Real-time Optimal Battery Thermal Management System Controller for Electric and Plug-in Hybrid Electric Vehicles

The objective of this thesis is to propose a real-time model predictive control (MPC) scheme for the battery thermal management system (BTMS) of given plug-in hybrid electric and electric vehicles (PHEV/EVs). Although BTMS control in its basic form can be well represented by a reference tracking problem, there exists only little research in the literature taking such an approach. Due to the importance of a prediction component in thermal systems, here the BTMS controller has been designed based on MPC theory to address this gap in the literature. Application of the controller to the baseline vehicles is then examined by several simulations with di erent optimization algorithms. By comparing the results of the predictive controller with those of the standard rulebased (RB) controller over a variety of driving scenarios, it is observed that the predictive controller signi cantly reduces the power consumption and provides a better tracking behaviour. Integrating trip prediction into the control algorithm is particularly important in cases such as aggressive driving cycles and highly variable road-grades, where the standard BTMS scheme does not perform as e ectively due to the load current pro le. Moreover, based on the simulation results, the designed controller is observed to have a turnaround time between 10 s to 1 ms, and is thus applicable to the real-time automotive systems. Prosperity of the proposed BTMS control methodology paves the way for the use of model-based (MB) thermal management techniques, not only in futur

Sinteza i usporedna analiza sustava regulacije vertikalne dinamike vozila uz primjenu aktivnog i poluaktivnog ovjesa

Aktivni i poluaktivni ovjesi mehatronički su sustavi koji omogućavaju regulaciju vertikalne dinamike vozila čime se postiže bolja udobnost vožnje uz zadržavanje dobrih voznih karakteristika vozila. Pritom se dodatno poboljšanje kvalitete regulacije može postići korištenjem unaprijedne informacije o profilu podloge. Prednosti aktivnih i poluaktivnih ovjesa poznate su nekoliko desetljeća te su kroz veliki broj znanstvenih radova predstavljene razne strategije upravljanja vertikalnom dinamikom. Jedan od najčešće korištenih pristupa sinteze nadređene strategije upravljanja vertikalnom dinamikom je linearno kvadratično (LQ) optimalno upravljanje. U ovom je radu predstavljena sinteza LQ regulatora za slučaj aktivnog i poluaktivnog ovjesa s i bez unaprijednog regulacijskog djelovanja zasnovanog na unaprijednom poznavanju profila podloge (ukupno četiri tipa ovjesa). Sinteza sustava regulacije provedena je na četvrtinskom modelu vozila s jednim stupnjem slobode gibanja koji uključuje dinamiku samo ovješene mase i na modelu s dva stupnja slobode gibanja koji uključuje i dinamiku neovješene mase. Provedena je usporedna analiza kvalitete regulacije navedena četiri tipa mehatroničkih ovjesa i pasivnog ovjesa četvrtinskog modela vozila putem prikaza međuovisnosti suprostavljenih kriterija udobnosti vožnje, upravljivosti vozilom i ograničenog hoda ovjesa s obzirom na stohastičku pobudu podloge. Na temelju prve usporedne analize broj postavki regulatora ovjesa je reduciran i fokusiran na značajne postavke te je provedena daljnja usporedna analiza koja je proširena na analizu u frekvencijskoj domeni (amplitudno-frekvencijske karakteristike) i vremenskoj domeni (simulacijski odzivi s determinističkom podlogom). Na kraju rada prikazana je implementacija sustava regulacije ovjesom, zasnovanog na četvrtinskom modelu vozila, na puni model vozila u CarSim-u te je provedena usporedna analiza kvalitete regulacije u vremenskoj domeni za tri testne procedure koje pobuđuju tri glavna gibanja ovješene mase: vertikalno gibanje, poniranje i valjanje. Rezultati usporednih analiza pokazali su da aktivni ovjes s unaprijednim djelovanjem daje najveća poboljšanja performansi po svim kriterijima i da je jeftiniji poluaktivni ovjes s unaprijednim djelovanjem vrlo blizu po performansama, a u nekim slučajevima i bolji od aktivnog ovjesa bez unaprijednog djelovanja. Također, rezultati pokazuju da je moguće postići značajna poboljšanja performansi cijelog vozila primjenom relativno jednostavnog sustava regulacije

Design and comparative analysis of vertical vehicle dynamics control systems based on active and semi-active suspension

Aktivni i poluaktivni ovjesi mehatronički su sustavi koji omogućavaju regulaciju vertikalne dinamike vozila čime se postiže bolja udobnost vožnje uz zadržavanje dobrih voznih karakteristika vozila. Pritom se dodatno poboljšanje kvalitete regulacije može postići korištenjem unaprijedne informacije o profilu podloge. Prednosti aktivnih i poluaktivnih ovjesa poznate su nekoliko desetljeća te su kroz veliki broj znanstvenih radova predstavljene razne strategije upravljanja vertikalnom dinamikom. Jedan od najčešće korištenih pristupa sinteze nadređene strategije upravljanja vertikalnom dinamikom je linearno kvadratično (LQ) optimalno upravljanje. U ovom je radu predstavljena sinteza LQ regulatora za slučaj aktivnog i poluaktivnog ovjesa s i bez unaprijednog regulacijskog djelovanja zasnovanog na unaprijednom poznavanju profila podloge (ukupno četiri tipa ovjesa). Sinteza sustava regulacije provedena je na četvrtinskom modelu vozila s jednim stupnjem slobode gibanja koji uključuje dinamiku samo ovješene mase i na modelu s dva stupnja slobode gibanja koji uključuje i dinamiku neovješene mase. Provedena je usporedna analiza kvalitete regulacije navedena četiri tipa mehatroničkih ovjesa i pasivnog ovjesa četvrtinskog modela vozila putem prikaza međuovisnosti suprostavljenih kriterija udobnosti vožnje, upravljivosti vozilom i ograničenog hoda ovjesa s obzirom na stohastičku pobudu podloge. Na temelju prve usporedne analize broj postavki regulatora ovjesa je reduciran i fokusiran na značajne postavke te je provedena daljnja usporedna analiza koja je proširena na analizu u frekvencijskoj domeni (amplitudno-frekvencijske karakteristike) i vremenskoj domeni (simulacijski odzivi s determinističkom podlogom). Na kraju rada prikazana je implementacija sustava regulacije ovjesom, zasnovanog na četvrtinskom modelu vozila, na puni model vozila u CarSim-u te je provedena usporedna analiza kvalitete regulacije u vremenskoj domeni za tri testne procedure koje pobuđuju tri glavna gibanja ovješene mase: vertikalno gibanje, poniranje i valjanje. Rezultati usporednih analiza pokazali su da aktivni ovjes s unaprijednim djelovanjem daje najveća poboljšanja performansi po svim kriterijima i da je jeftiniji poluaktivni ovjes s unaprijednim djelovanjem vrlo blizu po performansama, a u nekim slučajevima i bolji od aktivnog ovjesa bez unaprijednog djelovanja. Također, rezultati pokazuju da je moguće postići značajna poboljšanja performansi cijelog vozila primjenom relativno jednostavnog sustava regulacije.Active and semi-active suspensions are mechatronic devices used within vertical vehicle dynamics control systems for improving ride comfort while maintaining good handling performance. Additional ride comfort and vehicle handling improvements can be obtained by using the advance knowledge of upcoming road disturbance i.e. road profile preview. The potential benefits of using active and semi-active suspensions are well known, as there have been strong research activities in the area over the last several decades resulting in various vertical dynamics control strategies. One of the most popular approaches to active suspension control is the Linear Quadratic (LQ) optimal control/regulation. This Thesis presents the design of the LQ regulator (LQR) for active and semi-active suspension control system with and without road profile preview control (in total four suspension types). LQR design is based on Quarter-car model with one degree of freedom which includes sprung mass dynamics, as well as on quarter-car model with two degrees of freedom which additionally includes unsprung mass dynamics. The trade-off between conflicting criteria of ride comfort, vehicle handling and suspension stroke constraint of the four suspension types and the passive suspension is first analyzed by comparing the standard deviations of related state variables with the assumption of stochastic road input. Based on the insights of first comparative analysis, the number of designs is reduced and further analyses are carried out in the frequency domain (frequency responses) and the time domain (simulation with deterministic road input). Active and semi-active control systems, based on the quarter-car model, are then implemented on nonlinear, full-car model in CarSim. Comparative performance analysis is again carried out in the time domain using three ride comfort test procedures which excite sprung mass heave, pitch and roll motion. The results of all analyses point out that active suspension control with road preview offers highest performance improvement (in terms of all criteria) and that the performance of semi-active suspension control with road preview is similar, and in some cases better, than the performance of active suspension control system without road preview. The results also show that significant performance improvement can be obtained for the full car model by applying relatively simple decoupled suspension control system