在不斷加劇的人、車、自然之間的矛盾之下，世界各國開始把目光從傳統(tǒng)的燃油汽車轉向新能源汽車，先進電動汽車即是一個非常重要的發(fā)展方向。我國作為能源消費大國，發(fā)展以先進電動汽車為代表的新能源汽車產(chǎn)業(yè)是低碳經(jīng)濟時代的必然選擇。本書分為17章，從車輛電氣化的角度入手，詳細介紹了電動汽車的發(fā)展，全面地論述了電動汽車及其關鍵零部件的主要技術，以及關鍵動力傳動系的技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，對各類電氣化汽車、混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車、電池電動汽車和燃料電池汽車等進行了全面論述。讀者通過本書可以較好地串聯(lián)起與電動汽車相關的機械、電氣、化學等多方面知識。書中包含了插圖、實例和案例研究，可供廣大電動汽車相關領域的工程技術人員、管理人員和科研人員參考，也可作為高等院校車輛工程專業(yè)高年級本科生和研究生的選修課教材。
譯者序
汽車在全球的保有量不斷增加,使人類面臨能源短缺、全球變暖、空氣質量下降等諸多挑戰(zhàn)，同時也推動了汽車自身技術的發(fā)展。為此，汽車工程師正在不斷努力研究降低油耗的方法，尋求各種代用燃料，并積極開發(fā)不用或少用汽油的新型車輛。越來越多的人士已認識到各種類型的電動汽車和燃料電池汽車是實現(xiàn)清潔汽車的解決方案，汽車業(yè)界也正在為此努力并投入巨大的資金和人力。
本書所論述的先進電動汽車是目前研究開發(fā)出的集機械、電子、汽車、電機、智能控制、化學電源、計算機、新材料等科學領域和工程技術中研究成果于一身，是多種高新技術凝聚的成果。先進電動汽車包括電氣化汽車(MEV)、混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)、增程式電動汽車(REEV)，以及電池電動汽車(BEV)和燃料電池汽車（FCV）。
電動汽車的特點是在行駛過程中很少甚至沒有排放污染、熱輻射低、噪聲低且環(huán)境友好。電動汽車可應用多種能源，能節(jié)省甚至不消耗汽油或柴油，解決了汽車對化石的能源的需求問題。毫無疑問，電動汽車是一種節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具，具有廣闊的發(fā)展前景。
本書共分為17章。第1章介紹了汽車行業(yè)對電氣化的需求，并與其他行業(yè)進行了比較，描述了從MEV到HEV，再到PHEV和REEV，終形成了電動汽車(EV)的發(fā)展歷程，此部分由王典等翻譯。第2、3章分別列舉了傳統(tǒng)汽車和內燃機（ICE）的基本原理，此部分由張宏業(yè)等翻譯。第4~7章介紹了電氣化車輛的關鍵部件，如功率變換器、電機、電動機控制器和電能存儲系統(tǒng)，此部分由王典、孔建磊、張宏業(yè)等翻譯。第8章介紹了在先進的電動汽車中應用的混合電池和超級電容器儲能系統(tǒng)，此部分由王建利等翻譯。第9章介紹了應用在低壓電氣系統(tǒng)上的非動力負載電氣化技術，此部分由王典、李媛媛等翻譯。第10章介紹了48V帶傳動起動發(fā)電機電氣系統(tǒng)，此部分由宋陶然等翻譯。第11、12章分別介紹了混合動力傳動系和HEV的理論基礎，此部分由張宏業(yè)、孫治博等翻譯。第13章主要是介紹了插電式汽車的充電器問題，此部分由曾宇凡等翻譯。第14章主要是介紹了PHEV，此部分由孟陽等翻譯。第15章介紹的是EV和REEV，此部分由陳雙成等翻譯。第16章介紹了車輛到電網(wǎng)接口及電氣基礎設施問題，此部分由周汀等翻譯。第17章主要介紹了先進電動汽車的能量管理與優(yōu)化，此部分由鄭毅等翻譯。此外，韋繼勇、馬曉晨、刁昊、周兆輝、張志威、梁恒諾、王欽、黃立超、趙志強、趙亞、丁浩、李佳子、李天宇、徐之棟、張博彧、李博、潘林峻、鮑薪如、劉文權、關暢、秦悅、蒲帥、唐偉國、何穎、徐小俊、孫浩、樊麗、彭陽、韓東濤、李澤慧、單紹琳、朱彤彤、鄭建業(yè)、陸浣綾和張光強等參與了部分章節(jié)的翻譯工作，在此對他們致以誠摯的謝意。譯者還要感謝機械工業(yè)出版社相關人員為本書的出版所做的細致工作。
由于電動汽車技術是近十多年來迅速發(fā)展的新技術，許多關鍵技術問題正在研究和解決中，相關成果推陳出新，加之譯者知識水平與認識能力有限，不足之處在所難免，敬請廣大專家和讀者批評指正！先進電動汽車原 書 前 言原 書 前 言電氣化是交通運輸業(yè)向更高效、更高性能、更安全、更智能和更可靠車輛發(fā)展的范式轉變。事實上，從內燃機（ICE）轉向更一體化的電氣化動力傳動系是一個明顯的趨勢。非推進負載，如動力轉向和空調系統(tǒng)等也正在經(jīng)歷電氣化進程。電動汽車包括各類電氣化汽車（MEV）、混合動力汽車（HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、增程式電動汽車（REEV）以及電池電動汽車（BEV）和燃料電池汽車（FCV）。
本書首先介紹了汽車行業(yè)，第1章介紹了電氣化的必要性以及與電信等其他行業(yè)的相似之處，同時也介紹了汽車發(fā)展的范式轉變如何從MEV開始，進而建立HEV，并由PHEV和REEV發(fā)展壯大，終將由電動汽車（EV）完成的全部進程。
第2、3章分別介紹了傳統(tǒng)汽車和ICE的基本原理。第4~7章主要介紹電動汽車的主要部件，包括電力電子變換器、電機、電動機控制器和電能存儲系統(tǒng)。第8章介紹了混合電池/超級電容器儲能系統(tǒng)及其在先進電動汽車中的應用。
第9章介紹了應用于低壓電氣系統(tǒng)的非動力負載的電氣化技術。第10章介紹了48V帶傳動起動發(fā)電機電氣系統(tǒng)，第11、12章分別介紹了混合動力傳動系和HEV的基本原理。第13章將重點介紹插電式汽車所需的充電器。第14章介紹了PHEV。第15章介紹了純電動汽車和REEV。此外，車輛到電網(wǎng)（V2G）接口和電氣基礎設施問題將在第16章提出。第17章介紹了先進電動汽車的能量管理與優(yōu)化。
本書作為一本綜合性教科書涵蓋了先進電動汽車的主要方面，主要面向對象是工程學的研究生和高年級本科生，每個章節(jié)都包含多張插圖、多個應用實例和案例研究。對交通電氣化感興趣的工程師、管理人員、學生、研究人員和其他專業(yè)人員，本書也是與電動汽車有關的比較容易理解的參考書。
感謝Taglor & Francis/CRC出版社工作人員的努力和協(xié)助，特別是Nora Konopka女士、Jessica Vakili女士和Michele Smith女士。感謝Weisheng Jiang先生為準備本書中的許多插圖所做的辛勤工作。
Ali Emadi
2014年11月
本 書 主 編
Ali Emadi（IEEE S98-M00-SM03-F13）在伊朗德黑蘭的謝里夫工業(yè)大學以*高榮譽獲得電氣工程學士學位（1995）和碩士學位（1997）。他在美國得克薩斯州的得克薩斯農工大學獲得了電氣工程博士學位（2000）。他目前是混合動力傳動系加拿大卓越研究主席（CERC）,也是加拿大安大略省漢密爾頓市麥克馬斯特大學麥克馬斯特汽車研究與技術研究所（MacAUTO）主任。在加入麥克馬斯特大學之前，Emadi博士是Harris Perlstein資助的工程學講座教授，以及美國伊利諾伊理工學院（IIT）的電力與電力電子中心和Grainger實驗室主任，他建立了電力電子、電動機驅動和車輛動力系統(tǒng)的研究和教學設施以及課程。此外，Emadi博士是混合動力汽車技術公司（HEVT）的創(chuàng)始人、董事長兼總裁，HEVT是IIT的大學附屬公司。
Emadi博士獲得了眾多獎項和榮譽。2009年，他被任命為芝加哥事務全球遠見者。由于他對混合動力汽車的杰出貢獻，他被電氣工程榮譽學會授予2003年Eta Kappa Nu杰出青年電氣工程師（單項）。他還獲得了IEEE電力電子學會頒發(fā)的2005年Richard M.Bass杰出青年電力電子工程師獎。2005年，他被IIT的學生選為年度*佳教授。Emadi博士是IIT 2002年大學卓越教學獎（University Excellence in Teaching Award）以及2004年Sigma Xi/IIT大學卓越研究獎（Award for Excellence in University Research）獲得者。他帶領一組學生設計并制造了一種新型的電動機驅動裝置，該裝置榮獲2003年IEEE國際未來能源挑戰(zhàn)賽電動機競賽總冠軍。此外，他還是IIT和麥克馬斯特大學混合動力方程式車隊的顧問，該團隊分別在2010年和2013年的動力方程式大賽（Formula Hybrid Competitions）中獲得了通用汽車*佳工程混合動力系統(tǒng)獎（GM Best Engineered Hybrid Systems Award）。
Emadi博士是300余篇期刊和會議論文的主要作者/合著者，著有Vehicular Electric Power Systems:Land,Sea,Air,and Space Vehicles(Marcel Dekker,2003),Energy Efficient Electric Motors(Marcel Dekker,2004),Uninterruptible Power Supplies and Active Filters(CRC出版社,2004),Modern Electric,Hybrid Electric,and Fuel Cell Vehicles:Fundamentals,Theory,and Design,Second Edition(CRC出版社，2009）,和Integrated Power Electronic Converters and Digital Control(CRC出版社,2009).Emadi還是Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives(CRC出版社,2005)的編者。
Emadi博士是屆IEEE車輛動力與推進會議（VPPC05）的大會主席，并擔任同期舉辦的美國汽車工程師學會（SAE）國際未來交通技術大會主席。他還是2011年IEEE VPPC的大會主席。他目前是IEEE交通電氣化會議及博覽會（ITEC）的指導委員會主席。此外，Emadi博士還是2012年ITEC的首任大會主席。他曾擔任IEEE車輛動力和推進指導委員會主席、IEEE電力電子學會車輛與運輸系統(tǒng)技術委員會主席、IEEE工業(yè)電子學會電力電子技術委員會主席。他還曾擔任2007年IEEE國際未來能源挑戰(zhàn)賽主席。
Emadi博士是IEEE Transactions on Transportation Electrification的主編，他還是International Journal of Electric and Hybrid Vehicles(北美版)的編輯。他曾任Transportation Electrification and Vehicle Systems,IEEE Transactions on Power Electronics特刊特約主編。他還曾擔任過Transportation Electrification and Vehicle-to-Grid Applications,IEEE Transactions on Smart Grid,Automotive Power Electronics and Motor Drives,IEEE Transactions on Power Electronics的特刊客座主編以及Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles,IEEE Transactions on Vehicular Technology,Automotive Electronics and Electrical Drives,IEEE Transactions on Industrial Electronics的特刊客座編輯。
本 書 作 者
Florence Berthold
Department of Electrical and Computer
Engineering
Concordia University
Montreal, Quebec, Canada
Berker Bilgin
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster University
Hamilton, Ontario, Canada
Giampaolo Carli
Department of Electrical and Computer
Engineering
Concordia University
Montreal, Quebec, Canada
Ilse Cervantes
Institute for Scientific and Technological
Research of San Luis Potosi (IPICyT)
San Luis Potosi, Mexico
Ali Emadi
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster University
Hamilton, Ontario, Canada
Lucia Gauchia
Michigan Technological University
Houghton, Michigan Oliver Gross
Oxford, Michigan
Ruoyu Hou
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster University
Hamilton, Ontario, Canada
Weisheng Jiang
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster
目錄
譯者序
原書前言
本書主編
本書作者
第1章汽車工業(yè)和電氣化1
1.1從批電動汽車到交通運輸2.0的未來1
1.1.1從風能到蒸汽:交通運輸2.0 19世紀的類比3
1.2汽車電氣化的連續(xù)性4
1.2.1電氣化汽車5
1.2.2混合動力汽車5
1.2.3插電式混合動力汽車6
1.2.4電動汽車7
1.3交通電氣化的實現(xiàn)技術8
1.4電網(wǎng)系統(tǒng)9
1.4.1微電網(wǎng)和可再生能源供應10
1.4.2智能電網(wǎng)11
1.5交通電氣化是一個范式轉變11
1.6總結12
參考文獻12
第2章傳統(tǒng)汽車及其動力傳動系基礎13
2.1縱向車輛模型13
2.2縱向阻力13
2.2.1空氣動力阻力13
2.2.2分級阻力14
2.2.3滾動阻力14
2.3總牽引力14
2.4牽引力和動力傳動系牽引力15
2.5車輛性能16
2.5.1車輛的速度16
2.5.2爬坡能力17
2.5.3加速性能17
2.6制動性能和分布18
2.6.1制動力18
2.6.2一個兩軸汽車制動的特點18
2.7車輛動力裝置和傳動特性19
2.7.1電力特性19
2.7.2傳動特性20
習題21
第3章內燃機23
3.1引言 23
3.1.1運行周期24
3.2概念26
3.2.1基本幾何性質26
3.2.2性能指標27
3.3氣路回路29
3.3.1節(jié)流閥和閥門29
3.3.2流形30
3.3.3功率提升30
3.4燃料路徑回路30
3.4.1SI發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)30
3.4.2CI發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)31
3.5燃燒31
3.5.1SI發(fā)動機燃燒31
3.5.2CI發(fā)動機燃燒32
3.6排放32
3.6.1排放污染物的形成32
3.6.2排放控制策略33
習題33
參考文獻34
第4章電力電子基礎35
4.1開關模式的直流-直流變換器35
4.1.1現(xiàn)代電動汽車中的直流-直流變換器35
4.1.2開關模式直流-直流變換器的穩(wěn)態(tài)運行36
4.1.3開關裝置概述38
4.1.4開關模式直流-直流變換器狀態(tài)空間表示44
4.1.5電感和電容的選擇47
4.1.6有限連續(xù)導通模式-斷續(xù)導通模式51
4.2開關模式的直流-交流逆變器52
4.2.1單相逆變器52
4.2.2三相逆變器57
4.3開關模式的交流-直流變換器61
4.3.1單相半波整流器61
4.3.2單相全波整流器65
4.3.3三相整流器70
4.4功率變換器設計的實際應用73
4.4.1介紹73
4.4.2半導體損耗的評估74
4.4.3功率模塊的選擇77
4.4.4開關裝置的驅動電路80
4.4.5緩沖電路84
4.4.6匯流排設計88
習題89
參考文獻90
第5章電機原理91
5.1引言91
5.2電磁學基礎91
5.2.1磁場的散度和旋度92
5.2.2洛倫茲力定律93
5.2.3電磁感應和法拉第定律 93
5.2.4電感和磁場能量95
5.3電機損耗96
5.3.1介紹96
5.3.2銅損97
5.3.3鐵心損耗99
5.3.4永磁體的損耗101
5.3.5機械損耗101
5.4電機繞組102
5.4.1交流電機繞組102
5.4.2凸極定子繞組107
5.4.3線圈設計110
5.5電機材料111
5.5.1鐵心材料111
5.5.2永磁體120
5.5.3電機絕緣127
5.6電機的工作原理128
5.6.1永磁同步電機128
5.6.2感應電機140
5.6.3開關磁阻電機146
5.7牽引電動機說明151
5.7.1高壓電池的作用和逆變器的控制方法151
5.7.2磁體的選擇、溫度的影響和退磁151
5.7.3齒槽轉矩和轉矩脈動151
5.7.4力學性能與電氣性能153
5.7.5材料和傳動公差153
5.7.6尺寸細節(jié)153
5.7.7效率要求和直流電壓154
5.8IPM電機故障情況154
5.8.1非受控發(fā)電模式154
5.8.2短路故障155
5.9電機測試157
5.10其他電機配置159
5.10.1同步磁阻電機159
5.10.2橫向磁通永磁電機160
5.10.3軸向磁通永磁電機160
習題161
參考文獻165
第6章電動機控制原理167
6.1引言167
6.1.1有刷直流電動機轉矩的產(chǎn)生167
6.1.2直流電動機轉矩控制168
6.1.3有刷直流電動機的轉矩控制171
6.2交流電動機控制基本原理183
6.2.1無刷直流電機轉矩控制基本原理183
6.2.2無刷交流電機轉矩控制基本原理184
6.3開關磁阻電機控制195
6.3.1SRM轉矩的產(chǎn)生195
6.4電機的速度控制202
6.4.1速度控制的經(jīng)典方法202
6.5總結206
習題206
參考文獻209
第7章電能存儲系統(tǒng)基礎211
7.1引言211
7.2電動汽車的儲能要求212
7.2.1能量密度和比能量214
7.2.2功率密度和比功率214
7.2.3循環(huán)壽命和日歷壽命214
7.2.4運行工作溫度215
7.2.5安全216
7.2.6展望216
7.3電化學電池218
7.3.1基本物理和電化學218
7.3.2鉛酸電池220
7.3.3鎳-金屬氫化物電池222
7.3.4鋰離子電池223
7.3.5氯化鎳鈉電池225
7.4超級電容器電池227
7.4.1基本物理知識227
7.4.2電雙層電容器228
7.4.3帶有贗電容的超級電容器229
7.5特性術語和性能參數(shù)231
7.6建模232
7.6.1電化學電池的等效電路模型232
7.6.2電化學電池的增強自校正模型234
7.6.3超級電容器電池235
7.7測試程序236
7.7.1時域236
7.7.2頻域240
7.8封裝和管理系統(tǒng)243
7.8.1功能和設計方面的考慮243
7.8.2電池平衡245
7.9狀態(tài)與參數(shù)估計247
7.9.1估計算法247
7.9.2在線SOC和阻抗估計249
習題252
參考文獻252
第8章混合儲能系統(tǒng)254
8.1混合電池和超級電容器拓撲學254
8.1.1拓撲1：無源并聯(lián)配置255
8.1.2拓撲2：超級電容器/電池配置256
8.1.3拓撲3：電池/超級電容器配置256
8.1.4拓撲4：級聯(lián)變換器配置257
8.1.5拓撲5：多并聯(lián)連接的變換器配置258
8.1.6拓撲6：多個雙有源電橋變換器配置259
8.1.7拓撲7：雙源雙向變換器配置261
8.1.8拓撲
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