汽车已经成为人们优质的现代生活中不可缺少的部分，然而，近100多年历史的以燃油为动力的内燃机汽车正面临着原油枯竭和人类生存环境不断恶化的挑战，而以电能为动力的电动汽车可能在能源和碳排放两个限制条件下赋予汽车以新的生命力。本书以能量转换效率和碳排放这两个潜在的要素为指南，阐述电动汽车的基本原理和在未来发展中的优势与挑战。本书主要面向现代电动汽车相关专业的本科生和研究生，同时也适合作为锂电池、动力电动机、燃料电池， 以及氢气的储存研究人员了解相关电动汽车知识、技术和发展方向的参考书。

电动汽车前沿技术及应用
文浩?曾涛?徐淳川 ◎等编著
韩维建◎主编

汽车已经成为人们优质的现代生活中不可缺少的部分。然而，近100多年历史的以燃油为动力的内燃机汽车正面临着原油枯竭和人类生存环境不断恶化的挑战，以电能为动力的电动汽车可能在能源和碳排放两个限制条件下赋予汽车新的生命力。因为电动汽车不仅可能利用人们正在开发的清洁、可再生的新能源而避免或者减少使用原油这一化石燃料，而且电动汽车以电机提供动力，大大减少了动力传递的机械复杂程度，提高了能量转换效率和使用效率。然而，如果电动汽车不是用清洁、再生能源发电来充电，而继续使用化石燃料，特别是煤作为电能的来源，那么碳排放量并不能得到减少，甚至还会增加。在这个意义上，电动汽车并非等同于使用新能源汽车。锂电池作为电能的储存设备如果不能进一步提高单位重量和体积的电能储藏密度，那么电动汽车能量转换的高效率会大打折扣。氢燃料电池汽车也许能在电动汽车中弥补碳排放和高效率两个方面的不足，可昂贵的氢燃料电池汽车和加氢站的普及也面临着市场化的艰难步履。电动化汽车产业的发展方向仍然迷雾重重，并非一蹴而就，也不可以弯道超车。本书以能量转换效率和碳排放这两个潜在的要素为指南，阐述电动汽车的基本原理和在未来发展中的优势与挑战。
第1章以内燃机燃油汽车、锂电池电动汽车以及氢燃料电池汽车的对比，说明了电动汽车的显著优势和市场化挑战。作者从储能方式上的对比，对汽车的动力源能量密度和能量转换效率方面做了简要阐述。本章由文浩、徐淳川博士联合编写。
第2章介绍了电池的电化学原理，类比水的势能对电池的电化学势能进行了描述。然后从工业应用的角度，对如何以低成本实现大量生产进行了介绍。在单电池的基础上，对如何进一步使用串并联的方式，将其组装成高达300V、可以驱动汽车的电池组进行了阐述。最后，作者对当前的电动汽车行业和相关电池产业进行了描绘。本章由文浩博士编写。
第3章重点介绍了新能源车用电机，作者从电磁场以及电机用磁性材料出发，导出了旋转电机的机-电转换机制，以帮助读者理解电机工作原理，并介绍了电动汽车驱动电机的主要类型、结构以及这些类型的电机在电动汽车上的应用。最后作者讨论了电机中的能量损耗，以及驱动电机的发展趋势。本章由李万锋博士编写。
第4章介绍了车用动力电机（直流电机和交流电机）的建模原理及其常用控制方法，即直流电机的定压定流控制、交流电机的矢量控制，以及直流电机的滑模控制等。本章由曾涛博士编写。
第5章介绍了混合动力汽车的基本原理以及控制方法，其中包括混合动力的分类方法和运行原理、发动机的工作过程，细分混合动力常见的控制和优化问题，还介绍了常用混合动力控制策略和方法。本章由曾涛博士编写。
第6章介绍了氢燃料电池。作者试图从燃料电池的理论基础和在汽车上的应用两个方面做一个较为详细的介绍。在前两节中作者简单介绍了汽车用聚合物电解质燃料电池的构造和物理化学过程。从6.3节开始，作者讨论了燃料电池的热力学原理和动力学过程，目标是揭示燃料电池的运行机制和影响因素。6.3节介绍了燃料电池的理论最大输出电压及其影响因素。6.4节介绍了燃料电池的电极电荷转移过程及其引起的极化电压损失。6.5节和6.6节讨论了物质的传输，包括电荷（特别是质子在电解质中）（6.5节）和中性物质（6.6节）的传输及其导致的燃料电池电压的降低。6.7节简单介绍了燃料电池堆和辅助系统，并介绍了燃料电池系统的水热管理。本章由鲁自界博士编写。
第7章介绍了燃料电池在汽车动力运用上的基本测试技术，通过分析燃料电池材料的微观结构、燃料电池的电化学性能，从而达到评价燃料电池材料的物理特性的优劣、电化学性能的好坏和电堆设计是否足够优化的目的。本章由张财志博士编著。
在第8章中，作者以氢气物质特性为基础，对氢气这一能量的载体进行了阐述，并以其与其他能量载体进行的比较，说明了氢气作为一种清洁、可再生能源在未来电动汽车能源中的重要地位；还讨论了使用氢气的安全性以及氢燃料电池汽车的氢气储存方式，并提供了氢燃料电池汽车的氢气储存相关参数和氢气体积及重量密度的目标。本章由徐淳川博士编写。
由于本书的知识面跨度比较大，特别是燃料电池汽车部分属于正在发展中的新能源汽车技术，所以我们邀请了在电动汽车领域工作的多名作者参与编写。他们都分别在美国及新加坡获得博士学位，并长期从事电动汽车领域的工作。鲁自界博士、李万锋博士、徐淳川博士、曾涛博士和文浩博士是美国福特汽车公司的高级工程师，张财志博士是重庆大学、汽车工程学院汽车协同创新中心和机械传动国家重点实验室的博士生导师。由于作者能力所限，书中错误在所难免，恳请各位读者指正。

汽车设计

随着排放法规的日趋严格以及霾害等空气污染问题的逐渐恶化，将原本造成大量污染的燃油车辆汰换为电动汽车已是不可逆的趋势。未来，全球电动汽车市场将进入快速发展期。
本书分为8章，阐述了电动汽车的基本原理和在未来发展中的优势与挑战。
在第1章对比了内燃机燃油汽车、锂电池电动汽车以及氢燃料电池汽车，说明了电动汽车的显著优势和市场化挑战。
第2章介绍了电池的电化学原理，对电池的电化学势能进行了描述，并对当下的电动汽车和相关电池产业进行了分析。
第3章重点介绍了新能源车用电机，电动汽车驱动电机的主要类型、结构，以及这些类型的电机在电动汽车上的应用。
第4章介绍了车用动力电机的建模原理以及常用控制方法，即直流电机的定压定流控制、交流电机的矢量控制等。
第5章介绍了混合动力汽车的基本原理以及控制方法。
第6章介绍了氢燃料电池。
第7章介绍了燃料电池在汽车动力运用上的基本测试技术。
第8章对氢气这一能量载体进行了阐述，并以其与其他能量载体进行的比较，说明了氢气作为一种清洁、可再生能源在未来电动汽车能源中的重要地位。
本套丛书可作为汽车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相信本套丛书对汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用。

推荐序一
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上海交通大学



推荐序二
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江苏省产业技术研究院

丛书总序
推荐序一
推荐序二
前　　言
第1章　电动汽车概述1
　1.1　电动汽车的定义1
　1.2　电动汽车简史2
1.2.1　史前时代2
1.2.2　黄金时代3
1.2.3　黑暗世纪3
1.2.4　文艺复兴4
　1.3　锂电产业5
　1.4　挑战6
　1.5　氢燃料电池汽车7
　1.6　能源对汽车与环境的影响8
　1.7　能量密度与汽车的续航能力13
　1.8　电动汽车的基础设施17
　参考文献18
第2章　汽车充电电池概述19
　2.1　电化学原理20
　2.2　活性材料24
2.2.1　电压曲线24
2.2.2　正负极材料26
2.2.3　电解液28
2.2.4　惰性材料29
　2.3　结构和形态30
2.3.1　电芯、模组和电池30
2.3.2　内部结构31
2.3.3　形态32
　2.4　整车驱动34
2.4.1　Ragone图35
2.4.2　行驶里程36
　思考题37
　参考文献38
第3章　汽车动力驱动电机基础39
　3.1　电磁场与磁性材料40
3.1.1　磁场的产生与电磁感应41
3.1.2　磁路43
3.1.3　电机中的磁性材料45
　3.2　电-力转换49
　3.3　驱动电机分类53
3.3.1　感应电机54
3.3.2　永磁同步电机55
3.3.3　开关磁阻电机57
3.3.4　不同电机类型的比较58
　3.4　电机中的能量损耗60
　思考题62
　参考文献62
第4章　动力电机建模与控制64
　4.1　电动汽车控制概述66
　4.2　电机建模原理67
4.2.1　线圈的电磁感应67
4.2.2　直流电机模型73
4.2.3　交流电机建模75
　4.3　电机控制83
4.3.1　直流电机控制83
4.3.2　交流电机控制94
　思考题102
　参考文献102
第5章　混合动力汽车控制104
　5.1　混合动力汽车的基本原理104
5.1.1　混合动力汽车的动力系统分类106
5.1.2　混合动力汽车的工作原理110
　5.2　车用内燃机的工作原理111
　5.3　混合动力系统建模113
5.3.1　运动学模型113
5.3.2　准静态模型114
5.3.3　动态模型115
　5.4　混合动力系统控制问题分类116
5.4.1　等效油耗的能量管理问题117
5.4.2　SOC的能量管理问题118
5.4.3　排放的能量管理问题119
5.4.4　瞬态工况油耗的能量管理问题120
5.4.5　结构参数影响的能量管理问题121
　5.5　混合动力系统控制122
5.5.1　基于规则的能量管理策略124
5.5.2　基于优化方法的能量管理策略132
　思考题138
　参考文献138
第6章　汽车燃料电池基础和应用140
　6.1　什么是燃料电池140
6.1.1　燃料电池的分类141
6.1.2　燃料电池的特点143
　6.2　燃料电池的物理化学过程简介143
　6.3　热力学电压Ethermo（或Erev）146
6.3.1　燃料电池的反应热（ΔHrxn）和电功（Welec）147
6.3.2　燃料电池的热力学可逆电压147
6.3.3　反应物浓度的影响——Nernst方程149
6.3.4　燃料电池的效率149
　6.4　反应动力学和激活电压损失150
6.4.1　燃料电池电流与电位的实质150
6.4.2　燃料电池电流-电位的关系：Butler-Volmer方程151
6.4.3　燃料电池的TAFEL近似153
6.4.4　氢氧燃料电池的电极动力学概况154
6.4.5　改善阴极ORR动力学速度的方法156
　6.5　燃料电池的电荷传输和欧姆损失159
6.5.1　电荷的传输159
6.5.2　欧姆电压损失159
6.5.3　聚合物膜的离子导电率160
　6.6　燃料电池的物质传输和浓度损失161
6.6.1　极限电流密度161
6.6.2　浓度影响反应速度——浓度损失162
6.6.3　双极板中的气体传输——对流164
6.6.4　气体扩散层的气体传输——扩散166
　6.7　汽车燃料电池系统简介168
6.7.1　燃料电池堆169
6.7.2　燃料（H2）和空气供给系统170
6.7.3　燃料电池水管理系统172
6.7.4　燃料电池热管理系统174
　参考文献175
第7章　燃料电池测试177
　7.1　燃料电池测试参数及平台177
　7.2　燃料电池性能测试技术180
7.2.1　电流-电压曲线测试180
7.2.2　电流中断法测试182
7.2.3　电化学阻抗谱测试183
　7.3　燃料电池动态响应测试186
　7.4　燃料电池电堆的加速测试188
　7.5　质子交换膜燃料电池低温启动测试189
　参考文献191
第8章　燃料电池汽车的燃料——氢气194
　8.1　氢气的物质特性和安全性194
8.1.1　氢气的来源及物质特性194
8.1.2　氢气燃料的操作安全性197
　8.2　氢气的生产及储存基本方法199
8.2.1　氢气的生产199
8.2.2　氢气的储存方法200
8.2.3　高压储氢和高压储氢罐201
8.2.4　材料储氢方法203
　8.3　氢气储存的热力学原理207
8.3.1　压缩氢气储存方法所需要的能量207
8.3.2　基于材料储氢的热力学211
　8.4　高压储氢罐的材料及结构217
　参考文献220