变换器BCM运行……283
11.3.3降压变换器DCM运行……285
11.4升压变换器……290
11.4.1CCM模式下升压变换器电压增益分析……291
11.4.2升压变换器BCM运行……295
11.4.3升压变换器DCM运行……297
11.5功率半导体……300
11.5.1功率半导体功率损耗……301
11.5.2半导体功率总损耗和结温……304
11.6电力变换器无源元件……305
11.6.1电感选型……305
11.6.2电容选型……306
11.7交错……306
参考文献……309
扩展阅读……309
问题……309
作业……312
附录Ⅰ……312
附录Ⅱ：降压-升压变换器……313
第12章隔离型DC-DC变换器……314
12.1引言……314
12.1.1隔离型电力变换器的优点……314
12.1.2电力变换器类型……315
12.2正激变换器……316
12.2.1正激变换器中的CCM电流……318
12.2.2正激变换器中的CCM电压……322
12.2.3变压器选型……324
12.3全桥变换器……324
12.3.1硬开关全桥变换器的运行模式……325
12.3.2全桥变换器中的CCM电流……329
12.3.3全桥变换器中的CCM电压……334
12.4谐振电力变换器……334
12.4.1LCLC串联-并联谐振变换器……335
12.4.2用于感应充电的理想变换器特性……335
12.4.3基本模式分析和电流源运行……339
12.4.4模拟……342
参考文献……344
扩展阅读……345
问题……345
作业……346
附录Ⅰ斜坡和阶梯波形的RMS值和平均值……346
附录Ⅱ反激变换器……347
第13章牵引驱动器和三相逆变器……348
13.1三相逆变器……348
13.2调制方案……350
13.2.1正弦调制……350
13.2.2三次谐波的正弦调制……351
13.2.3过调制和方波……352
13.3正弦调制……354
13.3.1调制指数m……355
13.3.2逆变器电流……356
13.3.3开关、二极管和输入平均电流……357
13.3.4开关、二极管、直流母线、
输入电容的有效电流……358
13.3.5例：变换器电流……359
13.4变换器功率损耗……360
13.4.1IGBT和二极管传导损耗……360
13.4.2IGBT模块开关损耗……360
13.4.3半导体总功率损耗和结温……362
13.4.4例：再生电流……363
参考文献……364
扩展阅读……364
问题……364
作业……365
第14章电池充电……367
14.1充电系统基本要求……367
14.2充电器架构……368
14.3电网电压、频率和配线……370
14.4充电器功能……372
14.5充电标准和技术……377
14.5.1SAEJ1772……377
14.5.2VDE-AR-E
2623-2-2……377
14.5.3CHAdeMO……377
14.5.4Tesla……379
14.5.5无线充电……379
14.6功率因数校正升压变换器……380
14.6.1升压PFC功率级……381
14.6.2升压电感选型……383
14.6.3整流器中的平均电流……384
14.6.4开关和二极管平均电流……385
14.6.5开关、二极管和电容电流有效值……386
14.6.6功率半导体充电……387
参考文献……390
扩展阅读……391
问题……391
作业……392
第15章电驱动装置控制……393
15.1控制介绍……393
15.2电动机械系统建模……394
15.2.1机械系统……394
15.2.2永磁直流电机……396
15.2.3直流-直流变换器……397
15.2.4PI控制器……398
15.3转矩回路补偿设计……398
15.4速度控制回路补偿设计……400
15.5使用永磁直流电机电动汽车的加速性……401
15.6使用电磁直流电机电动汽车的加速性……402
参考文献……404
问题……404
MATLAB代码示例……405
第4部分电磁学
第16章电磁、铁磁和机电能量转换……411
16.1电磁……411
16.2铁磁……415
16.2.1磁滞……417
16.2.2硬铁磁和软铁磁材料……418
16.3自感……421
16.3.1电感器基本操作……421
16.3.2电感方程……423
16.3.3磁阻……425
16.3.4储存在磁场中的能量……428
16.3.5铁心损耗……429
16.3.6铜损……431
16.3.7面积乘积法……432
16.3.8高频操作和趋肤深度……433
16.4硬铁磁材料和永磁体……434
16.4.1例：剩余磁通密度……436
16.4.2例：反冲线……437
16.4.3例：由永磁体引起的气隙磁通密度……438
16.4.4最大能量积……439
16.4.5由永磁体引起的力……439
16.4.6电磁体……441
16.5变压器……442
16.5.1工作原理……442
16.5.2变压器等效电路……443
16.5.3变压器电压和电流……445
16.5.4使用面积乘积法确定变压器的大小……449
16.6电容器……449
16.7机电能量转换……452
16.7.1安培定则……452
16.7.2载流线圈转矩的一般表达式……453
16.7.3转矩、磁链和电流……454
16.7.4法拉第电磁感应定律……455
16.7.5楞次定律和弗莱明右手定则……455
参考文献……456
扩展阅读……456
扩展观察……457
问题……457
作业……460
参考转换表……460
Copyright2018 by John G.Hayes and G.Abas Goodarzi. All rights reserved. This translation published under license. Authorized translation from the English language edition, entitled Electric Powertrain by John G.Hayes and G.Abas Goodarzi, Revised and Updated, ISBN 9781119063643, by John G.Hayes and G.Abas Goodarzi, Published by John Wiley & Sons. No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyrights holder. Copies of this book sold without a Wiley sticker on the cover are unauthorized and illegal.
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