“科技工作者不追求急功近利。他不會期望他的先進理念能夠馬上得以實現(xiàn)。他的工作更像是規(guī)劃未來的種植園主。他的職責是為那些志同道合的人指引方向�！�
——尼古拉??特斯拉（1856—1943）
“發(fā)明家只是一個簡單的人，不要過于關(guān)注他的教育背景�！�
——查理斯??凱特（1876—1958）
“準確地描述一個問題，就已經(jīng)成功地解決了一半�！�
——查理斯??凱特（1876—1958）
本書闡述了一項具有全球意義、應(yīng)用在電動汽車方面的技術(shù)，旨在使讀者了解這一技術(shù)的發(fā)展進程及影響其在全球范圍內(nèi)應(yīng)用的因素。書中講述的內(nèi)容大部分是取材于底特律、加州和日本的真實案例。這些技術(shù)已經(jīng)被德國、法國、中國、韓國等國家的工廠廣泛應(yīng)用。汽車不斷升級換代，大家都期望以新取勝。19世紀的車輛和電子技術(shù)，20世紀的半導體、鋰離子電池、質(zhì)子交換膜燃料電池，對21世紀早期的交通運輸行業(yè)造成了巨大的影響，已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的基礎(chǔ)構(gòu)成要素。
我曾經(jīng)在通用汽車南加州EV1電動汽車項目組工作過10年。EV1是近代第一款大批量生產(chǎn)的電動汽車。我在那里遇到了我的妻子瑪麗，她是來自于底特律的機械工程師，我們均就職于EV1項目組。當時，我們致力于研究感應(yīng)耦合無線充電新技術(shù)。后來，我離開了汽車行業(yè)，回到愛爾蘭教書，但是我所教授的課程和研究內(nèi)容仍然圍繞著汽車產(chǎn)業(yè)。與汽車歷史聯(lián)系最緊密的一點當屬愛爾蘭南海岸是福特家族的祖籍，1847年愛爾蘭大饑荒期間，威廉??福特從這里出發(fā)前往美國。他的兒子亨利??福特——一個密歇根農(nóng)場的半文盲男孩兒，給汽車工業(yè)帶來了巨大的變革，創(chuàng)造了廣為人知的大眾消費資本主義。
與發(fā)展歷史保證一定的距離去寫作和授課是非常有意義的，重要的是不會被如此迅速發(fā)展的行業(yè)丟棄和隔離。本書的另一位作者，Abas Goodarzi，也是我的前同事，他正致力于為新技術(shù)發(fā)展做貢獻。1990年10月，Abas和我開始共事于加州卡爾弗市的通用休斯航空器工業(yè)公司。在主管EV1電機動力總成的開發(fā)之后，Abas又開始了一個電動汽車項目的開發(fā)。參與了幾個原始項目之后，Abas創(chuàng)辦了美國混合動力公司，他擔任CEO。美國混合動力公司專為重型運輸汽車提供電池、混合動力和燃料電池解決方案。我們都曾經(jīng)是專為批量生產(chǎn)而進行開發(fā)工作的工程團隊中的一員，書中將要介紹的內(nèi)容也都是曾經(jīng)討論和研究過的。
現(xiàn)代汽車行業(yè)是一個很好的授課主題，因為它是你日常接觸的學生、家人、朋友都離不開的消費品。同時，它重點描述能量儲備、內(nèi)燃機、電驅(qū)動、電機動力總成，以及其他更多內(nèi)容的技術(shù)特征。從結(jié)構(gòu)上看，本書旨在解釋這些技術(shù)是如何應(yīng)用在汽車上的，并就部分內(nèi)容展開詳細的論述。
本書闡述問題的特征，并向?qū)W生分享各種類型的技術(shù)難題。讀者可以視自身的水平選擇合適的內(nèi)容。
汽車和電子技術(shù)的發(fā)展是大量專業(yè)人士投身于此并做出卓越貢獻的歷史。因此，相關(guān)的資料引用都列在每一章的開始部分。他們與書中的案例或者基本理念息息相關(guān)……這一點非常有趣，也極具挑戰(zhàn)性。
編者
前言
第1部分車輛與能量源
第1章電動性和環(huán)境……3
1.1電機動力總成簡史……4
1.1.1第一部分——電動汽車誕生……4
1.1.2第二部分——電機動力總成的復蘇……4
1.1.3第三部分——電機動力總成最終成功……6
1.2能源推進和排放……9
1.2.1燃料碳排放……10
1.2.2溫室氣體和污染物……11
1.3法規(guī)的出現(xiàn)……13
1.3.1監(jiān)管注意事項和排放趨勢……15
1.3.2大型貨車法規(guī)……16
1.4EPA行駛工況……17
1.5BEV燃油消耗、續(xù)駛里程和等效燃油經(jīng)濟性……21
1.6傳統(tǒng)動力總成和電機動力總成碳排放……22
1.6.1油井-車輪和搖籃-墳?zāi)古欧拧?5
1.6.2輸電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的排放……25
1.7傳統(tǒng)汽車、電動汽車、混合動力汽
車和燃料電池汽車電力系統(tǒng)概論……26
1.7.1傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車……26
1.7.2純電動汽車……27
1.7.3混合動力汽車……28
1.7.4燃料電池汽車……30
1.7.5傳統(tǒng)汽車、電動汽車、混合
動力汽車和燃料電池汽車效率對比……30
1.7.6傳統(tǒng)汽車、電動汽車、混合
動力汽車和燃料電池汽車
案例研究對比……31
1.8汽車和其他交通運輸技術(shù)對比……32
參考文獻……33
擴展閱讀……34
問題……34
作業(yè)……35
第2章車輛動力學……36
2.1車輛載荷……36
2.1.1基礎(chǔ)動力、能量和速度之間的關(guān)系……37
2.1.2空氣動力阻力……37
2.1.3滾動阻力……40
2.1.4根據(jù)EPA滑行試驗的車輛
道路-載荷系數(shù)……41
2.1.5恒速下純電動汽車的續(xù)駛里程……44
2.1.6最大爬坡度……45
2.2車輛加速……47
2.2.1車輛制動能量回收……48
2.2.2牽引電機特征……48
2.2.3車輛加速度……50
2.3簡化行駛工況車輛對比……53
參考文獻……55
擴展閱讀……55
問題……55
MATLAB代碼示例……56
作業(yè)：BEV模型……59
目錄●●●●●●●●●●電驅(qū)動系統(tǒng)——混動、純電動與燃料電池汽車的能量系統(tǒng)、功率電子和傳動
第3章電池……61
3.1電池介紹……61
3.1.1電池類型和電池組……61
3.1.2電池基本原理……64
3.1.3基礎(chǔ)電化學……66
3.1.4電池能量儲存單位……68
3.1.5放電率……69
3.1.6電池參數(shù)和比較……70
3.2生命周期和規(guī)格考慮事項……72
3.2.1電池選型案例……75
3.2.2電池組放電曲線和壽命……77
3.3電池充電、保護和管理系統(tǒng)……78
3.3.1電池充電……78
3.3.2電池失效和保護……79
3.3.3電池管理系統(tǒng)……80
3.4電池模組……80
3.4.1適應(yīng)純電動汽車電池模型的
簡化新曲線……82
3.4.2電池組電壓、電流、電阻和
效率……84
3.4.3混合動力汽車電池的簡單曲線……86
3.4.4充電……87
3.4.5計算給定輸出/輸入功率下的
電池/電池組電壓……88
3.4.6電池單體能量和放電率……89
3.5例：某固定齒輪速比純電動汽車的能耗……91
參考文獻……94
擴展閱讀……94
問題……94
附錄：一種簡化的適應(yīng)于純電動汽車電池
的模擬曲線……96
第4章燃料電池……99
4.1燃料電池介紹……99
4.1.1燃料電池排放和上游
排放……100
4.1.2氫氣的安全因素……101
4.2基本原理……102
4.2.1燃料電池模型和電池
電壓……103
4.2.2燃料電池單體和燃料電池動力
系統(tǒng)的功率和效率……105
4.2.3燃料電池特征曲線……106
4.3燃料電池動力系統(tǒng)選型……107
4.3.1例：燃料電池單體
選型……107
4.3.2豐田Mirai……108
4.3.3配套設(shè)施……108
4.3.4DC-DC升壓變換器……109
4.4燃料電池壽命……109
4.5例：重型貨物牽引車-拖車組合
燃料電池系統(tǒng)選型……110
4.6例：燃料電池汽車燃油經(jīng)濟性……112
參考文獻……115
問題……115
作業(yè)……116
第5章傳統(tǒng)和混合動力總成……117
5.1混合動力汽車概述……117
5.2制動比油耗……119
5.3傳統(tǒng)發(fā)動機、串聯(lián)和串并聯(lián)混合
系統(tǒng)的比較……123
5.3.1例：使用汽油或柴油發(fā)動機的
內(nèi)燃機汽車的燃油經(jīng)濟性……123
5.3.2例：串聯(lián)HEV的燃油經(jīng)濟性……128
5.3.3例：串并聯(lián)混合動力汽車的
燃油經(jīng)濟性……130
5.3.4比較總結(jié)……132
5.4行星齒輪作為動力分配裝置……133
5.4.12004款豐田普銳斯動力總成……134
5.4.2例：在電驅(qū)動模式下運行的
CVT（車輛起動和低速）……135
5.4.3例：CVT在全功率模式下運行……137
5.4.4例：CVT在巡航和發(fā)電模式下運行……138
參考文獻……139
問題……139
作業(yè)139第2部分電機
第6章牽引電機介紹……143
6.1驅(qū)動電機概論……143
6.1.1直流電機……144
6.1.2交流電機……145
6.1.3牽引電機對比……149
6.1.4案例研究——火星探測器牽引電機……150
6.2電機定義……151
6.2.1四象限運行……152
6.2.2額定參數(shù)……152
6.2.3額定轉(zhuǎn)矩……153
6.2.4額定轉(zhuǎn)速和基本轉(zhuǎn)速……153
6.2.5額定功率……153
6.2.6峰值轉(zhuǎn)矩……153
6.2.7堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩……154
6.3電機特性曲線……154
6.3.1恒轉(zhuǎn)矩模式……154
6.3.2恒功率模式……154
6.3.3最高轉(zhuǎn)速模式……155
6.3.4效率譜……155
6.4電機單元轉(zhuǎn)換因子……157
參考文獻……157
第7章有刷直流電機……158
7.1直流電機結(jié)構(gòu)……158
7.2直流電機等效電路……160
7.3直流電機電路方程……161
7.3.1空載旋轉(zhuǎn)損耗……163
7.3.2空載轉(zhuǎn)速……163
7.3.3最大功率……163
7.3.4額定條件……163
7.4永磁直流電機功率、損耗及效率……164
7.5應(yīng)用電力電子進行電機控制……165
7.6正向或反轉(zhuǎn)模式下電機作為電動機
或者發(fā)電機運轉(zhuǎn)……167
7.6.1例：應(yīng)用永磁直流電機發(fā)電或者制動……168
7.6.2例：反轉(zhuǎn)驅(qū)動……169
7.7磁飽和與電樞反應(yīng)……170
7.8電動汽車動力總成使用PM直流電機……171
7.9電動汽車動力總成使用WF直流電機……173
7.10案例研究——火星探測器牽引電機……177
7.11電機熱特性……179
7.11.1穩(wěn)態(tài)溫升案例……179
7.11.2瞬態(tài)溫升案例……180
參考文獻……181
問題……181
第8章感應(yīng)電機……183
8.1定子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場……183
8.1.1定子磁流密度……185
8.1.2空間向量電流和旋轉(zhuǎn)磁場……188
8.2感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子電壓、電流和轉(zhuǎn)矩……191
8.2.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)……191
8.2.2感應(yīng)電機運轉(zhuǎn)理論……192
8.3電機模型和穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)……193
8.3.1三相感應(yīng)電機功率……196
8.3.2三相感應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩……197
8.3.3感應(yīng)電機相量分析……199
8.3.4當供給電流源時的電機運轉(zhuǎn)……199
8.4感應(yīng)電機的變速運轉(zhuǎn)……207
8.4.1每Hz運轉(zhuǎn)的恒定電壓……208
8.4.2變速運行……208
8.5電機測試……212
8.5.1直流電阻測試……213
8.5.2鎖定轉(zhuǎn)子測試……213
8.5.3空載測試……214
參考文獻……216
擴展閱讀……216
問題……217
MATLAB代碼示例……218
第9章面置式永磁交流電機……221
9.1SPM電機基本運轉(zhuǎn)……221
9.1.1單線圈的反電動勢……221
9.1.2單相反電動勢……222
9.2SPM電機的單相分析……227
9.2.1SPM電機的單相等效電路模型……227
9.2.2SPM電機的相量分析……227
9.2.3電機磁飽和……234
9.2.4SPM電機轉(zhuǎn)矩-速度特性……234
9.2.5超過額定轉(zhuǎn)速的SPM電機的高速運行……235
9.2.6磁場弱化運行的電機特性……240
參考文獻……242
擴展閱讀……242
問題……242
MATLAB代碼示例……243
第10章內(nèi)置式永磁交流電機……245
10.1電機結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩方程……245
10.2d軸和q軸電感……247
10.3內(nèi)置式永磁電機測試……250
10.3.1空載旋轉(zhuǎn)測試……250
10.3.2直流轉(zhuǎn)矩測試……251
10.4低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)和基礎(chǔ)理論……254
10.4.1例：額定條件下驅(qū)動……255
10.4.2單位電流最大轉(zhuǎn)矩(MTPA)……257
10.4.3單位電壓最大轉(zhuǎn)矩（MTPV）
或單位磁通最大轉(zhuǎn)矩(MTPF)……257
10.5內(nèi)置式電機高速運轉(zhuǎn)……257
10.6電機dq模型……259
10.6.1恒定電流變換……260
10.6.2恒定功率變換……262
參考文獻……263
擴展閱讀……263
問題……264
作業(yè)265第3部分功率電子
第11章DC-DC變換器……269
11.1簡介……269
11.2電力變換的基本原則……272
11.2.1基本拓撲關(guān)系……273
11.2.2半橋降壓-升壓型雙向變換器……274
11.3降壓變換器……274
11.3.1CCM模式降壓變換器電壓增益分析……276
11.3.2降壓變換器BCM運行……283
11.3.3降壓變換器DCM運行……285
11.4升壓變換器……290
11.4.1CCM模式下升壓變換器電壓增益分析……291
11.4.2升壓變換器BCM運行……295
11.4.3升壓變換器DCM運行……297
11.5功率半導體……300
11.5.1功率半導體功率損耗……301
11.5.2半導體功率總損耗和結(jié)溫……304
11.6電力變換器無源元件……305
11.6.1電感選型……305
11.6.2電容選型……306
11.7交錯……306
參考文獻……309
擴展閱讀……309
問題……309
作業(yè)……312
附錄Ⅰ……312
附錄Ⅱ：降壓-升壓變換器……313
第12章隔離型DC-DC變換器……314
12.1引言……314
12.1.1隔離型電力變換器的優(yōu)點……314
12.1.2電力變換器類型……315
12.2正激變換器……316
12.2.1正激變換器中的CCM電流……318
12.2.2正激變換器中的CCM電壓……322
12.2.3變壓器選型……324
12.3全橋變換器……324
12.3.1硬開關(guān)全橋變換器的運行模式……325
12.3.2全橋變換器中的CCM電流……329
12.3.3全橋變換器中的CCM電壓……334
12.4諧振電力變換器……334
12.4.1LCLC串聯(lián)-并聯(lián)諧振變換器……335
12.4.2用于感應(yīng)充電的理想變換器特性……335
12.4.3基本模式分析和電流源運行……339
12.4.4模擬……342
參考文獻……344
擴展閱讀……345
問題……345
作業(yè)……346
附錄Ⅰ斜坡和階梯波形的RMS值和平均值……346
附錄Ⅱ反激變換器……347
第13章牽引驅(qū)動器和三相逆變器……348
13.1三相逆變器……348
13.2調(diào)制方案……350
13.2.1正弦調(diào)制……350
13.2.2三次諧波的正弦調(diào)制……351
13.2.3過調(diào)制和方波……352
13.3正弦調(diào)制……354
13.3.1調(diào)制指數(shù)m……355
13.3.2逆變器電流……356
13.3.3開關(guān)、二極管和輸入平均電流……357
13.3.4開關(guān)、二極管、直流母線、
輸入電容的有效電流……358
13.3.5例：變換器電流……359
13.4變換器功率損耗……360
13.4.1IGBT和二極管傳導損耗……360
13.4.2IGBT模塊開關(guān)損耗……360
13.4.3半導體總功率損耗和結(jié)溫……362
13.4.4例：再生電流……363
參考文獻……364
擴展閱讀……364
問題……364
作業(yè)……365
第14章電池充電……367
14.1充電系統(tǒng)基本要求……367
14.2充電器架構(gòu)……368
14.3電網(wǎng)電壓、頻率和配線……370
14.4充電器功能……372
14.5充電標準和技術(shù)……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無線充電……379
14.6功率因數(shù)校正升壓變換器……380
14.6.1升壓PFC功率級……381
14.6.2升壓電感選型……383
14.6.3整流器中的平均電流……384
14.6.4開關(guān)和二極管平均電流……385
14.6.5開關(guān)、二極管和電容電流有效值……386
14.6.6功率半導體充電……387
參考文獻……390
擴展閱讀……391
問題……391
作業(yè)……392
第15章電驅(qū)動裝置控制……393
15.1控制介紹……393
15.2電動機械系統(tǒng)建模……394
15.2.1機械系統(tǒng)……394
15.2.2永磁直流電機……396
15.2.3直流-直流變換器……397
15.2.4PI控制器……398
15.3轉(zhuǎn)矩回路補償設(shè)計……398
15.4速度控制回路補償設(shè)計……400
15.5使用永磁直流電機電動汽車的加速性……401
15.6使用電磁直流電機電動汽車的加速性……402
參考文獻……404
問題……404
MATLAB代碼示例……405
第4部分電磁學
第16章電磁、鐵磁和機電能量轉(zhuǎn)換……411
16.1電磁……411
16.2鐵磁……415
16.2.1磁滯……417
16.2.2硬鐵磁和軟鐵磁材料……418
16.3自感……421
16.3.1電感器基本操作……421
16.3.2電感方程……423
16.3.3磁阻……425
16.3.4儲存在磁場中的能量……428
16.3.5鐵心損耗……429
16.3.6銅損……431
16.3.7面積乘積法……432
16.3.8高頻操作和趨膚深度……433
16.4硬鐵磁材料和永磁體……434
16.4.1例：剩余磁通密度……436
16.4.2例：反沖線……437
16.4.3例：由永磁體引起的氣隙磁通密度……438
16.4.4最大能量積……439
16.4.5由永磁體引起的力……439
16.4.6電磁體……441
16.5變壓器……442
16.5.1工作原理……442
16.5.2變壓器等效電路……443
16.5.3變壓器電壓和電流……445
16.5.4使用面積乘積法確定變壓器的大小……449
16.6電容器……449
16.7機電能量轉(zhuǎn)換……452
16.7.1安培定則……452
16.7.2載流線圈轉(zhuǎn)矩的一般表達式……453
16.7.3轉(zhuǎn)矩、磁鏈和電流……454
16.7.4法拉第電磁感應(yīng)定律……455
16.7.5楞次定律和弗萊明右手定則……455
參考文獻……456
擴展閱讀……456
擴展觀察……457
問題……457
作業(yè)……460
參考轉(zhuǎn)換表……460
Copyright2018 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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