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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IGBT124

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 EMI203

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A394

附录B395

附录C397

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