了得網工業技術_新能源汽車與電力電子技術（第2版）

內容簡介

新能源汽車具有良好的環保性能和可以多種能源為動力的特點，既可以保護環境，又可以緩解能源短缺和調整能源結構，保障能源供應安全。本書介紹了電力電子技術在新能源汽車中的應用，詳細討論了新能源汽車的結構特點與工作原理，對新能源汽車使用的蓄電池、太陽電池、燃料電池、電機及其驅動繫統、能源管理繫統、電池均衡繫統、電源變換裝置、能量回饋繫統及充放電繫統進行了深入的分析，以易懂、易讀、易用為目標，對新能源汽車的*新技術和未來的發展趨勢進行詳細、全面的介紹。
本書可供從事新能源汽車研究與設計的工程技術人員高校相關專業師生和對節能環保技術感興趣的人士閱讀參考。

序言
前言
第1章緒論1
1.1常規汽車面臨的挑戰及能源環境1
1.1.1石油資源問題1
1.1.2氣候變暖問題2
1.2新能源汽車及其發展歷史2
1.3電力電子技術在新能源汽車中的應用4
1.3.1新能源汽車的組成5
1.3.2電力電子技術需要解決的問題5
1.4發展新能源汽車目前需要解決的問題6
參考文獻7
第2章新能源汽車8
2.1純電動汽車8序言
前言
第1章緒論1
1.1常規汽車面臨的挑戰及能源環境1
1.1.1石油資源問題1
1.1.2氣候變暖問題2
1.2新能源汽車及其發展歷史2
1.3電力電子技術在新能源汽車中的應用4
1.3.1新能源汽車的組成5
1.3.2電力電子技術需要解決的問題5
1.4發展新能源汽車目前需要解決的問題6
參考文獻7
第2章新能源汽車8
2.1純電動汽車8
2.1.1純電動汽車基本構造8
2.1.2純電動汽車的驅動11
2.1.3純電動汽車儲能裝置——蓄電池13
2.2太陽能電動汽車14
2.2.1太陽能電動汽車基本構造16
2.2.2太陽電池光伏發電原理及特性18
2.2.3太陽能電動汽車太陽電池大功率點跟蹤繫統20
2.2.4太陽能電動汽車的能源管理繫統24
2.3燃料電池電動汽車25
2.3.1燃料電池電動汽車基本結構25
2.3.2燃料電池工作原理26
2.3.3燃料電池能源管理繫統27
2.4混合動力汽車28
2.4.1混合動力汽車的種類28
2.4.2動力傳動繫統及控制31
參考文獻32
第3章新能源汽車的電機驅動繫統33
3.1新能源汽車電機驅動繫統概述33
3.1.1新能源汽車電機驅動繫統的種類及特點33
3.1.2新能源汽車對驅動電機的性能要求35
3.1.3驅動電機的分類36
3.2直流電機驅動繫統37
3.2.1直流電機的基本構造37
3.2.2直流電機的性能特點37
3.2.3直流電機的調速方法40
3.3交流異步電機驅動繫統41
3.3.1三相異步電機的構造及工作原理42
3.3.2交流異步電機的性能特點43
3.3.3交流異步電機的控制方法43
3.4永磁電機驅動繫統48
3.4.1永磁電機的分類48
3.4.2永磁同步電機的結構特點48
3.4.3永磁同步電機的性能特點50
3.4.4永磁同步電機的控制方法51
3.4.5輪轂電機55
3.4.6永磁無刷直流電機的工作特性及控制技術59
3.5開關磁阻電機驅動繫統60
3.5.1開關磁阻電機的結構特點及工作原理60
3.5.2開關磁阻電機的性能特點61
3.5.3開關磁阻電機的運行特性及原理63
3.5.4開關磁阻電機的控制方法65
3.5.5開關磁阻電機功率變換器實例68
3.6新能源汽車驅動繫統的發展方向70
3.6.1電機的發展方向70
3.6.2驅動繫統控制技術的發展方向71
參考文獻72
第4章新能源汽車的儲能繫統75
4.1各種儲能器件的特性75
4.2蓄電池儲能77
4.2.1鉛酸蓄電池77
4.2.2鎳鎘蓄電池84
4.2.3鎳氫蓄電池85
4.2.4鋰離子電池87
4.2.5蓄電池儲能在新能源汽車中的應用88
4.3燃料電池儲能90
4.3.1燃料電池的結構和原理90
4.3.2燃料電池的分類91
4.3.3燃料電池在新能源汽車中的應用95
4.4高速飛輪電池儲能96
4.4.1高速飛輪電池的結構和工作原理96
4.4.2飛輪的材料98
4.4.3高速飛輪電池的充放電98
4.4.4高速飛輪電池在新能源汽車中的應用99
4.5超級電容儲能100
4.5.1超級電容的結構和工作原理101
4.5.2超級電容的充放電101
4.5.3超級電容在新能源汽車中的應用102
參考文獻105
第5章新能源汽車的能源管理108
5.1能源管理繫統的功用108
5.2純電動汽車的能源管理繫統109
5.2.1純電動汽車能源管理繫統的組成109
5.2.2電池荷（充）電狀態指示器109
5.2.3電池管理繫統110
5.3混合動力汽車的能源管理繫統111
5.4FHEV能源管理繫統結構設計114
5.4.1FHEV能量源特性分析114
5.4.2FHEV混合動力結構及方案設計116
5.4.3FHEV能源管理繫統結構設計120
5.4.4FHEV能源管理模式研究121
5.5動力鋰離子電池管理繫統的總體方案設計123
5.5.1鋰離子電池的外特性123
5.5.2鋰離子電池的管理繫統124
5.5.3電池管理繫統硬件設計128
參考文獻131
第6章電池包能量均衡管理技術133
6.1電池荷電狀態估計技術133
6.1.1荷電狀態的定義133
6.1.2荷電狀態估計的難點與挑戰134
6.1.3荷電狀態估計的經典評估方法135
6.1.4鋰離子電池模型的建立138
6.1.5基於自適應容積卡爾曼濾波的SOC估計方法142
6.2電池熱管理技術149
6.2.1電池熱管理的必要性149
6.2級的電池熱管理150
6.2.3模塊級的電池熱管理152
6.3電池電壓均衡技術156
6.3.1電池均衡的意義157
6.3.2被動均衡技術157
6.3.3主動均衡技術158
6.3.4分層式雙向無損主動均衡拓撲161
參考文獻167
第7章新能源汽車充放電繫統171
7.1蓄電池充電原理與充電器171
7.1.1充電方法171
7.1.2電池的充電過程176
7.1.3新能源汽車蓄電池充電器176
7.2新能源汽車制動能量回饋繫統183
7.2.1幾種常見的制動能量回收方法184
7.2.2電動汽車制動模式與能量回收的約束條件187
7.2.3永磁直流電機再生制動原理188
7.2.4電動汽車再生制動控制策略190
7.3新能源汽車能量繫統的電源變換裝置197
7.3.1DC/DC功率變換器197
7.3.2DC/DC變換器的種類與比較200
7.3.3DC/AC功率變換器202
7.3.4AC/DC功率變換器202
7.3.5電力變換裝置在新能源電動汽車中的應用舉例203
7.4新能源汽車與電網互動技術204
7.4.1V2G技術的意義204
7.4.2V2G繫統及互動模式205
7.4.3具有V2G功能的充電設施規劃要求207
7.5新能源汽車無線充電技術207
7.5.1電動汽車無線充電繫統的基本結構207
7.5.2電動汽車無線充電技術的基本原理209
參考文獻211

前言

序言
1974年美國學者W. Newell提出了電力電子技術學科的定義，電力電子技術是由電氣工程、電子科學與技術和控制理論三個學科交叉而形成的。電力電子技術是依靠電力半導體器件實現電能的高效率利用，以及對電機運動進行控制的一門學科。電力電子技術是現代社會的支撐科學技術，幾乎應用於科技、生產、生活各個領域：電氣化、汽車、飛機、自來水供水繫統、電子技術、無線電與電視、農業機械化、計算機、電話、空調與制冷、高速公路、航天、互聯網、成像技術、家電、保健科技、石化、激光與光纖、核能利用、新材料制造等。電力電子技術在推動科學技術和經濟的發展中發揮著越來越重要的作用。進入21世紀，電力電子技術在節能減排方面發揮著重要的作用，它在新能源和智能電網、直流輸電、電動汽車、高速鐵路中發揮核心的作用。電力電子技術的應用從用電，已擴展至發電、輸電、配電等領域。電力電子技術誕生近半個世紀以來，也給人們的生活帶來了巨大的影響。序言
1974年美國學者W. Newell提出了電力電子技術學科的定義，電力電子技術是由電氣工程、電子科學與技術和控制理論三個學科交叉而形成的。電力電子技術是依靠電力半導體器件實現電能的高效率利用，以及對電機運動進行控制的一門學科。電力電子技術是現代社會的支撐科學技術，幾乎應用於科技、生產、生活各個領域：電氣化、汽車、飛機、自來水供水繫統、電子技術、無線電與電視、農業機械化、計算機、電話、空調與制冷、高速公路、航天、互聯網、成像技術、家電、保健科技、石化、激光與光纖、核能利用、新材料制造等。電力電子技術在推動科學技術和經濟的發展中發揮著越來越重要的作用。進入21世紀，電力電子技術在節能減排方面發揮著重要的作用，它在新能源和智能電網、直流輸電、電動汽車、高速鐵路中發揮核心的作用。電力電子技術的應用從用電，已擴展至發電、輸電、配電等領域。電力電子技術誕生近半個世紀以來，也給人們的生活帶來了巨大的影響。
目前，電力電子技術仍以迅猛的速度發展著，電力半導體器件性能不斷提高，並出現了碳化硅、氮化鎵等寬禁帶電力半導體器件，新的技術和應用不斷湧現，其應用範圍也在不斷擴展。不論在全世界還是在我國，電力電子技術都已造就了一個很大的產業群。與之相應，從事電力電子技術領域的工程技術和科研人員的數量與日俱增。因此，組織出版有關電力電子新技術及其應用的繫列圖書，以供廣大從事電力電子技術的工程師和高等學校教師和研究生在工程實踐中使用和參考，促進電力電子技術及應用知識的普及。
在20世紀80年代，電力電子學會曾和機械工業出版社合作，出版過一套“電力電子技術叢書”，那套叢書對推動電力電子技術的發展起過積極的作用。近，電力電子學會經過認真考慮，認為有必要以“電力電子新技術繫列圖書”的名義出版一繫列著作。為此，成立了專門的編輯委員會，負責確定書目、組稿和審稿，向機械工業出版社推薦，仍由機械工業出版社出版。
本繫列圖書有如下特色：
本繫列圖書屬專題論著性質，選題新穎，力求反映電力電子技術的新成就和新經驗，以適應我國經濟迅速發展的需要。
理論聯繫實際，以應用技術為主。
本繫列圖書組稿和評審過程嚴格，作者都是在電力電子技術第一線工作的專家，且有豐富的寫作經驗。內容力求深入淺出，條理清晰，語言通俗，文筆流暢，便於閱讀學習。
本繫列圖書編委會中，既有一大批國內資深的電力電子專家，也有不少已嶄露頭角的青年學者，其組成人員在國內具有較強的代表性。
希望廣大讀者對本繫列圖書的編輯、出版和發行給予支持和幫助，並歡迎對其中的問題和錯誤給予批評指正。

電力電子新技術繫列圖書
編輯委員會人類社會進入到21世紀以來，科學技術繼續呈現高速發展態勢，世界科技正處於革命性變革的前夜。科技對人類社會的文明進程產生了巨大的推動作用，能源危機和環境污染卻制約著人類社會的發展。隨著能源、環境和氣候問題的加劇，節能減排、保護環境已成為全世界持續努力的目標和方向，能源結構正穩步向清潔低碳的方向轉型。交通作為液體能源消費的主要領域，目前正加速朝著低碳、綠色、零排放的方向發展。自2012年中華人民共和國國務院發布《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》以來，我國堅持純電驅動戰略方向，新能源汽車產業發展取得了巨大成就，成為世界汽車產業發展轉型的重要力量之一。本書作者著力於探索新型環保能源在汽車上的應用，全面介紹了當今世界新能源汽車的發展動態，深入闡述了電力電子技術在新能源汽車上的應用成果，為相關從業人員提供了一個了解和掌握新能源汽車發展的良好契機。
2020年10月，國務院辦公廳正式發布《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》，明確提出到2025年，純電動乘用車新車百公裡平均電耗將降至120kW·h，新能源汽車銷售量達汽車新車銷售總量的20%左右；到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領域用車全面電動化，燃料電池汽車實現商業化應用。該規劃指出：在技術創新能力提升方面，要以動力電池與管理繫統、驅動電機與電力電子、網聯化與智能化技術為“三橫”，構建關鍵零部件技術供給體繫；在產業融合方面，要加強新能源汽車與電網的能量互動（V2G），促進新能源汽車與可再生能源高效協同。這一切都預示著新能源汽車的美好前景，本書正是基於此，深入介紹新能源汽車的發展成果，使廣大讀者更深入地了解新能源汽車。
本書以電力電子技術在新能源汽車上的應用為切入點，以7個章節的內容詳細介紹新能源汽車的相關技術。其中，第1章主要介紹新能源汽車的發展背景和歷史；第2章將新能源汽車劃分為4種類型並分別進行基本知識的介紹；第3～5章分別介紹新能源汽車的電機驅動繫統、儲能繫統和能源管理；第6章介紹電池包能量均衡管理技術，包括電池荷電狀態估計與熱管理技術等內容；第7章介紹新能源汽車充放電繫統及當前備受關注的V2G和無線充電技術。本書著眼於電力電子技術在新能源汽車上的應用，因此用了大量的篇幅介紹電力電子技術的發展和主要成果，同時結合其應用，著力於各繫統的控制技術，為新能源汽車的未來發展提出了展望，希望能使廣大讀者從實際的設計案例中深入了解新能源汽車在設計制造方面的主要知識。
電力電子技術的應用為新能源汽車的發展提供了廣闊的發展空間。先進的電力電子器件的應用和控制技術的不斷完善有利於提高新能源汽車的能源利用率，有利於不斷挖掘新能源汽車在動力性能和經濟性能上的潛力，有利於提高新能源汽車的科技含量，降低新能源汽車的設計和制造成本，是未來新能源汽車發展的主要方向。本書在介紹先進的電力電子技術時，運用大量實例和圖表，使問題的闡述和論證更加嚴謹和形像，其實驗論據充分，數學推導嚴謹，邏輯分析縝密，結論層次分明，論述通俗易懂，有較強的可讀性。
當今我國的新能源汽車的研究方興未艾，國內各大高校和研究機構，以及各大生產廠商都積極致力於電動汽車的基礎性研究和主要方案的設計與開發。本書作者曾留學日本多年，多年來致力於新能源汽車的研究和電力電子技術在新能源汽車上的應用開發，對於新能源汽車的發展有著深刻的理解。本書的第1～5章由康龍雲編寫，第6、7章由令狐金卿編寫，嶽睿、林鴻業參與修改。本書的出版是機械工業出版社多方聯繫和努力的結果，並得到了西安交通大學博士周世瓊、徐劍鳴等的大力支持和協助，在此一並表示誠摯的感謝。由於作者水平有限，如有不妥之處，誠請讀者批評指正。

康龍雲令狐金卿
於華南理工大學新能源研究中心
2021年6月

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