本书系统地分析了新能源汽车用驱动电机及控制技术, 分别为: 直流电机及控制技术、直流无刷电机及控制技术、交流异步电机及控制技术和永磁同步电机及控制技术。在详细叙述之前还简要介绍了电磁学、电力电子技术和控制技术的基础知识。
本书可作为新能源汽车技术、汽车电子技术、机电一体化、电气工程等相关专业的教材, 也可用作电动汽车维修行业员工的培训教材或电机相关工程技术人员的参考书
当今关于环保和能源的问题备受关注,为解决这些问题,新能源汽车呈现出加速发展的趋势。驱动电机控制系统是新能源电动汽车动力系统的核心关键部件,而且必须适应新能源电动汽车极为苛刻的工况。随着新能源电动汽车的技术发展和产业发展,急需驱动电机及控制技术方面专业书籍来培训高校学生和相关技术人员,用于指导科研和生产实践。
本书结合目前新能源电动汽车用驱动电机的主流技术,并结合编者多年来车用驱动电机及其控制系统的开发、应用和培训经验,全面系统地分析了驱动电机及控制技术。全书共分8章。第1章阐述了新能源汽车用驱动电机及其控制技术的概况; 第2~4章分别介绍了电磁学、电力电子技术和控制技术基础知识; 第5~8章分别系统地分析了新能源电动汽车用直流电机及控制技术、直流无刷电机及控制技术、交流异步电机及控制技术和永磁同步电机及控制技术。
作为全国高职示范院校,在长期办学实践中我们深深感到高职教材的编写一定要与专业培养目标定位相适应,在内容上与市场岗位需求保持高度一致,注重培养学生的学习能力、分析能力及创新能力。本书主要突出以下特色: ①将培养学生的学习能力、分析能力及创新能力放在首位; ②在强调基础知识与基本技能训练的同时,特别注重理论与实践相结合,为学生未来的职业发展打下坚实的基础; ③力求图文并茂。
本书由深圳职业技术学院朱小春副教授主编。全书由深圳职业技术学院贺萍教授主审。在本书的编写过程中,参考了较多的同类专著、教材和有关文献资料,在此对有关作者表示感谢。
由于编者水平所限,书中必定有不妥和错误之处,恳请读者提出宝贵意见。
编者2017年4月
第1章绪论
1.1新能源汽车概述
1.1.1新能源汽车的定义及分类
1.1.2电动汽车的关键技术
1.2电动汽车电机驱动概述
1.2.1电动汽车用电机的使用环境与要求
1.2.2电动汽车电机驱动系统的组成与类型
1.3电机控制技术概述
1.3.1电机控制技术的发展
1.3.2电机控制技术的研究现状
思考题与练习题
第2章电磁学基础知识
2.1电磁学基本概念
2.1.1电路的基本概念
2.1.2磁场的基本概念
2.2电机磁路理论基础
2.2.1磁场与磁能
2.2.2机电能量转换
2.2.3电磁转矩的控制
思考题与练习题
第3章电力电子技术基础知识
3.1电力电子技术概述
3.1.1电力电子器件简介
3.1.2变换电路与控制技术简介
3.2电力电子器件
3.2.1电力二极管
3.2.2晶闸管
3.2.3电力晶体管
3.2.4电力场效应晶体管
3.2.5绝缘栅双极晶体管
3.3电力电子变换电路
3.3.1可控整流电路
3.3.2直流变换电路
3.3.3逆变电路
3.4电力电子器件的驱动电路
3.4.1GTR基极驱动电路
3.4.2MOSFET栅极驱动电路
3.4.3IGBT栅极驱动电路
思考题与练习题
第4章控制技术基础知识
4.1控制理论基础
4.1.1自动控制系统的基本概念
4.1.2控制系统的数学模型
4.1.3线性系统的时域分析法
4.1.4线性离散系统
4.2微控制器基础
4.2.1PWM概述
4.2.2PWM结构和原理
4.2.3PWM的操作设置
4.2.4PWM的应用与实例
思考题与练习题
第5章直流电机及控制技术
5.1直流电机的基本原理
5.1.1直流电机的工作原理及结构
5.1.2直流电机的磁场分析
5.1.3直流电机基本方程式及工作特性
5.2直流电机的拖动原理
5.2.1直流电机的机械特性
5.2.2直流电机的起动
5.2.3直流电机的调速
5.2.4直流电机的电动与制动运行
5.3直流电机的功率变换器
5.3.1功率变换器概述
5.3.2直流电机的PWM变换器
5.4直流电机的控制技术
5.4.1直流电机转速负反馈单闭环控制系统
5.4.2直流电机转速电流双闭环控制系统
5.4.3直流电机调速控制系统实例
思考题与练习题
第6章直流无刷电机及控制技术
6.1直流无刷电机的基本原理
6.1.1直流无刷电机的基本结构及工作原理
6.1.2直流无刷电机的位置传感器
6.1.3直流无刷电机的电子换相器
6.2直流无刷电机的数学模型及特性分析
6.2.1直流无刷电机的数学模型和传递函数
6.2.2直流无刷电机的特性分析
6.3直流无刷电机的控制技术
6.3.1直流无刷电机的控制技术概述
6.3.2直流无刷电机的起停控制和软起动
6.3.3直流无刷电机的换相控制
6.3.4直流无刷电机的调速控制
6.3.5直流无刷电机的制动控制
6.3.6直流无刷电机的闭环控制
6.4直流无刷电机的调速控制系统实例
6.4.1硬件系统
6.4.2控制系统
6.4.3基本控制方法
思考题与练习题
第7章交流异步电机及控制技术
7.1三相异步电机的基本结构和工作原理
7.1.1三相异步电机的基本结构
7.1.2三相异步电机的工作原理
7.2交流电机的绕组、电动势和磁动势
7.2.1交流电机的绕组
7.2.2交流电机绕组的电动势
7.2.3交流电机绕组的磁动势
7.3三相异步电机的运行分析
7.3.1三相异步电机的空载运行
7.3.2三相异步电机的负载运行
7.3.3三相异步电机的功率和转矩平衡方程式
7.3.4三相异步电机的工作特性
7.4三相异步电机的拖动原理
7.4.1三相异步电机的机械特性
7.4.2三相异步电机的起动
7.4.3三相异步电机的调速
7.4.4三相异步电机的制动
7.5三相异步电机的调速控制系统
7.5.1常用的几种驱动变换电路
7.5.2异步电机转速开环控制系统
7.5.3异步电机转速闭环控制系统
7.5.4异步电机矢量调速控制系统
思考题与练习题
第8章交流同步电机及控制技术
8.1永磁同步电机的基本结构和工作原理
8.1.1永磁电机的转子结构
8.1.2永磁同步电机的工作原理
8.2永磁同步电机的电磁关系及特性分析
8.2.1永磁同步电机的磁动势分析
8.2.2永磁同步电机的电动势分析
8.2.3永磁同步电机的功率关系与功角(矩角)特性
8.3永磁同步电机的控制技术
8.3.1永磁同步电机的起动和制动
8.3.2永磁同步电机的调速控制系统
8.4永磁同步电机在电动汽车中的应用
8.4.1电机驱动系统概述
8.4.2电机驱动系统的组成与工作原理
思考题与练习题
参考文献
第1章绪论
在新能源汽车中,一般情况下是电机取代发动机并在电机控制器的控制下,将电能转换为机械能来驱动汽车行驶。其中,在纯电动汽车、太阳能电动汽车和燃料电池电动汽车中,电机是唯一驱动装置; 在混合动力汽车中,电机是主要或者辅助动力装置。新能源汽车与普通燃油汽车最主要的区别就在于电机驱动系统。
新能源汽车的电机驱动系统主要由电气系统和机械系统组成。其中,电气系统由电机、功率转换器和电子控制器三个子系统构成,机械系统则由机械传动和车轮等构成。在电气系统和机械系统的连接过程中,机械系统是可选的,有些新能源汽车的电机是装在轮毂上直接驱动车轮运动的。
1.1新能源汽车概述
1.1.1新能源汽车的定义及分类
新能源汽车的定义: 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进,具有新技术、新结构的汽车。
新能源汽车一般包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车等。此外,还有其他类型的新能源汽车。
1. 纯电动汽车
纯电动汽车(battery electric vehicle,BEV)是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车,它利用蓄电池作为储能动力源,通过电池向电机提供电能,驱动电机运转,从而推动汽车行驶。
2. 增程式电动汽车
增程式电动汽车是一种配有地面充电和车载供电功能的纯电驱动的电动汽车,其运行模式可以根据需要处于纯电动模式、增程模式或混合动力模式,是介于纯电动汽车和混合动力汽车之间的一种过渡车型,具有纯电动汽车和混合动力汽车的特征,有人把它划分为纯电动汽车范畴,也有人把它划分为混合动力汽车范畴,认为它是一种插电式串联混合动力汽车。
3. 混合动力汽车
混合动力汽车(hybrid electric vehicle,HEV)是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆,车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同,混合动力汽车有多种形式。混合动力汽车一般又分为常规混合动力汽车和插电式混合动力汽车,下文不做特殊说明的混合动力汽车主要是指常规混合动力汽车。
4. 燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车(fuel cell electric vehicle,FCEV)一般采用氢燃料电池,即利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下,在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车实质上是纯电动汽车的一种,主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说,燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能,电化学反应所需的还原剂一般采用氢气,氧化剂则采用氧气,因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料,氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。
5. 其他新能源汽车
其他新能源汽车包括使用超级电容器、飞轮等高效储能器的汽车。
目前在我国,新能源汽车主要是指纯电动汽车、增程式电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车,常规混合动力汽车被归为节能汽车。故新能源汽车通常也可称为电动汽车。
1.1.2电动汽车的关键技术
电动汽车按动力系统的电气化水平分为两类: 一类是全部或大部分工况下主要由电机提供驱动功率的电动汽车(称为“纯电驱动”电动汽车,例如纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车以及燃料电池电动汽车); 另一类是动力电池容量较小,大部分工况下主要由内燃机提供驱动功率的电动汽车(称为常规混合动力汽车)。从培育战略性新兴产业角度看,发展电气化程度比较高的“纯电驱动”电动汽车是我国新能源汽车技术的发展方向和重中之重。