汽车电力电子装置与电机驱动器手册PDF电子书下载

第一篇 汽车动力系统 2

第1章 传统汽车 2

1.1 引言 2

1.2 电气系统的演进 2

1.2.1 控制策略和电路拓扑结构 3

1.2.2 功率总线拓扑结构 3

1.2.3 部件 4

1.3 传统的汽车电气系统 4

1.3.1 电池及其充电系统 4

1.3.2 起动电动机系统 4

1.3.3 管理系统 4

1.4 电气连接系统 4

1.4.1 熔丝 6

1.4.2 不同保护装置的性能比较 8

1.5 负载控制：汽车控制网络协议 9

1.5.1 控制器局域网络（CAN协议） 9

1.5.2 区域互联网络（LIN协议） 10

1.5.3 Byteflight协议 10

1.5.4 时间触发协议（TTP/C） 10

1.6 新的电气系统构架 10

1.6.1 电气安全 11

1.6.2 电压对部件的影响 11

1.7 其他电气系统构架 11

1.7.1 高频交流总线系统 11

1.7.2 双电压制式直流总线 12

参考文献 13

第2章 混合动力电动汽车 14

2.1 并联式构型 18

2.2 串联式构型 21

2.3 混联式构型 22

2.4 插电式混合动力 24

参考文献 26

第3章 混合动力驱动系统 27

3.1 基本概念 27

3.2 串联混合动力驱动系统 28

3.3 并联混合动力驱动系统 29

3.3.1 采用转矩耦合的并联混合动力驱动系统 30

3.3.2 采用转速耦合的并联混合动力驱动系统 33

3.4 采用可选转矩耦合或转速耦合装置的驱动系统 35

3.5 采用转矩耦合和转速耦合的并联-串联混合动力驱动系统 36

3.6 燃料电池驱动的混合动力系统 37

参考文献 38

第4章 电动汽车 40

4.1 引言 40

4.2 混合动力电动汽车 41

4.2.1 并联式混合动力 41

4.2.2 串联式混合动力 41

4.3 电动汽车的主要部件 41

4.3.1 电机 41

4.3.2 速度控制器 42

4.3.3 DC/DC变换器 42

4.4 电动汽车的主要安全部件 43

4.5 仪表 43

4.6 电动汽车的主要辅件 44

4.7 电动汽车上能量存储装置的类型 46

4.7.1 蓄电池 46

4.7.2 当今可用的电池类型 47

4.7.3 飞轮 50

4.7.4 超级电容器 50

4.8 排放性能 50

4.9 太阳能汽车 51

4.10 燃料电池汽车 52

4.10.1 概述 52

4.10.2 燃料电池 53

4.11 电动汽车参考文献调研 54

参考文献 55

第5章 汽车系统功率管理和分配的优化 88

5.1 引言 88

5.2 汽车功率／能量管理和分配架构 89

5.2.1 发电装置 89

5.2.2 能量存储 90

5.2.3 功率总线 90

5.2.4 电气负载 91

5.2.5 电力电子 91

5.2.6 功率管理控制器 91

5.3 优化的功率管理系统策略 91

5.3.1 动态资源分配 92

5.3.2 汽车部件的实际约束 93

5.3.3 功率不间断要求 93

5.3.4 电能质量 93

5.3.5 系统稳定性 93

5.3.6 故障诊断和预测 93

5.4 示例：基于博弈论优化的HEV管理和控制策略 94

5.4.1 系统动力学 94

5.4.2 策略设计 95

5.4.3 博弈论的方法 95

5.4.4 仿真结果 97

5.5 总结 99

参考文献 99

第二篇 汽车半导体器件、组件及传感器 102

第6章 汽车功率半导体器件 102

6.1 引言 102

6.2 二极管：整流、续流和钳位器件 104

6.2.1 整流二极管 104

6.2.2 续流二极管 105

6.2.3 稳压二极管 107

6.2.4 肖特基二极管 107

6.3 功率MOSFET：低压负载驱动 108

6.3.1 MOSFET基础 109

6.3.2 MOSFET特性 111

6.4 IGBT：高压功率开关 119

6.4.1 IGBT基础 120

6.4.2 IGBT功率模块 123

6.4.3 点火装置的IGBT 124

6.5 功率集成电路和智能功率器件 126

6.6 新兴器件技术：超结和碳化硅器件 127

6.7 功率损耗和热管理 130

6.8 总结 131

参考文献 132

第7章 超级电容器 133

7.1 双电层电容器理论 134

7.2 模型和单元均衡 139

7.3 容量准则 143

7.4 转换器连接 145

7.5 超级电容器与电池组合 149

参考文献 152

第8章 飞轮 154

8.1 飞轮原理 154

8.2 飞轮在混合动力汽车中的应用 156

8.3 储能系统的展望 157

参考文献 157

第9章 汽车电子的ESD防护 159

9.1 引言 159

9.2 ESD失效和ESD测试模型 159

9.3 片上ESD防护 163

参考文献 170

第10章 传感器 172

10.1 引言 172

10.2 电子控制单元的架构 173

10.3 电压和电流测量 175

10.4 温度 177

10.5 加速度 179

10.6 压力 179

10.7 速度、位置和位移 180

10.8 其他传感器 181

10.9 汽车环境的可靠性约束 181

10.10 总结 181

参考文献 182

第三篇 汽车功率电子变换器 186

第11章 DC/DC变换器 186

11.1 使用DC/DC变换器的原因 186

11.2 DC/DC变换器基础 187

11.3 DC/DC变换器类型 188

11.4 降压、升压、降压-升压变换器的共同点 188

11.5 降压变换器 192

11.6 升压变换器 193

11.7 降压-升压变换器 194

11.8 隔离的逆变器驱动的变换器 195

11.9 推挽式变换器 195

11.10 半桥式变换器 196

11.11 全桥式变换器 197

11.12 其他变换器类型 197

11.13 控制 198

11.14 基本控制电路 199

11.15 需要考虑的重点 202

11.16 仿真VS分析方法 203

11.17 损耗计算 203

11.18 功率器件选择 203

11.19 EMI 203

11.20 其他实用的变换器开发中考量事项 204

参考文献 204

第12章 AC/DC整流器 206

12.1 二极管整流器 206

12.1.1 主要特性和电路结构 206

12.1.2 三相全桥二极管整流器分析 206

12.1.3 二极管整流器的输入相电流和输出电流的分析 209

12.1.4 直流环节功率的计算 209

12.1.5 不同的负载条件下直流环节电容的计算 210

12.1.6 动态制动单元设计 213

12.2 晶闸管整流器 213

12.2.1 拓扑结构与工作模式 213

12.2.2 触发延迟角的控制方案 214

12.2.3 三相全桥晶闸管整流器的分析 216

参考文献 219

第13章 非平衡运行的三相电压型整流器 220

13.1 系统介绍和工作原理 220

13.2 非平衡运行条件下的PWM升压型整流器分析 222

13.2.1 非平衡运行条件下PWM升压型整流器的谐波抑制 224

13.3 消除非平衡运行条件下PWM升压型整流器的输入与输出端谐波的控制方案 224

13.3.1 输入电压非平衡但输入阻抗平衡时消除输入与输出端谐波的控制方案 224

13.3.2 输入电压不平衡且输入阻抗不平衡时PWM升压型整流器消除输入／输出谐波的控制方案推导 230

13.4 结论 235

参考文献 236

第14章 DC/AC逆变器 237

14.1 DC到AC的变换 237

14.2 逆变器类型 239

14.3 电压源逆变器 239

14.3.1 单相逆变器 240

14.3.2 三相逆变器 245

14.4 电流源逆变器 248

14.5 控制技术 249

14.5.1 电压控制技术 249

14.5.2 电流控制技术 254

14.6 多电平逆变器 257

14.7 硬开关效应 259

14.7.1 开关损耗 260

14.7.2 开关应力 260

14.7.3 EMI问题 260

14.7.4 对绝缘性能的影响 260

14.7.5 电机轴承电流 260

14.7.6 电机端子过电压 260

14.8 谐振逆变器 261

14.8.1 软开关原理 261

14.8.2 谐振直流环节逆变器（RLDC） 261

14.9 汽车辅助电机的控制 262

14.9.1 换向器电机 263

14.9.2 开关换向电机 263

术语表 264

参考文献 265

第15章 AC/AC变换器 266

15.1 引言 266

15.2 AC/AC变换器拓扑结构 266

15.2.1 间接型AC/AC变换器 266

15.2.2 直接型AC/AC变换器 268

15.3 总结 275

参考文献 276

第16章 电力电子技术与混合动力和燃料电池电动汽车的控制 278

16.1 引言 278

16.2 混合动力汽车 278

16.2.1 串联式混合动力驱动系统 279

16.2.2 并联式混合动力驱动系统 280

16.3 燃料电池汽车 283

16.3.1 燃料电池汽车的驱动系统 284

16.3.2 燃料电池汽车动力系统注意事项 287

16.4 对电力电子技术的需求［6,11,15］ 287

16.5 驱动电机控制策略 289

16.5.1 转差频率控制 290

16.5.2 驱动电机的矢量控制 290

16.5.3 无传感器操作 291

16.6 串联式混合动力汽车的APU控制系统 292

16.7 燃料电池作为APU使用［13,23,24］ 293

参考文献 296

第四篇 汽车电机的驱动器 300

第17章 汽车用有刷直流电机 300

17.1 运行基本原理 300

17.1.1 引言 300

17.1.2 有刷直流电动机驱动的转矩 303

17.1.3 温度对有刷直流电动机驱动的影响 304

17.2 串励直流电机驱动 308

第18章 感应电动机驱动 310

18.1 引言 310

18.2 感应电动机的转矩和转速控制 311

18.3 感应电动机电力电子控制基础 311

18.4 感应电动机VCD运行模式 313

18.5 感应电动机的标量和矢量控制原理 314

18.5.1 标量控制 314

18.5.2 感应电动机磁场定向控制（矢量控制）基本原理 315

18.6 电动汽车的感应电动机驱动 320

18.7 结论 321

附录 感应电动机的静态模型 321

参考文献 322

第19章 基于数字信号处理器的感应电动机驱动矢量控制 325

19.1 引言 325

19.2 空间矢量控制 325

19.3 实验结果 329

19.4 结论 331

参考文献 331

第20章 开关磁阻电机驱动控制系统 332

20.1 引言 332

20.2 历史背景 332

20.3 基本原理 333

20.4 SRM驱动系统的控制原理 337

20.4.1 开环转矩控制策略 338

20.5 SRM驱动的闭环转矩控制 341

20.6 SRM闭环速度控制 343

20.7 工业应用：车辆冷却系统 344

参考文献 345

第21章 开关磁阻电机的噪声和振动 346

21.1 引言 346

21.2 SRM数值模型的模态分析 346

21.3 定子模态分析的有限元结果 347

21.4 低振动SRM设计选择 350

21.5 平滑壳体对谐振频率的影响 352

21.6 结论 354

参考文献 354

第22章 电机的模型和参数辨识 355

22.1 引言 355

22.2 研究示例：噪声对于同步电机频域参数估计的影响 355

22.2.1 问题描述 355

22.2.2 参数估计方法 356

22.2.3 研究过程 358

22.2.4 结果分析 358

22.2.5 结论 363

22.3 实心转子同步电机参数的最大似然估计 363

22.3.1 简介 363

22.3.2 静态同步电机模型的时域参数计算 364

22.3.3 过程和测量中噪声的影响 364

22.3.4 参数计算的最大似然法 365

22.3.5 用SSFR测试数据的计算步骤 367

22.3.6 结果 367

22.4 感应电机的建模和参数确定 370

22.4.1 模型确定 370

22.4.2 参数评估 373

22.4.3 灵敏度分析 375

22.4.4 对工作条件的参数映射 376

22.4.5 磁心损耗计算 379

22.4.6 模型验证 381

22.4.7 结论 382

22.5 开关磁阻电机的建模与参数确定 384

22.5.1 简介 384

22.5.2 静态时SRM的电感模型 385

22.5.3 静态测试数据的参数确定 388

22.5.4 在线工作状态下SRM的电感模型 389

22.5.5 采用双层递归神经网络估算阻尼电流 391

22.5.6 估计结果和实验验证 392

22.5.7 结论 393

附录 394

附录A 394

附录B 395

附录C 397

参考文献 398

第23章 无刷直流电机及其驱动 405

23.1 BLDC基本原理 405

23.2 控制原理和控制策略 406

23.3 转矩的产生 408

23.4 优点和缺点 410

23.5 转矩脉动 412

23.6 设计考虑 413

23.7 BLDC的有限元分析和设计考虑 413

23.8 永久磁铁 413

23.9 BLDC仿真模型 415

23.10 无传感器 420

参考文献 421

第24章 电动汽车和混合动力汽车用电动机及其控制器的试验 423

24.1 引言 423

24.2 电动汽车标准化的现状 423

24.2.1 电动汽车和标准化 423

24.2.2 标准化机构在该领域的作用 424

24.2.3 汽车零部件的标准化 425

24.2.4 日本的标准化进程［2］ 425

24.3 使用电动机／发电机组的试验程序［3］ 427

24.3.1 电动机 427

24.3.2 控制器 427

24.3.3 试验程序的运用 428

24.3.4 型式试验项目的分析 428

24.4 采用涡流测功机的试验程序 429

24.4.1 试验策略 429

24.4.2 试验程序 429

24.4.3 关于试验程序的讨论 430

24.5 采用交流测功器的试验程序［4］ 430

24.5.1 试验策略 431

24.5.2 试验项目 431

24.5.3 试验程序 432

24.6 在车内环境中的电动机和控制器的试验 432

24.6.1 硬件在环的概念 432

24.6.2 硬件在环在电动机／控制器试验中的应用 432

24.6.3 试验说明 433

24.6.4 试验结果 434

24.7 总结 436

参考文献 436

第五篇 其他汽车应用 438

第25章 起动发电一体机 438

25.1 汽车上的ISA子系统 438

25.2 动力耦合架构 439

25.2.1 曲轴安装ISA构型 439

25.2.2 偏置安装ISA系统结构 440

25.3 ISA系统的功能与性能 442

25.3.1 技术状况 443

25.3.2 ISA子系统的功能 444

25.4 ISA子系统的部件［7］ 449

25.4.1 双电压输出发电机 449

25.4.2 带12V抽头的36V电池 449

25.4.3 典型的ISA电气系统 449

25.4.4 带中性电感的多功能逆变器 450

25.4.5 电机 450

25.4.6 逆变器和整流器 466

25.4.7 DC/DC变换器 469

25.5 ISA的系统问题 471

25.5.1 能量存储系统和ISA系统 471

25.5.2 ISA冷却方式 473

25.5.3 其他问题 475

25.6 总结 475

参考文献 476

第26章 具有容错功能的汽车用调速电机拖动系统 479

26.1 引言 479

26.1.1 可重组控制器 479

26.2 数字滞环调节 486

26.2.1 DDHR的电流重构算法 486

参考文献 488

第27章 汽车转向系统 489

27.1 引言 489

27.2 转向系统 489

27.2.1 手动转向 489

27.2.2 液压助力转向 490

27.2.3 电液助力转向 491

27.2.4 电动助力转向 492

27.3 先进转向系统 493

27.3.1 四轮转向 493

27.3.2 下一代转向系统 493

参考文献 494

第28章 大电流的电机拖动：现代汽车技术的新挑战 495

28.1 背景 495

28.2 大电流电机拖动的电磁设计 496

28.3 多变换器系统的稳定性 498

28.4 能量转化 499

28.5 对控制的影响 500

第29章 电力电子技术在汽车及乘员安全上的应用 501

29.1 引言 501

29.2 汽车安全中的电力电子技术 501

29.2.1 CAN总线在汽车电力电子模块网络上的应用 501

29.2.2 发动机安全系统 503

29.2.3 防盗报警系统 506

29.2.4 自适应巡航控制（ACC） 507

29.2.5 倒车传感及泊车系统 508

29.3 电力电子学在乘员安全中的应用 508

29.3.1 安全带控制系统 509

29.3.2 电动车窗安全系统 509

29.3.3 安全气囊 510

29.3.4 驾驶人辅助系统及疲劳监测 510

29.4 结论 511

参考文献 511

第30章 混合动力汽车的驱动和控制系统 514

30.1 引言 514

30.2 控制策略 515

30.2.1 恒温器式串联控制策略 516

30.2.2 功率跟随式串联控制策略 516

30.2.3 并联式内燃机辅助控制策略 517

30.2.4 并联式电机辅助控制策略 517

30.2.5 自适应控制策略 520

30.2.6 模糊控制策略 521

30.3 电力电子控制系统和控制策略 523

30.4 当今的混合动力汽车及其控制策略 526

30.4.1 本田Insight的控制策略 526

30.4.2 丰田Prius的控制策略 527

30.5 总结 527

参考文献 527

第31章 车用电池技术 529

31.1 引言 529

31.1.1 电池技术 529

31.1.2 当前对汽车电池的要求 531

31.2 未来汽车电池 532

31.3 电池与超级电容器的结合 535

31.4 电池监测与充电控制 535

31.5 结论 536

参考文献 536