阿里·埃瑪迪

第1章汽車工業和電氣化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交通電氣化的實現技術8
1.4電網系統9
1.4.1微電網和可再生能源供應10
1.4.2智能電網11
1.5交通電氣化是一個範式轉變11
1.6總結12
參考文獻12

第2章傳統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制動性能和分佈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運行週期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發動機燃油噴射系統30
3.4.2CI發動機燃油噴射系統31
3.5燃燒31
3.5.1SI發動機燃燒31
3.5.2CI發動機燃燒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-直流變換器的穩態運行36
4.1.3開關裝置概述38
4.1.4開關模式直流-直流變換器狀態空間表示44
4.1.5電感和電容的選擇47
4.1.6有限連續導通模式-斷續導通模式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功率模組的選擇77
4.4.4開關裝置的驅動電路80
4.4.5緩衝電路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 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轉矩的產生195
6.4電機的速度控制202
6.4.1速度控制的經典方法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迴圈壽命和日曆壽命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 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 電容器229
7.5特性術語和性能參數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 電容器電池235
7.7測試程式236
7.7.1時域236
7.7.2頻域240
7.8封裝和管理系統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狀態與參數估計247
7.9.1估計演算法247
7.9.2線上SOC和阻抗估計249
習題252
參考文獻252

第8章混合儲能系統254
8.1混合電池和 電容器拓撲學254
8.1.1拓撲1：無源並聯配置255
8.1.2拓撲2： 電容器/電池配置256
8.1.3拓撲3：電池/ 電容器配置256
8.1.4拓撲4：級聯變換器配置257
8.1.5拓撲5：多並聯連接的變換器配置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8：多輸入變換器配置261
8.1.9拓撲9：多模式單變換器配置262
8.1.10拓撲10：交錯變換器配置263
8.1.11拓撲11：開關電容變換器配置264
8.1.12拓撲12：基於耦合電感器的混合架構265
8.2其他儲能裝置和系統：飛輪、壓縮空氣存儲系統和超導磁儲能系統266
8.2.1飛輪 ESS266
8.2.2基於壓縮空氣泵浦的液壓存儲系統268
8.2.3超導磁ESS269
8.3總結271
8.4PEV混合ESS拓撲的模擬和分析271
8.4.1無源並聯配置的類比與分析272
8.4.2級聯變換器拓撲的模擬與分析275
8.4.3並聯連接多重變換器拓撲的模擬與分析280
8.4.4小結282
習題283
參考文獻284

第9章非動力負載的低壓電氣系統288
9.1引言288
9.2低壓電氣負載289
9.3輔助功率模組的要求290
9.4輔助功率模組的變換器拓撲290
9.4.1反激變換器290
9.4.2正激變換器292
9.4.3推挽變換器292
9.4.4一次側拓撲292
9.4.5二次側拓撲293
9.4.6同步整流294
習題297
參考文獻299

第10章48V帶傳動起動發電機電氣系統300
10.1引言300
10.2低壓電氣化300
10.2.1電氣化需要300
10.2.2混合度301
10.2.3低壓與高壓電氣化303
10.2.412V與48V低壓電氣化305
10.3BSG系統概述308
10.3.1BSG系統的功能概述308
10.3.248V電氣拓撲311
10.4BSG要求和實施313
10.4.1BSG性能要求313
10.4.2BSG系統的設計 改315
10.4.3設計挑戰與實施316
10.5關鍵BSG子系統部件317
10.5.1能量存儲系統317
10.5.2電動機323
10.5.3功率逆變器模組325
10.5.4DC-DC變換器330
10.5.5前端附件驅動330
10.5.6發動機控制單元331
10.6標杆332
10.6.1通用汽車332
10.6.2PSA標緻雪鐵龍332
10.6.348V LC 混合332
10.6.4綠色混合333
10.6.548V生態驅動333
10.6.6全混合333
10.6.7博世333
10.6.848V鄉鎮混合動力傳動系334
習題334
參考文獻335

第11章混合動力傳動系原理336
11.1引言336
11.2混合動力汽車和混合動力傳動系的介紹336
11.2.1串聯混合動力系統341
11.2.2並聯混合動力系統341
11.2.3功率分流式混合動力系統341
11.3混合動力傳動系部件的介紹349
11.3.1HEV的內燃機349
11.3.2混合動力傳動系的電機352
11.3.32010年豐田普銳斯（Prius）變速驅動器354
11.3.4混合動力傳動系概述356
11.4再生制動系統360
11.4.1電動汽車雙制動系統的主要原因361
11.4.2電動汽車制動系統364
11.4.3再生制動系統的能量存儲366
11.4.4總結367
11.5混合動力傳動系控制介紹367
11.5.1發動機開/關的決定369
11.5.2發動機工作點優化370
11.5.3發動機起動控制372
11.5.4再生制動控制373
附錄自動類比配置和輸入參數374
習題376
參考文獻376

第12章混合動力汽車377
12.1引言377
12.2混合動力汽車377
12.2.1燃油經濟性改善型混合動力汽車377
12.3行駛工況379
12.3.1行駛工況對燃油經濟增效和減排的影響381
12.3.2混合動力汽車如何從傳統車輛中獲益，實現燃油經濟性384
12.4燃油經濟性行駛工況和道路條件385
12.4.1案例研究385
12.5HEV技術388
12.5.1微型混合動力汽車388
12.5.2輕度混合動力汽車389
12.5.3全混合動力汽車389
12.6基於動力傳動系的道路車輛分類391
12.6.1輕度混合動力汽車391
12.6.2並聯混合動力汽車391
12.6.3串聯混合動力汽車392
12.6.4串並聯混合動力汽車392
12.6.5插電式混合動力汽車393
12.7混合動力汽車設計與實現中的主要挑戰396
12.8研究與開發領域397
12.8.1電機的設計、選型和尺寸397
12.8.2儲能系統397
12.8.3熱管理系統398
12.9案例研究398
習題401
參考文獻402

第13章充電系統的基本原理403
13.1引言403
13.2充電器的分類和標準403
13.2.1交流充電系統403
13.2.2直流充電系統404
13.3充電器要求405
13.41級和2級交流充電器的拓撲選擇406
13.4.1前端AC-DC變換器拓撲406
13.4.2隔離式DC-DC變換器拓撲412
13.53級充電器的拓撲選擇416
13.5.1前端AC-DC變換器拓撲417
13.5.2隔離DC-DC變換器拓撲417
13.6實踐示例417
13.6.1前端PFC升壓變換器設計418
13.6.2隔離式DC-DC變換器設計419
13.7無線充電器420
13.7.1介紹420
13.7.2感應充電421
13.7.3諧振感應充電421
13.7.4道路/線上充電422
習題423
參考文獻423
第14章插電式混合動力汽車427
14.1引言427
14.2PHEV的功能和優點429
14.3PHEV的部件434
14.3.1電池434
14.3.2電機435
14.3.3發動機435
14.3.4電力電子器件436
14.4PHEV的工作原理437
14.4.1CD模式437
14.4.2CS模式438
14.4.3AER模式438
14.4.4發動機維護模式439
14.5PHEV結構439
14.5.1PHEV串聯混合439
14.5.2PHEV並聯混合440
14.5.3PHEV複合混合441
14.6PHEV的控制策略443
14.7與PHEV相關的技術和挑戰445
14.7.1PHEV電池445
14.7.2PHEV成本446
14.7.3PHEV的充電447
14.7.4PHEV相關電網挑戰447
14.8PHEV市場448
14.9總結450
習題450
參考文獻450

第15章純電動汽車和增程式電動汽車452
15.1電動汽車的歷史和發展452
15.2電動汽車的配置和主要部件455
15.2.1電動汽車的配置455
15.2.2電動汽車能量存儲裝置457
15.3電動汽車的性能461
15.3.1電動汽車功率分佈461
15.3.2汽車加速度462
15.3.3汽車的 車速463
15.4增程式電動汽車464
15.4.1增程式電動汽車的介紹464
15.4.2增程器464
15.4.3增程器連接465
15.5燃料電池電動汽車467
15.5.1燃料電池電動汽車介紹467
15.5.2燃料電池介紹467
15.5.3燃料電池電動汽車動力傳動系468
15.6太陽能電動汽車469
15.6.1太陽能電動汽車介紹469
15.6.2太陽能電動汽車動力傳動系470
15.6.3太陽能充電站472
15.7電動自行車473
15.7.1電動自行車介紹473
15.7.2電動自行車推進系統473
15.7.3電動自行車功率分佈474
習題475
參考文獻475

第16章車輛到電網介面及電氣基礎設施477
16.1引言477
16.2電動汽車和插電式混合動力汽車充電基礎設施478
16.2.1電動汽車/插電式混合動力汽車的電池和充電狀態478
16.3EV/PHEV充電基礎設施的電力電子技術489
16.3.1充電硬體490
16.3.2並網基礎設施491
16.4V2G和V2H概念492
16.4.1電網升級493
16.5PEV充電用電力電子設備494
16.5.1安全注意事項494
16.5.2並網的住宅系統496
16.5.3並網的公共系統497
16.5.4本地可再生能源發電的並網系統501
1６.６電動汽車電池充電說明和安全問題504
16.6.1電動汽車充電水準、規格和安全性505
16.6.2EV/PHEV電池充電電壓水準506
16.6.3充電安全問題506
16.7電動汽車充電和V2G功率流對電網的影響506
16.7.1線路穩定性507
16.7.2逆變器畸變和直流電流注入507
16.7.3本地分佈配置508
16.8智能電網中的可再生能源和EV/PHEV混合508
16.8.1車輛到電網：測 例509
習題511
參考文獻511

第17章能量管理與優化514
17.1引言514
17.1.1能量管理問題：現有解決方案515
17.1.2章節結構組成517
17.2能量管理問題表述518
17.2.1PEMFC說明518
17.2.2功率需求計算：FCHEV519
17.2.3問題表述：啟發式方法520
17.2.4問題表述：優化方法521
17.3DOP的解決方案524
17.3.1變分演算結果524
17.3.2動態規劃526
17.4FCHEV的 EMS527
17.4.1靜態OF528
17.4.2積分OF531
17.5控制系統534
17.5.1控制設計535
17.5.2穩定性概念和工具535
17.5.3魯棒控制設計536
17.5.4 控制設計538
習題538
參考文獻539

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、空氣品質下降等諸多挑戰，同時也推動了汽車自身技術的發展。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，並積極開發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清潔汽車的解決方案，汽車業界也正在為此努力並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出的集機械、電子、汽車、電機、智慧控制、化學電源、電腦、新材料等科學領域和工程技術中研究成果於一身，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）。

電動汽車的最大特點是在行駛過程中很少甚至沒有排放污染、熱輻射低、雜訊低且環境友好。電動汽車可應用多種能源，能節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，電動汽車是一種節能、環保、可持續發展的新型交通工具，具有廣闊的發展前景。

本書共分為17章。第1章介紹了汽車行業對電氣化的需求，並與其他行業進行了比較，描述了從MEV到HEV，再到PHEV和REEV，最終形成了電動汽車(EV)的發展歷程，此部分由王典等翻譯。第2、3章分別列舉了傳統汽車和內燃機（ICE）的基本原理，此部分由張巨集業等翻譯。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，此部分由王典、孔建磊、張宏業等翻譯。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，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帶傳動起動發電機電氣系統，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，此部分由張巨集業、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介面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、陸浣綾和張光強等參與了部分章節的翻譯工作，在此對他們致以誠摯的謝意。譯者還要感謝機械工業出版社相關人員為本書的出版所做的細緻工作。

由於電動汽車技術是近十多年來迅速發展的新技術，許多關鍵技術問題正在研究和解決中，相關成果推陳出新，加之譯者知識水準與認識能力有限，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向更高效、更高性能、更安全、更智慧和更可靠車輛發展的範式轉變。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等也正在經歷電氣化進程。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，第1章介紹了電氣化的必要性以及與電信等其他行業的相似之處，同時也介紹了汽車發展的範式轉變如何從MEV開始，進而建立HEV，並由PHEV和REEV發展壯大，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。第8章介紹了混合電池/超級電容器儲能系統及其在先進電動汽車中的應用。

第9章介紹了應用於低壓電氣系統的非動力負載的電氣化技術。第10章介紹了48V帶傳動起動發電機電氣系統，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（V2G）介面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，主要物件導向是工程學的研究生和高年級本科生，每個章節都包含多張插圖、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