電動汽車的新型驅(qū)動技術(shù)

前言

　　汽車的出現(xiàn)改變了世界，有力促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，方便和改善了人們的生活。但是，汽車發(fā)展到今天，也帶來了不可忽視的能源、環(huán)保和安全等問題，引起了世界各國的廣泛關(guān)注。電動汽車，這個(gè)與燃油汽車歷史幾乎一樣長的交通工具，其發(fā)展卻幾經(jīng)沉浮，并隨著科技和社會的進(jìn)步跨越了不同的時(shí)代，同時(shí)也對高科技的發(fā)展、工業(yè)的興起以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著推波助瀾的促進(jìn)作用。電動汽車，作為電力驅(qū)動的交通工具，其概念廣泛，包括純電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車等。由于電動汽車在減少尾氣排放，能源的多元化利用以及高效、節(jié)能等方面具有明顯優(yōu)勢，成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的方向之一?，F(xiàn)代電動汽車的核心是如何高效、清潔和智能化的利用電能來驅(qū)動車輛，涉及許多技術(shù)領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)包括電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、能源技術(shù)、能量管理技術(shù)、自動控制技術(shù)、材料技術(shù)、化學(xué)工藝技術(shù)及汽車制造技術(shù)等多個(gè)方面的融合。為此，許多國家紛紛投入大量物力、財(cái)力進(jìn)行電動汽車方面的研究。目前，國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠商已紛紛推出各種類型的電動汽車，電動汽車呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢?！　≡?987年，陳清泉院士已在香港大學(xué)成立了國際電動汽車研究中心，是學(xué)術(shù)界的前沿。自2005年以來，我擔(dān)任國際電動汽車研究中心主任，繼往開來，持續(xù)發(fā)展電動汽車技術(shù)，在新型電機(jī)驅(qū)動技術(shù)上，取得了一系列研究成果。2007年以來，又與東南大學(xué)的程明教授等合作開展電動汽車驅(qū)動控制技術(shù)研究，進(jìn)一步豐富了研究成果。本書主要介紹了作者在電動汽車驅(qū)動技術(shù)方面的研究成果。書中首先介紹了電動汽車的發(fā)展歷史和各國電動汽車研究水平以及現(xiàn)狀，便于讀者全面了解電動汽車的發(fā)展和研究概況；其次分章節(jié)介紹了直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、永磁無刷電動機(jī)以及永磁同步電動機(jī)等傳統(tǒng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域中的應(yīng)用；然后，介紹了雙定子永磁無刷電動機(jī)、雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)、記憶電動機(jī)、磁性齒輪永磁無刷復(fù)合電動機(jī)以及電子無級變速傳輸（ECVT）系統(tǒng)等新型電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)?！　”緯亲髡咚谡n題組近20年來研究成果的總結(jié)。在這20年里，我們的課題組在電動汽車技術(shù)方面共發(fā)表了約150篇國際期刊文章及約200篇國際會議文章。在此，我們借著這次機(jī)會衷心感謝課題組各成員，他們在電動汽車技術(shù)方面的研究作出了實(shí)質(zhì)而有意義的貢獻(xiàn)，其研究成果被廣泛地納入本書中。特別是劉春華博士（香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系博士）、牛雙霞博士（香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系博士）、余創(chuàng)先生（香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系博士生）、蹇林旎先生（香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系博士生）、張曉東先生（香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系博士生）、龔宇先生（上海大學(xué)自動化學(xué)院博士生）、李文龍先生（香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系博士生）。

內(nèi)容概要

　　《電動汽車的新型驅(qū)動技術(shù)》總結(jié)了作者所在課題組在電動汽車技術(shù)中電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)方面近20年的研究成果，內(nèi)容涉及多種電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、分析及控制。在深化傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)如直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、永磁無刷電動機(jī)以及永磁同步電動機(jī)的基礎(chǔ)上，《電動汽車的新型驅(qū)動技術(shù)》對當(dāng)今前沿電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)如雙定子永磁無刷電動機(jī)、雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)、記憶電動機(jī)、磁性齒輪永磁無刷復(fù)合電動機(jī)以及電子無級變速傳輸（ECVT）系統(tǒng)進(jìn)行了討論?！峨妱悠嚨男滦万?qū)動技術(shù)》不僅利用數(shù)學(xué)模型和仿真對多種電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)還提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，供讀者了解在電動汽車技術(shù)中電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)方面的最新研究成果?！　　峨妱悠嚨男滦万?qū)動技術(shù)》可作為電動汽車相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員、大專院校師生的參考書，也可供對電動汽車感興趣的人士閱讀。

作者簡介

　　鄒國棠，男，分別于1988年、1991年和1993年在香港大學(xué)獲一級榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位，現(xiàn)為香港大學(xué)電機(jī)電子工程學(xué)系教授及國際電動車研究中心主任、博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域：電動車、電機(jī)及驅(qū)動、清潔能源和電力電子，發(fā)表了約150篇國際學(xué)術(shù)期刊文章和約200篇國際學(xué)術(shù)會議文章，著有《Modern Electric Vehicle Technology》（牛津大學(xué)出版社，2001）、《混沌電機(jī)驅(qū)動及其應(yīng)用》（科學(xué)出版社，2009）等著作。是國際工程技術(shù)學(xué)會資深會員（IET Fellow），國際電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）高級會員，《亞洲電動車學(xué)報(bào)》聯(lián)合主編，《國際電能系統(tǒng)學(xué)報(bào)》副主編等。2003年獲香港大學(xué)“杰出青年研究學(xué)者獎”；2004年獲香港大學(xué)“教學(xué)院士獎”；2005年在美國舉行的國際大學(xué)教學(xué)會議上獲頒“卓越創(chuàng)新教學(xué)科研獎”；2007年在美國獲國際汽車工程師學(xué)會頒授“2006年卓越環(huán)保運(yùn)輸獎”，以表揚(yáng)其團(tuán)隊(duì)在環(huán)保電動車的教育、培訓(xùn)和環(huán)保意識等方面的卓越貢獻(xiàn)；2008年獲教育部頒授“長江學(xué)者獎勵(lì)計(jì)劃”講座教授，在東南大學(xué)電機(jī)與電器學(xué)科從事相關(guān)研究。　　程明，男，分別于1982年和1987年在南京工學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，2001年于香港大學(xué)獲博士學(xué)位?，F(xiàn)任東南大學(xué)電氣工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、院長，東南大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心主任，是國際工程技術(shù)學(xué)會資深會員（IET Fellow）和國際電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）高級會員，兼任IEEE南京分部執(zhí)委及IAS-PES聯(lián)合分會主席，《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、《微電機(jī)》、《電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)》編委，是國家自然科學(xué)基金委員會第十二屆專家評審組成員。主要研究領(lǐng)域：微特電機(jī)及測控系統(tǒng)、電動車驅(qū)動控制、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等，主持或?yàn)橹魍瓿蓢易匀豢茖W(xué)基金6項(xiàng)、國家863項(xiàng)目1項(xiàng)等研究課題數(shù)十項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，獲授權(quán)專利16項(xiàng)，著有《微特電機(jī)及系統(tǒng)》、《混沌電機(jī)驅(qū)動及其應(yīng)用》等教材和專著4部，獲國家教委科技進(jìn)步二等獎、江蘇省科技進(jìn)步二等獎、國際汽車工程師學(xué)會（SAE）2006年卓越環(huán)保運(yùn)輸獎、2007年度通用汽車中國高校汽車領(lǐng)域創(chuàng)新人才獎、2009年國際工程技術(shù)學(xué)會電力應(yīng)用獎（IET Premium Award in Electrical Power Applications）等學(xué)術(shù)獎勵(lì)。

書籍目錄

序前言第1章 電動汽車概述11.1 電動汽車的歷史與現(xiàn)狀11.1.1 電動汽車發(fā)展歷史11.1.2 國際電動汽車的現(xiàn)狀41.1.3 國內(nèi)電動汽車的現(xiàn)狀91.2 電動汽車的特點(diǎn)和發(fā)展方向171.2.1 電動汽車的特點(diǎn)171.2.2 電動汽車的發(fā)展方向211.3 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)22參考文獻(xiàn)25第2章 直流電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)272.1 直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)272.2 直流電動機(jī)282.2.1 他勵(lì)直流電動機(jī)282.2.2 串勵(lì)直流電動機(jī)292.2.3 并勵(lì)直流電動機(jī)302.2.4 復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)302.3 變換器322.3.1 單象限型直流斬波器332.3.2 二象限型直流斬波器342.3.3 四象限型直流斬波器352.4 速度控制402.4.1 電壓控制直流斬波器驅(qū)動系統(tǒng)412.4.2 帶電壓前饋的電壓控制直流斬波器驅(qū)動系統(tǒng)42參考文獻(xiàn)43第3章 交流感應(yīng)電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)453.1 交流感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)453.2 交流感應(yīng)電動機(jī)463.3 逆變器473.4 控制策略523.4.1 轉(zhuǎn)速控制523.4.2 變壓變頻控制523.4.3 矢量控制543.4.4 自適應(yīng)控制553.4.5 滑模控制573.4.6 效率優(yōu)化控制583.4.7 變極控制60參考文獻(xiàn)61第4章 開關(guān)磁阻電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)634.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)634.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)654.2.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理654.2.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)的設(shè)計(jì)684.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的功率變換器714.4 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制73參考文獻(xiàn)77第5章 永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)785.1 概述785.2 永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)795.3 永磁無刷電動機(jī)805.3.1 永磁材料815.3.2 轉(zhuǎn)子永磁型無刷電動機(jī)825.3.3 定子永磁型無刷電動機(jī)835.3.4 永磁無刷電動機(jī)結(jié)構(gòu)比較855.4 永磁無刷電動機(jī)控制技術(shù)855.4.1 無刷直流和永磁同步運(yùn)行模式865.4.2 恒功率運(yùn)行865.4.3 效率最優(yōu)控制875.4.4 直接轉(zhuǎn)矩控制885.4.5 人工智能控制885.4.6 無位置傳感器控制885.4.7 控制策略比較895.5 永磁無刷電動機(jī)的發(fā)展方向91參考文獻(xiàn)92第6章 新型雙定子永磁無刷電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)966.1 概述966.1.1 雙定子及雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)的發(fā)展966.1.2 混合動力電動汽車起動發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)1006.2 雙定子永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理1026.3 雙定子永磁電動機(jī)的有限元分析1076.4 電動機(jī)狀態(tài)下雙閉環(huán)控制策略在有限元時(shí)步法中的實(shí)現(xiàn)1106.5 發(fā)電機(jī)狀態(tài)有限元時(shí)步法的實(shí)現(xiàn)1146.6 新型雙定子永磁無刷電動機(jī)與傳統(tǒng)永磁無刷電動機(jī)的比較117參考文獻(xiàn)120第7章 新型雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)1227.1 概述1227.2 雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)1237.2.1 雙定子爪極型雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)1237.2.2 6/4極雙凸極型雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)1247.2.3 12/8極雙凸極型雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)1257.2.4 新型外轉(zhuǎn)子型雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)1267.3 雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)1297.4 雙勵(lì)磁永磁無刷電動機(jī)與雙凸極永磁電動機(jī)的比較分析1317.4.1 電動機(jī)結(jié)構(gòu)分析和比較1317.4.2 分析方法1347.4.3 特性比較1357.5 應(yīng)用探討：起動發(fā)電機(jī)139參考文獻(xiàn)145第8章 新型記憶電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)1488.1 交流勵(lì)磁記憶電動機(jī)1488.2 新型直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)1508.2.1 鋁鎳鈷永磁體1518.2.2 直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理1548.2.3 直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)的有限元分析1588.3 直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)的驅(qū)動控制1648.3.1 直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)的調(diào)速控制1648.3.2 直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)的磁通控制1678.3.3 直流勵(lì)磁記憶電動機(jī)的弱磁擴(kuò)速1688.4 進(jìn)一步的研究170參考文獻(xiàn)170第9章 新型磁性齒輪永磁無刷復(fù)合電動機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)1729.1 概述1729.2 磁性齒輪1739.2.1 平行軸磁性齒輪1739.2.2 共軸磁性齒輪1749.3 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)1839.3.1 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)1849.3.2 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)的有限元時(shí)步法分析1859.4 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)的控制方法1889.4.1 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型1889.4.2 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)的動態(tài)仿真研究1899.4.3 永磁無刷復(fù)合電動機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證190參考文獻(xiàn)191第10章 新型電子無級變速傳輸驅(qū)動技術(shù)19410.1 概述19410.2 基于行星齒輪的ECVT系統(tǒng)19610.2.1 行星齒輪19610.2.2 PG-ECVT運(yùn)行模式19710.3 基于雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)的ECVT系統(tǒng)20010.4 基于雙定子永磁無刷層疊電動機(jī)的ECVT系統(tǒng)20410.4.1 雙定子永磁無刷層疊電動機(jī)20410.4.2 基于雙定子永磁無刷電動機(jī)的ECVT運(yùn)行模式20510.5 基于磁性齒輪的ECVT系統(tǒng)20710.5.1 可連續(xù)調(diào)速傳動的共軸磁性齒輪20810.5.2 基于磁性齒輪的ECVT系統(tǒng)20810.5.3 基于磁性齒輪的ECVT運(yùn)行模式209參考文獻(xiàn)210

章節(jié)摘錄

　　1.2.2 電動汽車的發(fā)展方向　　汽車誕生已經(jīng)100多年，經(jīng)歷了從歐洲的手工生產(chǎn)到美國的自動化生產(chǎn)再到日本的精益生產(chǎn)的發(fā)展過程。汽車的出現(xiàn)改變了世界，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改善了人們的生活，但是發(fā)展到今天，也帶來三大嚴(yán)重問題，即能源、環(huán)保和安全，這是可持續(xù)交通的三大挑戰(zhàn)，也是21世紀(jì)汽車革命的方向。　　為解決這些問題，科學(xué)家需要改造汽車的驅(qū)動動力和燃料，動力的改造包括研制新型發(fā)動機(jī)，革新發(fā)動機(jī)的燃燒及控制，提高其燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放。在燃料方面，要研發(fā)新型清潔燃料，諸如天然氣、液化氣、生物柴油、氫氣等。而在開發(fā)電動汽車方面，包括蓄電池純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車，可以有效地改造傳統(tǒng)汽車的動力設(shè)備，并且提高燃料的效率。因此，電動汽車是節(jié)省能源和促進(jìn)環(huán)保的現(xiàn)代汽車發(fā)展的主要方向。　　在過去存在這樣的認(rèn)識誤區(qū)，那就是蓄電池純電動汽車和燃料電池電動汽車由于可以實(shí)現(xiàn)低排放，甚至零排放而注定成為最終的研究方向，而混合動力電動汽車不過是當(dāng)前過渡階段的折中方案。但值得注意的是，雖然當(dāng)今石油價(jià)格一直居高不下，但是至少未來幾十年內(nèi)，市場依然可以得到較穩(wěn)定的石油供應(yīng)，燃油汽車的主導(dǎo)地位因此不會立即受到很大威脅。目前，各國政府、研究機(jī)構(gòu)和汽車制造商在電動汽車領(lǐng)域都投入了較大的力量，在很大程度上促進(jìn)了電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但這個(gè)推動的主要動力，是來自于政府部門對環(huán)境的關(guān)注，而不完全是能源問題，因此混合動力電動汽車才是目前電動汽車的主流?！　』旌蟿恿﹄妱悠嚨墓こ陶軐W(xué)是集成、優(yōu)化電動機(jī)驅(qū)動和發(fā)動機(jī)驅(qū)動，發(fā)揮電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)勢來彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)驅(qū)動的弱點(diǎn)，使發(fā)動機(jī)保持在最佳工況工作，取消怠速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動能量反饋?；旌蟿恿ο到y(tǒng)一定要發(fā)揮附加值，使電動機(jī)驅(qū)動和發(fā)動機(jī)驅(qū)動的結(jié)合不是簡單的1+1=2，而是要大于2。在中國“十五”計(jì)劃期間，電動汽車便列入“863”科技重大專項(xiàng)，隨著投資的增加和重視程度的提高，中國電動汽車在科研方面取得了很大成就，但與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距。在“十五”期間，中國已經(jīng)完成了電動汽車的功能樣車、性能樣車，并有小批量生產(chǎn)和示范運(yùn)行，目前已進(jìn)入推動產(chǎn)業(yè)化的階段。

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