在不断加剧的人、车、自然之间的矛盾之下，世界各国开始把目光从传统的燃油汽车转向新能源汽车，先进电动汽车即是一个非常重要的发展方向。我国作为能源消费大国，发展以先进电动汽车为代表的新能源汽车产业是低碳经济时代的必然选择。本书分为17章，从车辆电气化的角度入手，详细介绍了电动汽车的发展，全面地论述了电动汽车及其关键零部件的主要技术，以及关键动力传动系的技术现状与发展趋势，对各类电气化汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车、电池电动汽车和燃料电池汽车等进行了全面论述。读者通过本书可以较好地串联起与电动汽车相关的机械、电气、化学等多方面知识。书中包含了插图、实例和案例研究，可供广大电动汽车相关领域的工程技术人员、管理人员和科研人员参考，也可作为高等院校车辆工程专业高年级本科生和研究生的选修课教材。
译者序
汽车在全球的保有量不断增加,使人类面临能源短缺、全球变暖、空气质量下降等诸多挑战，同时也推动了汽车自身技术的发展。为此，汽车工程师正在不断努力研究降低油耗的方法，寻求各种代用燃料，并积极开发不用或少用汽油的新型车辆。越来越多的人士已认识到各种类型的电动汽车和燃料电池汽车是实现清洁汽车的解决方案，汽车业界也正在为此努力并投入巨大的资金和人力。
本书所论述的先进电动汽车是目前研究开发出的集机械、电子、汽车、电机、智能控制、化学电源、计算机、新材料等科学领域和工程技术中研究成果于一身，是多种高新技术凝聚的成果。先进电动汽车包括电气化汽车(MEV)、混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、增程式电动汽车(REEV)，以及电池电动汽车(BEV)和燃料电池汽车（FCV）。
电动汽车的特点是在行驶过程中很少甚至没有排放污染、热辐射低、噪声低且环境友好。电动汽车可应用多种能源，能节省甚至不消耗汽油或柴油，解决了汽车对化石的能源的需求问题。毫无疑问，电动汽车是一种节能、环保、可持续发展的新型交通工具，具有广阔的发展前景。
本书共分为17章。第1章介绍了汽车行业对电气化的需求，并与其他行业进行了比较，描述了从MEV到HEV，再到PHEV和REEV，终形成了电动汽车(EV)的发展历程，此部分由王典等翻译。第2、3章分别列举了传统汽车和内燃机（ICE）的基本原理，此部分由张宏业等翻译。第4~7章介绍了电气化车辆的关键部件，如功率变换器、电机、电动机控制器和电能存储系统，此部分由王典、孔建磊、张宏业等翻译。第8章介绍了在先进的电动汽车中应用的混合电池和超级电容器储能系统，此部分由王建利等翻译。第9章介绍了应用在低压电气系统上的非动力负载电气化技术，此部分由王典、李媛媛等翻译。第10章介绍了48V带传动起动发电机电气系统，此部分由宋陶然等翻译。第11、12章分别介绍了混合动力传动系和HEV的理论基础，此部分由张宏业、孙治博等翻译。第13章主要是介绍了插电式汽车的充电器问题，此部分由曾宇凡等翻译。第14章主要是介绍了PHEV，此部分由孟阳等翻译。第15章介绍的是EV和REEV，此部分由陈双成等翻译。第16章介绍了车辆到电网接口及电气基础设施问题，此部分由周汀等翻译。第17章主要介绍了先进电动汽车的能量管理与优化，此部分由郑毅等翻译。此外，韦继勇、马晓晨、刁昊、周兆辉、张志威、梁恒诺、王钦、黄立超、赵志强、赵亚、丁浩、李佳子、李天宇、徐之栋、张博彧、李博、潘林峻、鲍薪如、刘文权、关畅、秦悦、蒲帅、唐伟国、何颖、徐小俊、孙浩、樊丽、彭阳、韩东涛、李泽慧、单绍琳、朱彤彤、郑建业、陆浣绫和张光强等参与了部分章节的翻译工作，在此对他们致以诚挚的谢意。译者还要感谢机械工业出版社相关人员为本书的出版所做的细致工作。
由于电动汽车技术是近十多年来迅速发展的新技术，许多关键技术问题正在研究和解决中，相关成果推陈出新，加之译者知识水平与认识能力有限，不足之处在所难免，敬请广大专家和读者批评指正！先进电动汽车原 书 前 言原 书 前 言电气化是交通运输业向更高效、更高性能、更安全、更智能和更可靠车辆发展的范式转变。事实上，从内燃机（ICE）转向更一体化的电气化动力传动系是一个明显的趋势。非推进负载，如动力转向和空调系统等也正在经历电气化进程。电动汽车包括各类电气化汽车（MEV）、混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、增程式电动汽车（REEV）以及电池电动汽车（BEV）和燃料电池汽车（FCV）。
本书首先介绍了汽车行业，第1章介绍了电气化的必要性以及与电信等其他行业的相似之处，同时也介绍了汽车发展的范式转变如何从MEV开始，进而建立HEV，并由PHEV和REEV发展壮大，终将由电动汽车（EV）完成的全部进程。
第2、3章分别介绍了传统汽车和ICE的基本原理。第4~7章主要介绍电动汽车的主要部件，包括电力电子变换器、电机、电动机控制器和电能存储系统。第8章介绍了混合电池/超级电容器储能系统及其在先进电动汽车中的应用。
第9章介绍了应用于低压电气系统的非动力负载的电气化技术。第10章介绍了48V带传动起动发电机电气系统，第11、12章分别介绍了混合动力传动系和HEV的基本原理。第13章将重点介绍插电式汽车所需的充电器。第14章介绍了PHEV。第15章介绍了纯电动汽车和REEV。此外，车辆到电网（V2G）接口和电气基础设施问题将在第16章提出。第17章介绍了先进电动汽车的能量管理与优化。
本书作为一本综合性教科书涵盖了先进电动汽车的主要方面，主要面向对象是工程学的研究生和高年级本科生，每个章节都包含多张插图、多个应用实例和案例研究。对交通电气化感兴趣的工程师、管理人员、学生、研究人员和其他专业人员，本书也是与电动汽车有关的比较容易理解的参考书。
感谢Taglor & Francis/CRC出版社工作人员的努力和协助，特别是Nora Konopka女士、Jessica Vakili女士和Michele Smith女士。感谢Weisheng Jiang先生为准备本书中的许多插图所做的辛勤工作。
Ali Emadi
2014年11月
本 书 主 编
Ali Emadi（IEEE S98-M00-SM03-F13）在伊朗德黑兰的谢里夫工业大学以*高荣誉获得电气工程学士学位（1995）和硕士学位（1997）。他在美国得克萨斯州的得克萨斯农工大学获得了电气工程博士学位（2000）。他目前是混合动力传动系加拿大卓越研究主席（CERC）,也是加拿大安大略省汉密尔顿市麦克马斯特大学麦克马斯特汽车研究与技术研究所（MacAUTO）主任。在加入麦克马斯特大学之前，Emadi博士是Harris Perlstein资助的工程学讲座教授，以及美国伊利诺伊理工学院（IIT）的电力与电力电子中心和Grainger实验室主任，他建立了电力电子、电动机驱动和车辆动力系统的研究和教学设施以及课程。此外，Emadi博士是混合动力汽车技术公司（HEVT）的创始人、董事长兼总裁，HEVT是IIT的大学附属公司。
Emadi博士获得了众多奖项和荣誉。2009年，他被任命为芝加哥事务全球远见者。由于他对混合动力汽车的杰出贡献，他被电气工程荣誉学会授予2003年Eta Kappa Nu杰出青年电气工程师（单项）。他还获得了IEEE电力电子学会颁发的2005年Richard M.Bass杰出青年电力电子工程师奖。2005年，他被IIT的学生选为年度*佳教授。Emadi博士是IIT 2002年大学卓越教学奖（University Excellence in Teaching Award）以及2004年Sigma Xi/IIT大学卓越研究奖（Award for Excellence in University Research）获得者。他带领一组学生设计并制造了一种新型的电动机驱动装置，该装置荣获2003年IEEE国际未来能源挑战赛电动机竞赛总冠军。此外，他还是IIT和麦克马斯特大学混合动力方程式车队的顾问，该团队分别在2010年和2013年的动力方程式大赛（Formula Hybrid Competitions）中获得了通用汽车*佳工程混合动力系统奖（GM Best Engineered Hybrid Systems Award）。
Emadi博士是300余篇期刊和会议论文的主要作者/合著者，著有Vehicular Electric Power Systems:Land,Sea,Air,and Space Vehicles(Marcel Dekker,2003),Energy Efficient Electric Motors(Marcel Dekker,2004),Uninterruptible Power Supplies and Active Filters(CRC出版社,2004),Modern Electric,Hybrid Electric,and Fuel Cell Vehicles:Fundamentals,Theory,and Design,Second Edition(CRC出版社，2009）,和Integrated Power Electronic Converters and Digital Control(CRC出版社,2009).Emadi还是Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives(CRC出版社,2005)的编者。
Emadi博士是届IEEE车辆动力与推进会议（VPPC05）的大会主席，并担任同期举办的美国汽车工程师学会（SAE）国际未来交通技术大会主席。他还是2011年IEEE VPPC的大会主席。他目前是IEEE交通电气化会议及博览会（ITEC）的指导委员会主席。此外，Emadi博士还是2012年ITEC的首任大会主席。他曾担任IEEE车辆动力和推进指导委员会主席、IEEE电力电子学会车辆与运输系统技术委员会主席、IEEE工业电子学会电力电子技术委员会主席。他还曾担任2007年IEEE国际未来能源挑战赛主席。
Emadi博士是IEEE Transactions on Transportation Electrification的主编，他还是International Journal of Electric and Hybrid Vehicles(北美版)的编辑。他曾任Transportation Electrification and Vehicle Systems,IEEE Transactions on Power Electronics特刊特约主编。他还曾担任过Transportation Electrification and Vehicle-to-Grid Applications,IEEE Transactions on Smart Grid,Automotive Power Electronics and Motor Drives,IEEE Transactions on Power Electronics的特刊客座主编以及Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles,IEEE Transactions on Vehicular Technology,Automotive Electronics and Electrical Drives,IEEE Transactions on Industrial Electronics的特刊客座编辑。
本 书 作 者
Florence Berthold
Department of Electrical and Computer
Engineering
Concordia University
Montreal, Quebec, Canada
Berker Bilgin
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster University
Hamilton, Ontario, Canada
Giampaolo Carli
Department of Electrical and Computer
Engineering
Concordia University
Montreal, Quebec, Canada
Ilse Cervantes
Institute for Scientific and Technological
Research of San Luis Potosi (IPICyT)
San Luis Potosi, Mexico
Ali Emadi
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster University
Hamilton, Ontario, Canada
Lucia Gauchia
Michigan Technological University
Houghton, Michigan Oliver Gross
Oxford, Michigan
Ruoyu Hou
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster University
Hamilton, Ontario, Canada
Weisheng Jiang
McMaster Institute for Automotive Research
and Technology (MacAUTO)
McMaster
目录
译者序
原书前言
本书主编
本书作者
第1章汽车工业和电气化1
1.1从批电动汽车到交通运输2.0的未来1
1.1.1从风能到蒸汽:交通运输2.0 19世纪的类比3
1.2汽车电气化的连续性4
1.2.1电气化汽车5
1.2.2混合动力汽车5
1.2.3插电式混合动力汽车6
1.2.4电动汽车7
1.3交通电气化的实现技术8
1.4电网系统9
1.4.1微电网和可再生能源供应10
1.4.2智能电网11
1.5交通电气化是一个范式转变11
1.6总结12
参考文献12
第2章传统汽车及其动力传动系基础13
2.1纵向车辆模型13
2.2纵向阻力13
2.2.1空气动力阻力13
2.2.2分级阻力14
2.2.3滚动阻力14
2.3总牵引力14
2.4牵引力和动力传动系牵引力15
2.5车辆性能16
2.5.1车辆的速度16
2.5.2爬坡能力17
2.5.3加速性能17
2.6制动性能和分布18
2.6.1制动力18
2.6.2一个两轴汽车制动的特点18
2.7车辆动力装置和传动特性19
2.7.1电力特性19
2.7.2传动特性20
习题21
第3章内燃机23
3.1引言 23
3.1.1运行周期24
3.2概念26
3.2.1基本几何性质26
3.2.2性能指标27
3.3气路回路29
3.3.1节流阀和阀门29
3.3.2流形30
3.3.3功率提升30
3.4燃料路径回路30
3.4.1SI发动机燃油喷射系统30
3.4.2CI发动机燃油喷射系统31
3.5燃烧31
3.5.1SI发动机燃烧31
3.5.2CI发动机燃烧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
习题33
参考文献34
第4章电力电子基础35
4.1开关模式的直流-直流变换器35
4.1.1现代电动汽车中的直流-直流变换器35
4.1.2开关模式直流-直流变换器的稳态运行36
4.1.3开关装置概述38
4.1.4开关模式直流-直流变换器状态空间表示44
4.1.5电感和电容的选择47
4.1.6有限连续导通模式-断续导通模式51
4.2开关模式的直流-交流逆变器52
4.2.1单相逆变器52
4.2.2三相逆变器57
4.3开关模式的交流-直流变换器61
4.3.1单相半波整流器61
4.3.2单相全波整流器65
4.3.3三相整流器70
4.4功率变换器设计的实际应用73
4.4.1介绍73
4.4.2半导体损耗的评估74
4.4.3功率模块的选择77
4.4.4开关装置的驱动电路80
4.4.5缓冲电路84
4.4.6汇流排设计88
习题89
参考文献90
第5章电机原理91
5.1引言91
5.2电磁学基础91
5.2.1磁场的散度和旋度92
5.2.2洛伦兹力定律93
5.2.3电磁感应和法拉第定律 93
5.2.4电感和磁场能量95
5.3电机损耗96
5.3.1介绍96
5.3.2铜损97
5.3.3铁心损耗99
5.3.4永磁体的损耗101
5.3.5机械损耗101
5.4电机绕组102
5.4.1交流电机绕组102
5.4.2凸极定子绕组107
5.4.3线圈设计110
5.5电机材料111
5.5.1铁心材料111
5.5.2永磁体120
5.5.3电机绝缘127
5.6电机的工作原理128
5.6.1永磁同步电机128
5.6.2感应电机140
5.6.3开关磁阻电机146
5.7牵引电动机说明151
5.7.1高压电池的作用和逆变器的控制方法151
5.7.2磁体的选择、温度的影响和退磁151
5.7.3齿槽转矩和转矩脉动151
5.7.4力学性能与电气性能153
5.7.5材料和传动公差153
5.7.6尺寸细节153
5.7.7效率要求和直流电压154
5.8IPM电机故障情况154
5.8.1非受控发电模式154
5.8.2短路故障155
5.9电机测试157
5.10其他电机配置159
5.10.1同步磁阻电机159
5.10.2横向磁通永磁电机160
5.10.3轴向磁通永磁电机160
习题161
参考文献165
第6章电动机控制原理167
6.1引言167
6.1.1有刷直流电动机转矩的产生167
6.1.2直流电动机转矩控制168
6.1.3有刷直流电动机的转矩控制171
6.2交流电动机控制基本原理183
6.2.1无刷直流电机转矩控制基本原理183
6.2.2无刷交流电机转矩控制基本原理184
6.3开关磁阻电机控制195
6.3.1SRM转矩的产生195
6.4电机的速度控制202
6.4.1速度控制的经典方法202
6.5总结206
习题206
参考文献209
第7章电能存储系统基础211
7.1引言211
7.2电动汽车的储能要求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循环寿命和日历寿命214
7.2.4运行工作温度215
7.2.5安全216
7.2.6展望216
7.3电化学电池218
7.3.1基本物理和电化学218
7.3.2铅酸电池220
7.3.3镍-金属氢化物电池222
7.3.4锂离子电池223
7.3.5氯化镍钠电池225
7.4超级电容器电池227
7.4.1基本物理知识227
7.4.2电双层电容器228
7.4.3带有赝电容的超级电容器229
7.5特性术语和性能参数231
7.6建模232
7.6.1电化学电池的等效电路模型232
7.6.2电化学电池的增强自校正模型234
7.6.3超级电容器电池235
7.7测试程序236
7.7.1时域236
7.7.2频域240
7.8封装和管理系统243
7.8.1功能和设计方面的考虑243
7.8.2电池平衡245
7.9状态与参数估计247
7.9.1估计算法247
7.9.2在线SOC和阻抗估计249
习题252
参考文献252
第8章混合储能系统254
8.1混合电池和超级电容器拓扑学254
8.1.1拓扑1：无源并联配置255
8.1.2拓扑2：超级电容器/电池配置256
8.1.3拓扑3：电池/超级电容器配置256
8.1.4拓扑4：级联变换器配置257
8.1.5拓扑5：多并联连接的变换器配置258
8.1.6拓扑6：多个双有源电桥变换器配置259
8.1.7拓扑7：双源双向变换器配置261
8.1.8拓扑
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