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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
1 EnvironmentalImpactandHistoryofModernTransportation . . 1
1.1 AirPollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 NitrogenOxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 CarbonMonoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 UnburnedHCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 OtherPollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 GlobalWarming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 PetroleumResources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 InducedCosts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 ImportanceofDifferentTransportation
DevelopmentStrategiestoFutureOilSupply . . . . . . . . . . . . 9
1.6 HistoryofEVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 HistoryofHEVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8 HistoryofFuelCellVehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 FundamentalsofVehiclePropulsionandBrake. . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 GeneralDescriptionofVehicleMovement . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 VehicleResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 RollingResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 AerodynamicDrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 GradingResistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 DynamicEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Tire–GroundAdhesionandMaximumTractiveEffort . . . . . . 28
2.5 PowerTrainTractiveEffortandVehicleSpeed . . . . . . . . . . . . 30
2.6 VehiclePowerPlantandTransmissionCharacteristics . . . . . . 32
2.6.1 PowerPlantCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.2 TransmissionCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.3 ManualGearTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.3.1 HydrodynamicTransmission. . . . . . . . . . . . . . 38
2.6.3.2 ContinuouslyVariableTransmission . . . . . . . . 42
2.7 VehiclePerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.7.1 MaximumSpeedofaVehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.7.2 Gradeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7.3 AccelerationPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
v
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vi Contents
2.8 OperatingFuelEconomy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8.1 FuelEconomyCharacteristicsofICEngines. . . . . . . . . 48
2.8.2 ComputationofVehicleFuelEconomy. . . . . . . . . . . . . 49
2.8.3 BasicTechniquestoImproveVehicleFuelEconomy . . . 51
2.9 BrakePerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9.1 BrakingForce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9.2 BrakingDistributiononFrontandRearAxles . . . . . . . 55
2.9.3 BrakingRegulationandBraking
PerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.9.3.1 BrakingRegulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.9.3.2 BrakingPerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . 62
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3 InternalCombustionEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 4S,Spark-IgnitedICEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.1 OperatingPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.2 OperationParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2.1 RatingValuesofEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2.2 IndicatedWorkperCyclesandMean
EffectivePressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2.3 MechanicalEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.2.4 SpecificFuelConsumptionandEfficiency . . . . 72
3.1.2.5 SpecificEmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.2.6 Fuel/AirandAir/FuelRatios . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.2.7 VolumetricEfficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.3 RelationshipsbetweenOperation
andPerformanceParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.4 EngineOperationCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.4.1 EnginePerformanceParameters . . . . . . . . . . . 76
3.1.4.2 IndicatedandBrakePowerandTorque . . . . . . 77
3.1.4.3 FuelConsumptionCharacteristics . . . . . . . . . . 78
3.1.5 DesignandOperatingVariablesAffecting
SIEnginePerformance,Efficiency,andEmission
Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.5.1 CompressionRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.5.2 SparkTiming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1.5.3 Fuel/AirEquivalentRatio . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.1.6 EmissionControl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.1.7 BasicTechniquesforImprovingEnginePerformance,
Efficiency,andEmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1.7.1 ForcedInduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1.7.2 GasolineDirectInjection
andLean-BurnEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.1.7.3 Multi-andVariable-ValveTiming . . . . . . . . . . 86
3.1.7.4 Throttle-LessTorqueControl . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1.7.5 VariableCompressionRatio. . . . . . . . . . . . . . . 87
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Contents vii
3.1.7.6 ExhaustGasRecirculation . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1.7.7 IntelligentIgnition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1.7.8 NewEngineMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2 4S,Compression-IgnitionICEngines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.3 2SEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4 WankelRotaryEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5 StirlingEngines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.6 GasTurbineEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7 Quasi-IsothermalBraytonCycleEngines . . . . . . . . . . . . . . . . 103
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4 ElectricVehicles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1 ConfigurationsofEVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2 PerformanceofEVs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.1 TractionMotorCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.2 TractiveEffortandTransmissionRequirement . . . . . . . 109
4.2.3 VehiclePerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 TractiveEffortinNormalDriving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4 EnergyConsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5 HybridElectricVehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1 ConceptofHybridElectricDriveTrains. . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2 ArchitecturesofHybridElectricDriveTrains . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1 SeriesHybridElectricDriveTrains
(ElectricalCoupling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.2 ParallelHybridElectricDriveTrains
(MechanicalCoupling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.2.1 ParallelHybridDriveTrainwithTorque
Coupling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.2.2 ParallelHybridDriveTrainwithSpeed
Coupling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.2.3 HybridDriveTrainswithBothTorque
andSpeedCoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6 ElectricPropulsionSystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1 DCMotorDrives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.1.1 PrincipleofOperationandPerformance. . . . . . . . . . . . 154
6.1.2 CombinedArmatureVoltageandFieldControl . . . . . . 158
6.1.3 ChopperControlofDCMotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.1.4 Multi-QuadrantControlofChopper-FedDC
MotorDrives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.1.4.1 Two-QuadrantControlofForwardMotoring
andRegenerativeBraking . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.1.4.2 Four-QuadrantOperation . . . . . . . . . . . . . . . . 167
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viii Contents
6.2 InductionMotorDrives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.1 BasicOperationPrinciplesofInductionMotors . . . . . . 169
6.2.2 Steady-StatePerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.2.3 ConstantVolt/HertzControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2.4 PowerElectronicControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.5 FieldOrientationControl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.2.5.1 FieldOrientationPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.2.5.2 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2.5.3 DirectionRotorFluxOrientationScheme . . . . . 189
6.2.5.4 IndirectRotorFluxOrientationScheme . . . . . . 192
6.2.6 VoltageSourceInverterforFOC. . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.2.6.1 VoltageControlinVoltageSourceInverter . . . . 195
6.2.6.2 CurrentControlinVoltageSourceInverter. . . . 198
6.3 PermanentMagneticBLDCMotorDrives . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3.1 BasicPrinciplesofBLDCMotorDrives . . . . . . . . . . . . 203
6.3.2 BLDCMachineConstructionandClassification . . . . . . 203
6.3.3 PropertiesofPMMaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.3.3.1 Alnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.3.2 Ferrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.3.3.3 Rare-EarthPMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.3.4 PerformanceAnalysisandControl
ofBLDCMachines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.3.4.1 PerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.3.4.2 ControlofBLDCMotorDrives . . . . . . . . . . . . 211
6.3.5 ExtendSpeedTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.3.6 SensorlessTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.3.6.1 MethodsUsingMeasurablesandMath . . . . . . 214
6.3.6.2 MethodsUsingObservers . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.3.6.3 MethodsUsingBackEMFSensing . . . . . . . . . . 215
6.3.6.4 UniqueSensorlessTechniques . . . . . . . . . . . . . 216
6.4 SRMDrives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.4.1 BasicMagneticStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.4.2 TorqueProduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.4.3 SRMDriveConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.4.4 ModesofOperation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.4.5 GeneratingModeofOperation
(RegenerativeBraking) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.4.6 SensorlessControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.4.6.1 PhaseFluxLinkage-BasedMethod . . . . . . . . . 231
6.4.6.2 PhaseInductance-BasedMethod . . . . . . . . . . . 232
6.4.6.3 ModulatedSignalInjectionMethods . . . . . . . . 233
6.4.6.4 Mutual-InducedVoltage-BasedMethod . . . . . . 236
6.4.6.5 Observer-BasedMethods . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.4.7 Self-TuningTechniquesofSRMDrives. . . . . . . . . . . . . 236
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Contents ix
6.4.7.1 Self-TuningwithArithmeticMethod . . . . . . . . 237
6.4.7.2 Self-TuningUsinganANN . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.4.8 VibrationandAcousticNoiseinSRM. . . . . . . . . . . . . . 240
6.4.9 SRMDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.4.9.1 NumberofStatorandRotorPoles . . . . . . . . . . 243
6.4.9.2 StatorOuterDiameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.4.9.3 RotorOuterDiameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.4.9.4 AirGap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.4.9.5 StatorArc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.4.9.6 StatorBackIron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.4.9.7 PerformancePrediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7 DesignPrincipleofSeries(ElectricalCoupling)
HybridElectricDriveTrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.1 OperationPatterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
7.2 ControlStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.2.1 Max.SOC-of-PPSControlStrategy . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.2.2 EngineOn–OfforThermostatControlStrategy . . . . . . 257
7.3 DesignPrinciplesofaSeries(ElectricalCoupling)
HybridDriveTrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3.1 ElectricalCouplingDevice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3.2 PowerRatingDesignoftheTractionMotor . . . . . . . . . 264
7.3.3 PowerRatingDesignoftheEngine/Generator . . . . . . 267
7.3.4 DesignofPPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.3.4.1 PowerCapacityofPPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.3.4.2 EnergyCapacityofPPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.4 DesignExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.4.1 DesignofTractionMotorSize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.4.2 DesignoftheGearRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.4.3 VerificationofAccelerationPerformance . . . . . . . . . . . 273
7.4.4 VerificationofGradeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.4.5 DesignofEngine/GeneratorSize . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.4.6 DesignofthePowerCapacityofPPS . . . . . . . . . . . . . . 277
7.4.7 DesignoftheEnergyCapacityofPPS . . . . . . . . . . . . . 277
7.4.8 FuelConsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8 Parallel(MechanicallyCoupled)Hybrid
ElectricDriveTrainDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
8.1 DriveTrainConfigurationandDesignObjectives. . . . . . . . . . 281
8.2 ControlStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
8.2.1 Max.SOC-of-PPSControlStrategy. . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.2.2 EngineOn–Off(Thermostat)ControlStrategy . . . . . . . 287
8.2.3 ConstrainedEngineOn–OffControlStrategy . . . . . . . . 288
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