纯电动和混合动力汽车机电控制技术

本书围绕着纯电动汽车、混合动力汽车的底盘机械电子系统的结构原理及控制策略，深入浅出地阐述了发动机系统、传动系统和混合动力系统等的基本原理及工作特性，并且结合整车动力学控制系统研究了这些子系统对整车性能的影响。内容循序渐进，简洁而又涵盖了该领域的主要内容。除了必要的理论知识，书中还提供了实际工程中遇到的实际问题，这也将有助于读者加深对内容的理解。

Amir Khajepour，现任加拿大滑铁卢大学终身教授，机械与机电学院汽车机电系统实验室主任，长期从事汽车机电系统、电动汽车、机器人及自动化等领域的学术研究，在其研究领域发表超过300篇论文，出版专著5部, 并3次获得佳靠前会议论文奖。独立创立两个新兴高科技公司，并拥有10项美国专利。基于其很好贡献和重要靠前学术影响力，被授予加拿大国家讲席教授(汽车机电系统方向)(Canada Research Chair，加拿大学术研究高荣誉称号)，加拿大工程学会会士，En-hui Yang工程研究创新奖，美国机械工程师学会(ASME)会士和加拿大机械工程师学会(CSME)会士。

译者序
原书前言
致谢
第1章车辆推进和动力总成技术简介1
1.1汽车发展史1
1.2内燃机汽车3
1.2.1四冲程汽油发动机5
1.2.2四冲程柴油发动机6
1.2.3内燃机的性能特点7
1.2.4内燃机汽车排放10
1.3车辆排放控制技术14
1.3.1先进的发动机设计14
1.3.2催化转换器17
1.3.3柴油颗粒滤清器19
1.3.4废气再循环20
1.3.5曲轴箱排放控制系统21
1.4替代燃料汽车22
1.4.1天然气汽车23
1.4.2液化石油气汽车24
1.4.3生物柴油25
1.4.4氢25
1.5动力总成技术26
1.5.1后轮驱动动力总成27
1.5.2前轮驱动动力总成27
1.5.3多轮驱动动力总成28
1.6变速器系统29
1.6.1手动变速器/变速驱动桥系统30
1.6.2自动变速器/变速驱动桥系统31
1.6.3自动化手动变速器34
1.6.4连续可变变速器34
1.7传动系统和差速器37
1.7.1开放式差速器37
1.7.2限滑差速器38
1.7.3锁止式差速器38
1.7.4分动箱差速器39
问题39
参考文献40
第2章纯电动和混合动力技术41
2.1概述41
2.2纯电动汽车41
2.2.1纯电动汽车的动力总成构造42
2.2.2牵引电动机46
2.2.3能源和储存49
2.2.4电力电子变换器54
2.2.5功率母线55
2.2.6制动回馈系统55
2.3燃料电池电动汽车56
2.3.1燃料电池技术58
2.4混合动力汽车62
2.4.1混合的程度63
2.4.2并联式混合动力结构64
2.4.3串联式混合动力结构69
2.4.4功率分流式结构70
2.4.5复合混合动力结构73
2.5插电式混合动力汽车74
2.6液压混合动力汽车76
2.7气动混合动力汽车78
2.8功率/能源管理系统80
2.9总结81
问题81
参考文献82
第3章车身和底盘技术及设计83
3.1概述83
3.2汽车的基本构造83
3.3车身和底盘基本原理84
3.3.1普通空间布局84
3.3.2设计标准86
3.3.3设计负载88
3.4不同结构的风格88
3.4.1车身和车架分离式构造88
3.4.2脊梁式结构89
3.4.3空间框架结构90
3.4.4一体式结构91
3.5车身和悬架材料94
3.5.1低碳钢94
3.5.2先进的高强度钢94
3.5.3有色金属95
3.5.4非金属材料95
3.5.5车身设计中的多材料应用95
3.6纯电动和混合动力汽车车身和底盘设计中的具体方案96
3.6.1空间布局96
3.6.2材料选择108
3.6.3动力学性能110
3.7纯电动和混合动力汽车的底盘系统110
3.7.1悬架系统110
3.7.2转向系统118
3.7.3制动系统123
问题128
参考文献130
第4章车辆动力学基本原理131
4.1概述131
4.2概念和术语131
4.2.1车辆动力学的评估标准131
4.2.2重量和尺寸132
4.3车辆运动学134
4.3.1车辆坐标系134
4.3.2车辆运动135
4.3.3纵向和侧向滑移136
4.3.4平面车辆运动学139
4.3.5三维车辆动力学141
4.3.6车辆力和力矩147
4.4轮胎力学和建模150
4.4.1轮胎特性曲线151
4.4.2轮胎模型155
4.4.3魔术轮胎模型157
问题157
参考文献158
第5章纯电动和混合动力汽车动力总成部件的模型及特性159
5.1概述159
5.2内燃机性能特征159
5.2.1功率和扭矩的产生160
5.2.2平均有效压力161
5.2.3特殊燃料消耗162
5.2.4燃料转化效率165
5.2.5机械效率166
5.2.6空燃比166
5.2.7容积效率167
5.2.8压缩比167
5.2.9特殊排放168
5.2.10内燃机性能参数间的关系168
5.3电动机性能特性170
5.3.1动力和转矩的产生170
5.3.2效率171
5.3.3直流电动机174
5.3.4异步交流电动机176
5.3.5稳态性能分析177
5.3.6永磁交流电动机182
5.4电池性能特性184
5.4.1电池容量184
5.4.2开路和终端电压185
5.4.3充电/放电速率186
5.4.4荷电/放电状态187
5.4.5放电深度188
5.4.6电池能量密度和比能量189
5.4.7电池功率密度和比功率190
5.4.8电池效率191
5.5变速器和传动系统特性192
5.5.1变速器192
5.5.2行星齿轮组193
5.5.3V带无级变速器198
5.5.4动力传动系统损失199
5.6再生制动特性200
5.7驾驶循环201
5.7.1美国环境保护署驾驶循环202
5.7.2欧洲NEDC驾驶循环205
5.7.3日本10-15模式驾驶循环205
问题207
参考文献209
第6章纯电动和混合动力汽车驱动和制动的建模与分析210
6.1概述210
6.2纵向动力学运动方程210
6.3车辆动力系统的建模和分析212
6.3.1内燃机汽车212
6.3.2电动汽车221
6.3.3混合动力汽车225
6.4车辆制动的建模和分析229
问题234
第7章纯电动和混合动力汽车的操纵性能分析237
7.1概述237
7.2简化的操纵模型237
7.2.1单轨线性操纵性分析模型237
7.2.2操纵性理论分析241
7.2.3侧倾和俯仰动力模型249
7.3对比纯电动和混合动力汽车的操纵模型254
7.3.1汽车运动学模型254
7.3.2轮胎模型256
7.3.3动力和车轮动力学模型257
7.3.4仿真研究260
问题263
参考文献264
第8章能量/电源分配与管理265
8.1概述265
8.2功率/能量管理控制器265
8.3基于规则的控制策略266
8.3.1基于确定规则的控制策略266
8.3.2基于模糊规则的控制策略285
8.3.3插电式混合动力汽车基于规则的控制策略286
8.4基于最优化的控制策略286
8.4.1优化问题陈述288
8.4.2全局能源/电源管理优化291
8.4.3实时能源/电源管理优化291
8.4.4优化技术292
参考文献311
第9章纯电动和混合动力汽车的动力学控制312
9.1概述312
9.2汽车动力学控制系统基础312
9.2.1驾驶员、车辆和环境312
9.2.2汽车动力学控制系统工作原理317
9.2.3汽车动力学控制系统分类318
9.3汽车动力学控制在纯电动和混合动力汽车中的应用331
9.3.1控制系统结构332
9.3.2控制系统设计333
9.3.3仿真分析340
问题347
参考文献348

原书前言
    出于对环境、健康和有限化石燃料的考虑，越来越多的地方实行了更加严格的排放法规，例如美国的2020 CAFE标准，并且引发了全世界汽车政策的巨大转变。在不牺牲性能、性价比和安全等条件下，需要新的技术产品来提高燃料经济性，降低有害的尾气排放。
    纯电动和混合动力汽车（EV和HEV）被认为是解决全球能源危机和环境保护、汽车安全性等问题最可行和有效的解决方案。然而电动汽车系统的设计中有相当多的困难和挑战，特别是底盘传动系统的设计和布局、多动力系统的管理和优化、系统一体化和汽车运动控制等。
    纯电动和混合动力汽车是一个复杂的机电系统；其设计需要整体考虑车辆的轮胎动力特性、电动机和电池、控制和模型估计等，这都需要写成成千上万行的计算机代码。目前在纯电动和混合动力汽车平台的电控方面已经出版了一些不错的书籍。本书结合之前的出版物并且加以扩展，从系统设计层面结合了电子、控制、动力特性等方面，为读者呈现了一个更为广阔的视角。本书着重分析汽车的动力学特性以及这些特性是如何受到了汽车电动化的影响。
    本书适用于不同层次的教学课程，也可以作为动力学、电子和控制工程从业人员的参考书。授课教师可以针对不同背景的学生对本书内容加以调整。一些简介性质的章节对路上常见汽车的驱动系统、动力系统、车身和底盘以及从传统汽车到混合动力汽车和纯电动汽车技术的发展的重要背景做了介绍。有着电子控制工程的基础但是在汽车和机械工程应用领域知识相对薄弱的读者能够从前面的章节学到比较有用的内容，而汽车领域的读者可以从后面的章节学到混合动力汽车和纯电动汽车能源管理和优化以及车辆控制方面的内容。