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现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车_第2版_（美）爱赛尼_2010.08
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《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》：国际视野，科技前沿。 原书第2版特色： 原书第2版附加的内容， 一个典型实例的研究（见附录），分解了丰田Prius汽车的混合动力系统； 对原书第1版内容的修改和更新； 在驱动系设计方法和控制原理方面，引入了3章新内容； 完全重写了再生制动基本原理的新章节。 原书第1版给予实践工程师和大学生们系统的参考资料，以充分地理解这一新科技的精髓。原书第2版与第1版相比，引入了新的专题，并给予了更深层次的论述。在多年中，《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)》历经多次修改，必将极大地有助于工程师、大学生、研究工作者和从事于与汽车相关行业的其他专业人员，以及政府和学术界的有关人们。 作者简介 作者：（美国）爱赛尼（Mehrdad Ehsani） （美国）Yimin Gao （美国）Ali Emadi 译者：倪光正 倪培宏 熊素铭 目录 前言 作者简介 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 nimh蓄电池327 12.1.6.3 锂基蓄电池327 12.1.6.3.1 lip蓄电池327 12.1.6.3.2 lii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 dcdc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 序言 内燃机汽车的发展是现代工业技术最重大的成就之一。然而，高度发展的汽车工业和持续大量汽车的应用，在全球已经引发了严重的环境和碳氢资源问题。大气质量的恶化、全球变暖以及石油资源的匮乏成为了现代生活必须认真对待的威胁。日益严格的排放和燃料效率的标准促进了安全、清洁和高效车辆的迅猛发展。当今，人们公认电动汽车、混合动力电动汽车和由燃料电池供电的各类驱动系的技术应用科学是最有指望在可预见的未来解决车辆问题的办法。 为满足这一需要，在美国和全世界，不断增多的工程学院已在大学生和研究生培养中设立了现代能量和车辆技术应用科学专业。1998年，本书作者在美国德克萨斯农工大学机械和电气工程专业对研究生首次开设了“现代车辆技术应用科学——电动汽车和混合动力电动汽车的设计方法论”课程。在准备讲课时，作者发现即使在技术文献和报告中已有丰富的信息，但对学生和愿意授课的教授们尚无严谨、综合的教科书。此外，熟练的工程师们也需要系统的参考书，以完整地理解这一新技术应用科学的要素。本书第1版即在于填补这一需求。第2版与第1版相比，引入了更新的专题和更深层次的分析。 本书论述了传统的内燃机汽车（ICE）、电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池车（I'CV）的基本原理、理论基础及设计方法。基于数学严密性，对现代车辆全面地描述了它们的性能特征、配置、控制策略、设计方法、模拟和仿真。本书包括驱动系结构的分析，基于内燃机的驱动系，电动汽车和混合动力电动汽车配置，电驱动系统，串联式、并联式和轻度混合动力电驱动系的设计方法，能量存储系统，再生制动，燃料电池及其在车辆中的应用，以及燃料电池混合动力电驱动系设计。本书聚焦于整体的驱动系的系统，而不仅限于其特殊部件的分析。书中通过数学推理逐步展开描述了设计方法，而且在阐述各种驱动系的设计方法时，均有仿真结果所对应的设计实例。 更准确地说，本书第2版包含了第、，版内容中多处的修正和更新，并添加了新的3章内容和附录，即第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；第10章：插塞式混合动力电动汽车设计和控制原理；第16章：应用于越野车辆的串联式混合动力电驱动系设计；附录：丰田Prius技术概述。基于作者新的研究成果，第13章：再生制动的基本原理已全部重写。此外，大量新技术资料已增添入原章节。所有这些新内容将使第2版更为完善而有益于读者。 |
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