现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车基本原理、理论和设计 原书第2版PDF电子书下载

第1章 环境影响与现代交通运输的历史 1

1.1 大气污染 1

1.1.1 氧化氮化合物 1

1.1.2 一氧化碳 2

1.1.3 未完全燃烧的碳氢化合物 2

1.1.4 其他的污染物质 2

1.2 全球变暖 3

1.3 石油资源 5

1.4 引发的代价 7

1.5 应对将来石油供应的各种交通运输发展策略的重要性 8

1.6 电动汽车的历史 11

1.7 混合动力电动汽车的历史 13

1.8 燃料电池车的历史 15

参考文献 16

第2章 车辆驱动和制动的基本原理 18

2.1 车辆运动的一般描述 18

2.2 车辆的阻力 19

2.2.1 滚动阻力 19

2.2.2 空气阻力 21

2.2.3 爬坡阻力 23

2.3 动力学方程 23

2.4 轮胎与地面间的附着力和最大牵引力 25

2.5 动力系的牵引力和车速 27

2.6 车辆动力装置和传动装置特性 29

2.6.1 动力装置特性 29

2.6.2 传动装置特性 31

2.6.2.1 手动齿轮传动装置 31

2.6.2.2 流体动力传动装置 33

2.6.2.3 连续变速传动装置 37

2.7 车辆性能 37

2.7.1 最高车速 38

2.7.2 爬坡能力 39

2.7.3 加速性能 39

2.8 运行的燃油经济性 41

2.8.1 内燃机的燃油经济性 42

2.8.2 车辆燃油经济性的计算 42

2.8.3 改进车辆燃油经济性的基本技术 45

2.9 制动性能 46

2.9.1 制动力 46

2.9.2 前后轮轴上的制动力分布 48

2.9.3 制动规程和制动性能分析 52

2.9.3.1 制动规程 52

2.9.3.2 制动性能分析 54

参考文献 56

第3章 内燃机 57

3.1 四冲程火花点火内燃机 57

3.1.1 工作原理 57

3.1.2 运行参数 59

3.1.2.1 发动机额定值 59

3.1.2.2 每一循环的指示功和平均有效压力 59

3.1.2.3 机械效率 61

3.1.2.4 比油耗和效率 61

3.1.2.5 排放率 62

3.1.2.6 燃油／空气和空气／燃油之比值 63

3.1.2.7 容积效率 63

3.1.3 运行与性能参数之间的关系 64

3.1.4 发动机运行特性 64

3.1.4.1 发动机性能参数 64

3.1.4.2 指示功率和有效功率与转矩 65

3.1.4.3 油耗特性 66

3.1.5 影响火花点火发动机性能、效率和排放特性的设计和运行变量 68

3.1.5.1 压缩比 68

3.1.5.2 点火定时 68

3.1.5.3 燃油／空气的当量比 70

3.1.6 排放控制 71

3.1.7 改善发动机性能、效率和排放的基本技术 72

3.1.7.1 强制进气 72

3.1.7.2 汽油直接喷射和稀燃发动机 73

3.1.7.3 多气门和可变气门定时 73

3.1.7.4 无节流转矩控制 73

3.1.7.5 可变压缩比 73

3.1.7.6 废气再循环 73

3.1.7.7 智能点火 74

3.1.7.8 新发动机材料 74

3.2 四冲程压燃式内燃机 74

3.3 二冲程发动机 75

3.4 汪格尔转子式发动机 79

3.5 斯特林发动机 81

3.6 燃气轮机发动机 85

3.7 拟等温布雷托循环发动机 87

参考文献 88

第4章 电动汽车 89

4.1 电动汽车的结构 89

4.2 电动汽车的性能 92

4.2.1 牵引电动机的特性 92

4.2.2 牵引力和传动装置要求 93

4.2.3 车辆性能 95

4.3 正常行驶工况下的牵引力 98

4.4 能量消耗 102

参考文献 104

第5章 混合动力电动汽车 105

5.1 混合动力电驱动系的概念 105

5.2 混合动力电驱动系的构造 108

5.2.1 串联式混合动力电驱动系（电耦合） 109

5.2.2 并联式混合动力电驱动系（机械耦合） 111

5.2.2.1 转矩耦合的并联式混合动力电驱动系 112

5.2.2.1.1 转矩耦合配置 112

5.2.2.1.2 转矩耦合的电驱动系结构 113

5.2.2.2 转速耦合的并联式混合动力电驱动系 118

5.2.2.2.1 转速耦合配置 118

5.2.2.2.2 转速耦合的电驱动系结构 120

5.2.2.3 转矩耦合与转速耦合的并联式混合动力电驱动系 122

5.2.2.3.1 可供选择的耦合模式 122

5.2.2.3.2 两种耦合模式的配置 124

参考文献 127

第6章 电驱动系统 128

6.1 直流电动机驱动 130

6.1.1 工作原理及其性能 131

6.1.2 组合的电枢电压与励磁控制 134

6.1.3 直流电动机的斩波控制 134

6.1.4 斩波馈电直流电动机的多象限控制 138

6.1.4.1 正转和正转再生制动的两象限控制 138

6.1.4.1.1 含换向开关的单个斩波器 138

6.1.4.1.2 C型两象限斩波器 139

6.1.4.2 四象限运行 141

6.2 异步电动机驱动 141

6.2.1 异步电动机的基本工作原理 142

6.2.2 稳态性能 144

6.2.3 恒压频比控制 146

6.2.4 电力电子控制 148

6.2.5 磁场定向控制 150

6.2.5.1 磁场定向原理 150

6.2.5.2 控制 156

6.2.5.3 直接转子磁通定向法 158

6.2.5.4 间接转子磁通定向法 161

6.2.6 应用于磁场定向控制的电压源逆变器 162

6.2.6.1 电压源逆变器中的电压控制 164

6.2.6.2 电压源逆变器中的电流控制 167

6.3 永磁无刷直流电动机驱动 169

6.3.1 永磁无刷直流电动机驱动的基本原理 171

6.3.2 永磁无刷直流电动机的结构和分类 171

6.3.3 永磁体材料性能 174

6.3.3.1 铝镍钴 174

6.3.3.2 铁氧体 175

6.3.3.3 稀土永磁体 175

6.3.4 永磁无刷直流电动机的性能分析和控制 175

6.3.4.1 性能分析 176

6.3.4.2 永磁无刷直流电动机驱动的控制 177

6.3.5 扩展转速技术 178

6.3.6 无检测器技术 179

6.3.6.1 应用检测量和数学的方法 179

6.3.6.2 使用观测器的方法 180

6.3.6.3 使用反电动势感测的方法 180

6.3.6.4 独特的无检测器技术 181

6.4 开关磁阻电动机驱动 182

6.4.1 基本磁结构 183

6.4.2 转矩生成 186

6.4.3 开关磁阻电动机驱动变换器 187

6.4.4 运行模式 190

6.4.5 发电运行（再生制动）模式 191

6.4.6 无检测器控制 193

6.4.6.1 基于相磁链的方法 194

6.4.6.2 基于相电感的方法 194

6.4.6.2.1 基于相电感的无检测器控制 195

6.4.6.2.2 基于相增量电感的无检测器控制 195

6.4.6.3 调制信号注入法 196

6.4.6.3.1 频率调制方法 196

6.4.6.3.2 幅度调制和相位调制方法 196

6.4.6.3.3 基于诊断脉冲的方法 197

6.4.6.4 基于互感电压的方法 197

6.4.6.5 基于观测器的方法 197

6.4.7 开关磁阻电动机驱动的自校正技术 198

6.4.7.1 应用算术方法的自校正 198

6.4.7.1.1 具有平衡电感模式的最优化 199

6.4.7.1.2 参数变化下的最优化 199

6.4.7.2 应用人工神经网络的自校正 200

6.4.8 开关磁阻电动机的振动与噪声 201

6.4.9 开关磁阻电动机设计 203

6.4.9.1 定、转子极数 203

6.4.9.2 定子外径 204

6.4.9.3 转子外径 204

6.4.9.4 气隙 205

6.4.9.5 定子极弧 205

6.4.9.6 定子铁心底座 205

6.4.9.7 性能预测 205

参考文献 206

第7章 串联式（电耦合）混合动力电驱动系的设计原理 212

7.1 运行模式 213

7.2 控制策略 214

7.2.1 峰值电源最大荷电状态的控制策略 214

7.2.2 发动机开／关或恒温控制策略 216

7.3 串联式（电耦合）混合动力电驱动系的设计原理 217

7.3.1 电耦合装置 217

7.3.2 牵引电动机额定功率值的设计 222

7.3.3 发动机／发电机额定功率值的设计 224

7.3.4 峰值电源设计 227

7.3.4.1 峰值电源的功率容量 227

7.3.4.2 峰值电源的能量容量 227

7.4 设计实例 228

7.4.1 牵引电动机量值的设计 229

7.4.2 齿轮传动比的设计 229

7.4.3 加速性能的检验 229

7.4.4 爬坡能力的检验 230

7.4.5 发动机／发电机量值的设计 230

7.4.6 峰值电源功率容量的设计 233

7.4.7 峰值电源能量容量的设计 233

7.4.8 耗油量 234

参考文献 235

第8章 并联式（机械耦合）混合动力电驱动系的设计 236

8.1 电驱动系的构造及其设计任务 236

8.2 控制策略 237

8.2.1 峰值电源最大荷电状态控制策略 238

8.2.2 发动机开／关（恒温）控制策略 241

8.2.3 受约束的发动机开／关控制策略 242

8.2.4 模糊逻辑控制技术 244

8.2.5 动态规划技术 245

8.3 电驱动系参数的设计 248

8.3.1 发动机功率设计 248

8.3.2 传动装置设计 251

8.3.3 电动机驱动功率设计 252

8.3.4 峰值电源设计 255

8.4 仿真 257

参考文献 258

第9章 混联式（转矩和转速耦合）混合动力电驱动系设计和控制方法 260

9.1 电驱动系构造 260

9.1.1 转速耦合分析 260

9.1.2 电驱动系构造 263

9.2 电驱动系控制方法 269

9.2.1 控制系统 269

9.2.2 发动机转速控制方法 269

9.2.3 牵引转矩控制方法 270

9.2.4 电驱动系控制策略 272

9.2.4.1 发动机转速控制策略 272

9.2.4.2 牵引转矩控制策略 274

9.2.4.2.1 低车速区域 274

9.2.4.2.2 中车速区域 275

9.2.4.2.3 高车速区域 275

9.2.4.3 再生制动控制 276

9.3 电驱动系参数设计 276

9.4 实例车辆仿真 277

参考文献 280

第10章 插塞式混合动力电动汽车设计和控制原理 281

10.1 每日驾驶行程统计 281

10.2 能量管理策略 282

10.2.1 聚焦于AER的控制策略 283

10.2.2 混合控制策略 290

10.3 能量储存装置设计 295

参考文献 297

第11章 轻度混合动力电驱动系的设计 299

11.1 制动和传动装置中消耗的能量 299

11.2 并联式轻度混合动力电驱动系 301

11.2.1 结构 301

11.2.2 运行模式和控制策略 302

11.2.3 驱动系设计 303

11.2.4 性能 306

11.3 混联式轻度混合动力电驱动系 310

11.3.1 含行星齿轮机构的驱动系结构 310

11.3.2 运行模式和控制 312

11.3.2.1 转速耦合的运行模式 312

11.3.2.2 转矩耦合的运行模式 313

11.3.2.3 单发动机牵引模式 313

11.3.2.4 单电动机牵引模式 313

11.3.2.5 再生制动模式 314

11.3.2.6 发动机起动 314

11.3.3 控制策略 314

11.3.4 配置浮动定子电动机的驱动系 315

参考文献 316

第12章 峰值电源和能量储存装置 317

12.1 电化学蓄电池组 317

12.1.1 电化学反应 319

12.1.2 热力学电压 319

12.1.3 比能量 320

12.1.4 比功率 323

12.1.5 能量效率 324

12.1.6 蓄电池技术 325

12.1.6.1 铅酸蓄电池 325

12.1.6.2 镍基蓄电池 326

12.1.6.2.1 镍-铁蓄电池 326

12.1.6.2.2 镍-镉蓄电池 326

12.1.6.2.3 Ni-MH蓄电池 327

12.1.6.3 锂基蓄电池 327

12.1.6.3.1 Li-P蓄电池 327

12.1.6.3.2 Li-I蓄电池 328

12.2 超级电容器 329

12.2.1 超级电容器特性 329

12.2.2 超级电容器的基本原理 329

12.2.3 超级电容器性能 330

12.2.4 超级电容器的应用技术 334

12.3 超高速飞轮 334

12.3.1 飞轮的工作原理 335

12.3.2 飞轮系统的功率容量 336

12.3.3 飞轮的应用技术 337

12.4 混合能量储存装置 340

12.4.1 混合能量储存概念 340

12.4.2 应用蓄电池和超级电容器的被动与主动的混合能量储存装置 341

12.4.3 蓄电池和超级电容器的量值设计 342

参考文献 345

第13章 再生制动的基本原理 346

13.1 市区行驶中的制动能量损耗 346

13.2 作为车速函数的制动能量 348

13.3 作为制动功率函数的制动能量 350

13.4 作为车速函数的制动功率 351

13.5 作为车辆减速率函数的制动能量 352

13.6 在前后轴上的制动能量 353

13.7 EV、HEV和FCV的制动系统 353

13.7.1 并联式混合制动系统 353

13.7.1.1 以电和机械制动力之间固定比设计和控制原理 354

13.7.1.2 用于最大再生制动的设计和控制原理 356

13.7.2 全可控混合制动系统 358

13.7.2.1 用于优化制动性能的控制策略 359

13.7.2.2 用于优化能量回收的控制策略 360

参考文献 362

第14章 燃料电池 363

14.1 燃料电池的工作原理 363

14.2 电极电位、电流—电压曲线 366

14.3 燃料和氧化剂的消耗 369

14.4 燃料电池系统特性 370

14.5 燃料电池技术 371

14.5.1 质子交换膜燃料电池 372

14.5.2 碱性燃料电池 373

14.5.3 磷酸燃料电池 375

14.5.4 熔融碳酸盐燃料电池 375

14.5.5 固态氧化物燃料电池 376

14.5.6 直接甲醇燃料电池 377

14.6 燃料供应 378

14.6.1 储氢 378

14.6.1.1 压缩氢 378

14.6.1.2 低温液氢 379

14.6.1.3 金属氢化物 380

14.6.2 制氢 381

14.6.2.1 水蒸气重整 381

14.6.2.2 部分氧化重整 382

14.6.2.3 自动供热重整 383

14.6.3 氢的载体——氨 383

14.7 无氢燃料电池 383

参考文献 384

第15章 燃料电池混合动力电驱动系设计 386

15.1 结构 386

15.2 控制策略 387

15.3 参数设计 389

15.3.1 电动机功率设计 389

15.3.2 燃料电池系统的功率设计 390

15.3.3 峰值电源的功率和能量容量设计 391

15.3.3.1 峰值电源的功率容量 391

15.3.3.2 峰值电源的能量容量 391

15.4 设计实例 392

参考文献 394

第16章 应用于越野车辆的串联式混合动力电驱动系设计 395

16.1 运动阻力 395

16.1.1 由地层压实引起的运动阻力 396

16.1.2 由地层推压引起的运动阻力 398

16.1.3 传动装置的内阻力 399

16.1.4 关于地层的牵引力 399

16.1.5 牵引杆拉曳力 399

16.2 串联式、混合动力履带式电动车辆驱动系构造 400

16.3 驱动系的参数设计 401

16.3.1 牵引电动机功率设计 401

16.3.1.1 作为车速函数的车辆推进力 402

16.3.1.2 电动机功率和加速性能 403

16.3.1.3 电动机功率和爬坡能力 404

16.3.1.4 履带式车辆转向操作 406

16.4 发动机／发电机功率设计 409

16.5 能量储存装置功率和能量设计 411

16.5.1 用于牵引的峰值功率 411

16.5.2 用于非牵引的峰值功率 411

16.5.3 蓄电池／超级电容器的能量设计 413

16.5.4 蓄电池和超级电容器的组合 414

参考文献 416

附录 丰田Prius技术概述 417

A.1 车辆性能 417

A.2 Prius混合动力系和控制系统综述 417

A.3 主要部件 419

A.3.1 发动机 419

A.3.2 混合动力贯通轴 420

A.3.3 高压蓄电池 421

A.3.4 变换器组合件 423

A.3.4.1 升压变换器（2004和新型Prius） 423

A.3.4.2 变换器 424

A.3.4.3 DC-DC变换器 424

A.3.4.4 AC变换器 424

A.3.5 制动系统 425

A.3.5.1 再生制动的协同控制 426

A.3.5.2 电制动分布控制（2004和新型Prius） 426

A.3.5.3 制动辅助系统（2004和新型Prius） 426

A.3.6 电动转向 427

A.3.7 增强车辆稳定性控制（VSC）系统（2004和新型Prius） 428

A.4 混合动力系统控制模式 429

索引（中英文对照） 435

汉语拼音音节索引 435

英语缩写字索引 463