電動汽車的驅(qū)動與控制

前言

　　2009年12月7日至18日在丹麥首都哥本哈根Bella.中心舉行了聯(lián)合國氣候變化峰會。人們從會議的規(guī)模、級別，以及會議發(fā)出的激烈的爭吵聲中強烈地意識到，解決全球氣候變暖的問題已刻不容緩。事實上，這只是21世紀人類所面臨的三大難題之一，環(huán)境污染與能源危機同樣是我們發(fā)展路上的絆腳石。目前能夠采取的破解之道就是要借助法律、道德和技術(shù)的力量，實現(xiàn)綜合治理、協(xié)調(diào)發(fā)展。從技術(shù)層面上看，就是要引領(lǐng)世界走低碳經(jīng)濟的道路。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，開發(fā)與利用新能源汽車是可行的措施之一?！　∥覈浅Ｖ匾暟l(fā)展包括電動汽車在內(nèi)的新能源汽車。目前已經(jīng)在13個城市開展了電動汽車產(chǎn)業(yè)化示范運營工作，這項活動的開展大大推動了我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)化的開展，有關(guān)電動汽車的理論研究也必須跟上步伐，兩者相輔相成才能產(chǎn)生自主知識產(chǎn)權(quán)，推動我國電動汽車技術(shù)的良性發(fā)展。因此，將控制理論、電力電子、新能源等技術(shù)和電動汽車技術(shù)相融合，促進電動汽車理論和技術(shù)的進步，也是必須進行的一項關(guān)鍵性工作?！　‖F(xiàn)代電動汽車控制技術(shù)是提高電動汽車實用性的一個關(guān)鍵技術(shù)。編著者及其團隊在多年的研究過程中積累了一些學(xué)術(shù)成果和經(jīng)驗體會。為了給有關(guān)同仁在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)的研究方面提供一些參考，并借此拋磚引玉，推動控制理論和技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，編著者在已有的研究成果的基礎(chǔ)上，對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)及其控制技術(shù)進一步充實和擴展，整理出版了這本書?！　”緯奶攸c是研究成果比較豐富，理論聯(lián)系實際，在注重理論闡述的前提下，力圖做到深入淺出、圖文并茂，增強了本書的實用性，比較全面地反映了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀。全書內(nèi)容分為10章，主要闡述電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)，如電動機、功率變換器和系統(tǒng)控制器的設(shè)計方法。除第3章和第4章外，其他主要或全部內(nèi)容均為編著者及其研究團隊在將現(xiàn)代控制理論與技術(shù)融合到電動汽車控制技術(shù)研究中取得的成果。書中所有的控制器方案都是針對實際驅(qū)動系統(tǒng)中出現(xiàn)的真實情況提出來的，因而具有很強的針對性；另外，所有控制器方案都以實際的被控對象為背景進行了仿真檢驗或?qū)嶒烌炞C，其可行性是有保證的?！　”緯难芯砍晒蛻?yīng)用實例可以幫助讀者加深對現(xiàn)代控制理論與技術(shù)的理解和掌握，進而將其應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。因此，本書可供電動汽車及其相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和科研人員設(shè)計時使用或參考，也可作為高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)碩士研究生的教材。

內(nèi)容概要

　　比較全面地介紹了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀，闡述了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、驅(qū)動電動機技術(shù)、功率變換技術(shù)、傳感器技術(shù)及相關(guān)的建模與仿真技術(shù)。針對純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)進行建模，對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制的穩(wěn)定性問題和控制策略進行了深入研究。根據(jù)兩款電動轎車驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)，建立了簡化的被控對象數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了PID控制器、自適應(yīng)控制器、模糊控制器和預(yù)測控制器，利用數(shù)值仿真進行比較分析并研究了其控制性能。書中融入了編著者近期的研究成果，對于電動汽車設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義?！　　峨妱悠嚨尿?qū)動與控制》理論聯(lián)系實際，研究成果比較豐富，深入淺出、圖文并茂，可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生教材及本科生參考用書，也可供電動汽車及其相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和科研人員參考。

書籍目錄

第1章 電動汽車的發(fā)展1.1 環(huán)境、能源與汽車1.1.1 汽車引起的環(huán)境問題1.1.2 世界能源危機1.1.3 節(jié)能環(huán)保的電動汽車1.2 電動汽車及其分類1.2.1 純電動汽車1.2.2 燃料電池電動汽車1.2.3 混合動力電動汽車1.3 電動汽車的發(fā)展簡史1.3.1 早期電動汽車的發(fā)展1.3.2 燃料電池電動汽車的問世1.3.3 混合動力電動汽車的興起1.4 電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀參考文獻第2章 電動汽車的基本原理2.1 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)2.1.1 電動汽車的系統(tǒng)組成2.1.2 電動汽車的結(jié)構(gòu)形式2.2 電動汽車的基本原理2.2.1 車輛動力學(xué)2.2.2 車輛的性能2.2.3 電動汽車的性能2.3 電動汽車的典型工況與性能指標參考文獻第3章 驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制與性能分析3.1 閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)的概念3.1.1 運動與系統(tǒng)3.1.2 驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制3.2 驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程3.2.1 典型Ⅰ型驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.2.2 典型Ⅰ型驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)過程3.3 驅(qū)動系統(tǒng)的性能分析3.3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的性能3.3.2 驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能指標3.3.3 驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標3.3.4 驅(qū)動系統(tǒng)的頻域性能指標3.3.5 典型二階驅(qū)動系統(tǒng)的性能與參數(shù)的關(guān)系3.3.6 閉環(huán)頻域性能指標與時域性能指標的關(guān)系參考文獻第4章 驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性4.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其判據(jù)4.1.1 穩(wěn)定性的基本概念4.1.2 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件4.1.3 勞斯穩(wěn)定判據(jù)4.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性理論4.2.1 李雅普諾夫穩(wěn)定性定義4.2.2 穩(wěn)定性的直接判據(jù)4.2.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性定理4.2.4 線性離散系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析4.3 系統(tǒng)的魯棒性分析4.3.1 H2性能4.3.2 H∞性能參考文獻第5章 驅(qū)動電動機的工作原理與性能5.1 驅(qū)動系統(tǒng)對電動機的要求5.2 直流電動機5.2.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)5.2.2 直流電動機的工作原理5.2.3 直流電動機的運行特性5.3 交流電動機5.3.1 交流電動機的結(jié)構(gòu)5.3.2 交流電動機的工作原理5.3.3 交流電動機的運行特性5.4 永磁無刷電動機5.4.1 永磁無刷電動機的結(jié)構(gòu)5.4.2 永磁無刷直流電動機的工作原理5.4.3 永磁無刷直流電動機的運行特性5.4.4 永磁無刷電動機的數(shù)學(xué)模型5.4.5 永磁無刷直流電動機的調(diào)速原理5.4.6 無刷直流電動機的調(diào)速方法和機械特性5.5 開關(guān)磁阻電動機5.5.1 開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)5.5.2 開關(guān)磁阻電動機的工作原理5.5.3 開關(guān)磁阻電動機的運行特性5.6 驅(qū)動系統(tǒng)電動機的選擇參考文獻第6章 電動汽車動力電源6.1 動力電池模型的分類6.2 電動汽車電池的基本參數(shù)6.3 電動汽車常用的電池6.4 電動汽車動力電池的應(yīng)用與維護參考文獻第7章 電動汽車功率變換技術(shù)7.1 功率變換器概述7.1.1 一般功率變換器技術(shù)7.1.2 一般功率變換器分類7.1.3 功率變換器的主要拓撲結(jié)構(gòu)7.2 電動車用功率變換器7.2.1 高功率密度功率變換器7.2.2 DSPM功率變換器7.2.3 大功率移相調(diào)寬功率變換器7.3 電動汽車功率變換器的抗干擾(電磁兼容)設(shè)計7.3.1 電動車用功率變換器抗干擾問題的提出7.3.2 功率變換器電磁干擾產(chǎn)生的原因7.3.3 功率變換器電磁干擾的輻射與傳導(dǎo)7.3.4 功率變換器的抗干擾設(shè)計7.4 具有制動能量回饋能力的功率變換器技術(shù)7.4.1 制動能量回收的技術(shù)要求7.4.2 具有制動能量回饋能力的功率變換器設(shè)計7.4.3 超級電容技術(shù)在電動汽車能量回收系統(tǒng)中的應(yīng)用參考文獻第8章 汽車傳感器8.1 汽車傳感器基本知識8.1.1 汽車傳感器的歷史8.1.2 汽車傳感器的發(fā)展趨勢8.1.3 電動汽車傳感器8.1.4 電動汽車傳感器的組成與分類8.1.5 電動汽車傳感器的性能與要求8.2 速度傳感器8.2.1 轉(zhuǎn)速傳感器8.2.2 車速傳感器8.2.3 輪速傳感器8.3 轉(zhuǎn)向傳感器8.4 電壓、電流傳感器8.4.1 霍爾元件式電壓、電流傳感器8.4.2 分流電阻式電流傳感器8.5 電池溫度傳感器8.6 扭矩傳感器參考文獻第9章 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的建模與仿真9.1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的組成9.1.1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.1.2 電動機9.1.3 逆變器9.2 整車模型的建立9.2.1 循環(huán)工況模型9.2.2 駕駛員模型9.2.3 車輛動力學(xué)模型9.2.4 傳動系統(tǒng)模型9.2.5 動力系統(tǒng)模型9.3 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的仿真技術(shù)9.3.1 電動汽車仿真的意義9.3.2 電動汽車仿真結(jié)構(gòu)及特點9.3.3 電動汽車仿真軟件參考文獻第10章 驅(qū)動系統(tǒng)控制器設(shè)計與應(yīng)用10.1 燃料電池汽車直流驅(qū)動系統(tǒng)建模及其PID控制10.1.1 燃料電池汽車10.1.2 直流驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型10.1.3 PID控制器10.2 燃料電池汽車直流驅(qū)動系統(tǒng)自適應(yīng)控制器設(shè)計10.2.1 模型參考自適應(yīng)控制的基本理論10.2.2 直流驅(qū)動系統(tǒng)自適應(yīng)控制器設(shè)計10.3 基于滑模的直流驅(qū)動系統(tǒng)廣義預(yù)測控制器設(shè)計10.3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的CARMA模型10.3.2 具有終端滑模等式約束的廣義預(yù)測控制10.3.3 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性10.3.4 控制性能研究10.4 直流驅(qū)動系統(tǒng)滾動時域H∞控制器設(shè)計10.4.1 驅(qū)動系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型10.4.2 約束系統(tǒng)的滾動時域H∞跟蹤控制10.4.3 仿真研究10.5 電動轎車交流驅(qū)動系統(tǒng)的自適應(yīng)控制器設(shè)計10.5.1 電動轎車交流驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型10.5.2 連續(xù)系統(tǒng)的模型參考自適應(yīng)控制策略10.6 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的連續(xù)預(yù)測控制器設(shè)計10.6.1 連續(xù)非線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制10.6.2 電動汽車異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型10.6.3 基于滑模的連續(xù)預(yù)測控制方法10.6.4 系統(tǒng)性能研究10.7 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計10.7.1 模糊控制器的設(shè)計步驟10.7.2 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的模糊控制器10.8 電動汽車制動力分配及能量回饋控制策略10.8.1 ADVISOR制動力分配方案10.8.2 基于模糊邏輯的制動力分配及能量回收控制策略10.8.3 改進型的制動力分配及能量回收控制策略10.8.4 控制性能分析參考文獻

章節(jié)摘錄

　　人類自誕生以來就不斷探索生存與發(fā)展的途徑與方法，汽車就是伴隨著人類的發(fā)展而產(chǎn)生的重要交通工具。早期人類的交通工具使用普通的自然力，如借助水流的竹筏和船，或是憑借牛、馬、駱駝等拖動的橇。18世紀后期，英國的產(chǎn)業(yè)革命使蒸汽機進入了人們的生活，應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，就變成了后來的蒸汽機汽車，此后有限的地球礦產(chǎn)資源——煤就開始被汽車產(chǎn)業(yè)所利用。約100年后的19世紀末，以天然氣、酒精、石油等為燃料的內(nèi)燃機誕生了，和蒸汽機比較內(nèi)燃機的質(zhì)量輕、效率高、使用方便、不產(chǎn)生大量的化學(xué)煙霧，于是內(nèi)燃機汽車也隨之產(chǎn)生。此后，和煤的采掘方法大體相同的礦物燃料——石油成為繼煤之后汽車的主要能源。幾乎在內(nèi)燃機出現(xiàn)的同時，利用電能驅(qū)動的電動機出現(xiàn)了，它的能源主要從蓄電池、水力和火力發(fā)電裝置得到，電動機應(yīng)用于汽車便出現(xiàn)了早期的電動汽車?！　≡谄嚨陌l(fā)展過程中，用蒸汽機驅(qū)動的蒸汽機汽車、由蓄電池和電動機組合驅(qū)動的電動汽車以及利用石油做燃料的內(nèi)燃機車曾經(jīng)同時被使用，之后蒸汽機汽車首先退出，電動汽車經(jīng)歷了3個發(fā)展時期延續(xù)應(yīng)用到今天，而內(nèi)燃機汽車成為主流?！　?945年之后，汽車在各種交通工具中的比重顯著增大，汽車工業(yè)成為了國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。它是衡量一個國家工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志。但是，汽車的發(fā)展離不開地球上有限的能源，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，能源消費將不斷增長，同時由于能源的使用帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，這都會給人類社會的生存和發(fā)展帶來嚴峻的挑戰(zhàn)?！　?.1.1　汽車引起的環(huán)境問題　環(huán)境問題是指由于人類活動作用于周圍環(huán)境所引起的環(huán)境質(zhì)量變化，以及這種變化對人類的生產(chǎn)、生活和健康造成的影響口。隨著人類社會的發(fā)展進步，人類活動在日常生產(chǎn)生活中會不斷地影響和改造著自然環(huán)境，但是與此同時自然環(huán)境仍以其固有的自然規(guī)律變化著，人類與環(huán)境不斷地相互影響和作用，就產(chǎn)生了環(huán)境問題。目前已經(jīng)被人類所認識到的環(huán)境問題主要有多種：全球變暖、臭氧層破壞、空氣污染、酸雨、淡水資源危機、能源短缺、森林資源銳減、土地荒漠化、物種加速滅絕、垃圾成災(zāi)、有毒化學(xué)品污染、噪聲污染等。其中由于汽車的使用而導(dǎo)致的環(huán)境問題有很多。傳統(tǒng)汽車由于使用汽油和柴油，燃料燃燒的不完全會導(dǎo)致尾氣中包含大量有害物質(zhì)。汽車尾氣成分非常復(fù)雜，有100種以上，這些有害物質(zhì)直接危害著人體健康，對人類生活的環(huán)境產(chǎn)生深遠的影響。上述的全球變暖、空氣污染、酸雨、淡水資源危機、能源短缺、噪聲污染等問題都與其有直接的關(guān)系，這些污染問題已逐漸影響到了人類的生存與發(fā)展。

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