本書系統地分析了新能源汽車用驅動電機及控制技術, 分別為: 直流電機及控制技術、直流無刷電機及控制技術、交流異步電機及控制技術和永磁同步電機及控制技術。在詳細敘述之前還簡要介紹了電磁學、電力電子技術和控制技術的基礎知識。
本書可作為新能源汽車技術、汽車電子技術、機電一體化、電氣工程等相關專業的教材, 也可用作電動汽車維修行業員工的培訓教材或電機相關工程技術人員的參考書
當今關于環保和能源的問題備受關注,為解決這些問題,新能源汽車呈現出加速發展的趨勢。驅動電機控制系統是新能源電動汽車動力系統的核心關鍵部件,而且必須適應新能源電動汽車極為苛刻的工況。隨著新能源電動汽車的技術發展和產業發展,急需驅動電機及控制技術方面專業書籍來培訓高校學生和相關技術人員,用于指導科研和生產實踐。
本書結合目前新能源電動汽車用驅動電機的主流技術,并結合編者多年來車用驅動電機及其控制系統的開發、應用和培訓經驗,全面系統地分析了驅動電機及控制技術。全書共分8章。第1章闡述了新能源汽車用驅動電機及其控制技術的概況; 第2~4章分別介紹了電磁學、電力電子技術和控制技術基礎知識; 第5~8章分別系統地分析了新能源電動汽車用直流電機及控制技術、直流無刷電機及控制技術、交流異步電機及控制技術和永磁同步電機及控制技術。
作為全國高職示范院校,在長期辦學實踐中我們深深感到高職教材的編寫一定要與專業培養目標定位相適應,在內容上與市場崗位需求保持高度一致,注重培養學生的學習能力、分析能力及創新能力。本書主要突出以下特色: ①將培養學生的學習能力、分析能力及創新能力放在首位; ②在強調基礎知識與基本技能訓練的同時,特別注重理論與實踐相結合,為學生未來的職業發展打下堅實的基礎; ③力求圖文并茂。
本書由深圳職業技術學院朱小春副教授主編。全書由深圳職業技術學院賀萍教授主審。在本書的編寫過程中,參考了較多的同類專著、教材和有關文獻資料,在此對有關作者表示感謝。
由于編者水平所限,書中必定有不妥和錯誤之處,懇請讀者提出寶貴意見。
編者2017年4月
第1章緒論
1.1新能源汽車概述
1.1.1新能源汽車的定義及分類
1.1.2電動汽車的關鍵技術
1.2電動汽車電機驅動概述
1.2.1電動汽車用電機的使用環境與要求
1.2.2電動汽車電機驅動系統的組成與類型
1.3電機控制技術概述
1.3.1電機控制技術的發展
1.3.2電機控制技術的研究現狀
思考題與練習題
第2章電磁學基礎知識
2.1電磁學基本概念
2.1.1電路的基本概念
2.1.2磁場的基本概念
2.2電機磁路理論基礎
2.2.1磁場與磁能
2.2.2機電能量轉換
2.2.3電磁轉矩的控制
思考題與練習題
第3章電力電子技術基礎知識
3.1電力電子技術概述
3.1.1電力電子器件簡介
3.1.2變換電路與控制技術簡介
3.2電力電子器件
3.2.1電力二極管
3.2.2晶閘管
3.2.3電力晶體管
3.2.4電力場效應晶體管
3.2.5絕緣柵雙極晶體管
3.3電力電子變換電路
3.3.1可控整流電路
3.3.2直流變換電路
3.3.3逆變電路
3.4電力電子器件的驅動電路
3.4.1GTR基極驅動電路
3.4.2MOSFET柵極驅動電路
3.4.3IGBT柵極驅動電路
思考題與練習題
第4章控制技術基礎知識
4.1控制理論基礎
4.1.1自動控制系統的基本概念
4.1.2控制系統的數學模型
4.1.3線性系統的時域分析法
4.1.4線性離散系統
4.2微控制器基礎
4.2.1PWM概述
4.2.2PWM結構和原理
4.2.3PWM的操作設置
4.2.4PWM的應用與實例
思考題與練習題
第5章直流電機及控制技術
5.1直流電機的基本原理
5.1.1直流電機的工作原理及結構
5.1.2直流電機的磁場分析
5.1.3直流電機基本方程式及工作特性
5.2直流電機的拖動原理
5.2.1直流電機的機械特性
5.2.2直流電機的起動
5.2.3直流電機的調速
5.2.4直流電機的電動與制動運行
5.3直流電機的功率變換器
5.3.1功率變換器概述
5.3.2直流電機的PWM變換器
5.4直流電機的控制技術
5.4.1直流電機轉速負反饋單閉環控制系統
5.4.2直流電機轉速電流雙閉環控制系統
5.4.3直流電機調速控制系統實例
思考題與練習題
第6章直流無刷電機及控制技術
6.1直流無刷電機的基本原理
6.1.1直流無刷電機的基本結構及工作原理
6.1.2直流無刷電機的位置傳感器
6.1.3直流無刷電機的電子換相器
6.2直流無刷電機的數學模型及特性分析
6.2.1直流無刷電機的數學模型和傳遞函數
6.2.2直流無刷電機的特性分析
6.3直流無刷電機的控制技術
6.3.1直流無刷電機的控制技術概述
6.3.2直流無刷電機的起停控制和軟起動
6.3.3直流無刷電機的換相控制
6.3.4直流無刷電機的調速控制
6.3.5直流無刷電機的制動控制
6.3.6直流無刷電機的閉環控制
6.4直流無刷電機的調速控制系統實例
6.4.1硬件系統
6.4.2控制系統
6.4.3基本控制方法
思考題與練習題
第7章交流異步電機及控制技術
7.1三相異步電機的基本結構和工作原理
7.1.1三相異步電機的基本結構
7.1.2三相異步電機的工作原理
7.2交流電機的繞組、電動勢和磁動勢
7.2.1交流電機的繞組
7.2.2交流電機繞組的電動勢
7.2.3交流電機繞組的磁動勢
7.3三相異步電機的運行分析
7.3.1三相異步電機的空載運行
7.3.2三相異步電機的負載運行
7.3.3三相異步電機的功率和轉矩平衡方程式
7.3.4三相異步電機的工作特性
7.4三相異步電機的拖動原理
7.4.1三相異步電機的機械特性
7.4.2三相異步電機的起動
7.4.3三相異步電機的調速
7.4.4三相異步電機的制動
7.5三相異步電機的調速控制系統
7.5.1常用的幾種驅動變換電路
7.5.2異步電機轉速開環控制系統
7.5.3異步電機轉速閉環控制系統
7.5.4異步電機矢量調速控制系統
思考題與練習題
第8章交流同步電機及控制技術
8.1永磁同步電機的基本結構和工作原理
8.1.1永磁電機的轉子結構
8.1.2永磁同步電機的工作原理
8.2永磁同步電機的電磁關系及特性分析
8.2.1永磁同步電機的磁動勢分析
8.2.2永磁同步電機的電動勢分析
8.2.3永磁同步電機的功率關系與功角(矩角)特性
8.3永磁同步電機的控制技術
8.3.1永磁同步電機的起動和制動
8.3.2永磁同步電機的調速控制系統
8.4永磁同步電機在電動汽車中的應用
8.4.1電機驅動系統概述
8.4.2電機驅動系統的組成與工作原理
思考題與練習題
參考文獻
第1章緒論
在新能源汽車中,一般情況下是電機取代發動機并在電機控制器的控制下,將電能轉換為機械能來驅動汽車行駛。其中,在純電動汽車、太陽能電動汽車和燃料電池電動汽車中,電機是唯一驅動裝置; 在混合動力汽車中,電機是主要或者輔助動力裝置。新能源汽車與普通燃油汽車最主要的區別就在于電機驅動系統。
新能源汽車的電機驅動系統主要由電氣系統和機械系統組成。其中,電氣系統由電機、功率轉換器和電子控制器三個子系統構成,機械系統則由機械傳動和車輪等構成。在電氣系統和機械系統的連接過程中,機械系統是可選的,有些新能源汽車的電機是裝在輪轂上直接驅動車輪運動的。
1.1新能源汽車概述
1.1.1新能源汽車的定義及分類
新能源汽車的定義: 新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源(或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置),綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術,形成的技術原理先進,具有新技術、新結構的汽車。
新能源汽車一般包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車等。此外,還有其他類型的新能源汽車。
1. 純電動汽車
純電動汽車(battery electric vehicle,BEV)是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車,它利用蓄電池作為儲能動力源,通過電池向電機提供電能,驅動電機運轉,從而推動汽車行駛。
2. 增程式電動汽車
增程式電動汽車是一種配有地面充電和車載供電功能的純電驅動的電動汽車,其運行模式可以根據需要處于純電動模式、增程模式或混合動力模式,是介于純電動汽車和混合動力汽車之間的一種過渡車型,具有純電動汽車和混合動力汽車的特征,有人把它劃分為純電動汽車范疇,也有人把它劃分為混合動力汽車范疇,認為它是一種插電式串聯混合動力汽車。
3. 混合動力汽車
混合動力汽車(hybrid electric vehicle,HEV)是指驅動系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系聯合組成的車輛,車輛的行駛功率依據實際的車輛行駛狀態由單個驅動系單獨或多個驅動系共同提供。因各個組成部件、布置方式和控制策略的不同,混合動力汽車有多種形式。混合動力汽車一般又分為常規混合動力汽車和插電式混合動力汽車,下文不做特殊說明的混合動力汽車主要是指常規混合動力汽車。
4. 燃料電池電動汽車
燃料電池電動汽車(fuel cell electric vehicle,FCEV)一般采用氫燃料電池,即利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下,在燃料電池中經電化學反應產生的電能作為主要動力源驅動的汽車。燃料電池電動汽車實質上是純電動汽車的一種,主要區別在于動力電池的工作原理不同。一般來說,燃料電池是通過電化學反應將化學能轉化為電能,電化學反應所需的還原劑一般采用氫氣,氧化劑則采用氧氣,因此最早開發的燃料電池電動汽車多是直接采用氫燃料,氫氣的儲存可采用液化氫、壓縮氫氣或金屬氫化物儲氫等形式。
5. 其他新能源汽車
其他新能源汽車包括使用超級電容器、飛輪等高效儲能器的汽車。
目前在我國,新能源汽車主要是指純電動汽車、增程式電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車,常規混合動力汽車被歸為節能汽車。故新能源汽車通常也可稱為電動汽車。
1.1.2電動汽車的關鍵技術
電動汽車按動力系統的電氣化水平分為兩類: 一類是全部或大部分工況下主要由電機提供驅動功率的電動汽車(稱為“純電驅動”電動汽車,例如純電動汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車以及燃料電池電動汽車); 另一類是動力電池容量較小,大部分工況下主要由內燃機提供驅動功率的電動汽車(稱為常規混合動力汽車)。從培育戰略性新興產業角度看,發展電氣化程度比較高的“純電驅動”電動汽車是我國新能源汽車技術的發展方向和重中之重。