Efficiency enhancement strategy implementation in hybrid electric vehicles using sliding mode control

Introduction. Hybrid electric vehicles are offering the most economically viable choices in today's automotive industry, providing best solutions for a very high fuel economy and low rate of emissions. The rapid progress and development of this industry has prompted progress of human beings from primitive level to a very high industrial society where mobility used to be a fundamental need. However, the use of large number of automobiles is causing serious damage to our environment and human life. At present most of the vehicles are relying on burning of hydrocarbons in order to achieve power of propulsion to drive wheels. Therefore, there is a need to employ clean and efficient vehicles like hybrid electric vehicles. Unfortunately, earlier control strategies of series hybrid electric vehicle fail to include load disturbances during the vehicle operation and some of the variations of the nonlinear parameters (e.g. stator’s leakage inductance, resistance of winding etc.). The novelty of the proposed work is based on designing and implementing two robust sliding mode controllers (SMCs) on series hybrid electric vehicle to improve efficiency in terms of both speed and torque respectively. The basic idea is to let the engine operate only when necessary keeping in view the state of charge of battery. Purpose. In proposed scheme, both performance of engine and generator is being controlled, one sliding mode controllers is controlling engine speed and the other one is controlling generator torque, and results are then compared using 1-SMC and 2-SMC’s. Method. The series hybrid electric vehicle powertrain considered in this work consists of a battery bank and an engine-generator set which is referred to as the auxiliary power unit, traction motor, and power electronic circuits to drive the generator and traction motor. The general strategy is based on the operation of the engine in its optimal efficiency region by considering the battery state of charge. Results .Mathematical models of engine and generator were taken into consideration in order to design sliding mode controllers both for engine speed and generator torque control. Vehicle was being tested on standard cycle. Results proved that, instead of using only one controller for engine speed, much better results are achieved by simultaneously using two sliding mode controllers, one controlling engine speed and other controlling generator torque.Вступ. Гібридні електромобілі пропонують найбільш економічно доцільний вибір у сучасній автомобільній промисловості, надаючи найкращі рішення для дуже високої економії палива та низького рівня викидів. Швидкий прогрес та розвиток цієї галузі підштовхнули людей до переходу від примітивного рівня до дуже високого індустріального суспільства, де мобільність була фундаментальною потребою. Однак використання великої кількості автомобілів завдає серйозної шкоди довкіллю та життю людини. Нині більшість транспортних засобів покладаються на спалювання вуглеводнів задля досягнення потужності руху на провідних колесах. Отже, необхідно використовувати чисті та ефективні транспортні засоби, такі як гібридні електромобілі. На жаль, раніше стратегії управління серійним гібридним електромобілем не враховували збурення навантаження під час роботи автомобіля і деякі зміни нелінійних параметрів (наприклад, індуктивність розсіювання статора, опір обмотки і т.д.). Новизна запропонованої роботи заснована на розробці та реалізації двох надійних контролерів ковзного режиму (SMC) на серійному гібридному електромобілі для підвищення ефективності з точки зору швидкості та моменту, що крутить, відповідно. Основна ідея полягає в тому, щоб дозволити двигуну працювати тільки тоді, коли це необхідно з урахуванням стану заряду акумулятора. Мета. У пропонованій схемі контролюються характеристики як двигуна, так і генератора, один контролер ковзного режиму регулює швидкість двигуна, а інший регулює крутний момент генератора, а потім результати порівнюються з використанням режимів 1-SMC і 2-SMC. Метод. Силова установка серійного гібридного електромобіля, що розглядається в даній роботі, складається з акумуляторної батареї та установки двигун-генератор, яка називається допоміжною силовою установкою, тяговим двигуном та силовими електронними схемами для приводу генератора та тягового двигуна. Загальна стратегія заснована на роботі двигуна в області оптимальної ефективності з урахуванням рівня заряду акумуляторної батареї. Результати. Математичні моделі двигуна та генератора були прийняті до уваги для розробки регуляторів ковзного режиму як для керування частотою обертання двигуна, так і для керування крутним моментом генератора. Транспортний засіб випробовувався за стандартним циклом. Результати показали, що замість використання лише одного регулятора частоти обертання двигуна набагато кращі результати досягаються при одночасному використанні двох регуляторів ковзного режиму, один з яких керує частотою обертання двигуна, а інший - моментом, що крутить, генератора

Efficiency enhancement strategy implementation in hybrid electric vehicles using sliding mode control

Introduction. Hybrid electric vehicles are offering the most economically viable choices in today's automotive industry, providing best solutions for a very high fuel economy and low rate of emissions. The rapid progress and development of this industry has prompted progress of human beings from primitive level to a very high industrial society where mobility used to be a fundamental need. However, the use of large number of automobiles is causing serious damage to our environment and human life. At present most of the vehicles are relying on burning of hydrocarbons in order to achieve power of propulsion to drive wheels. Therefore, there is a need to employ clean and efficient vehicles like hybrid electric vehicles. Unfortunately, earlier control strategies of series hybrid electric vehicle fail to include load disturbances during the vehicle operation and some of the variations of the nonlinear parameters (e.g. stator’s leakage inductance, resistance of winding etc.). The novelty of the proposed work is based on designing and implementing two robust sliding mode controllers (SMCs) on series hybrid electric vehicle to improve efficiency in terms of both speed and torque respectively. The basic idea is to let the engine operate only when necessary keeping in view the state of charge of battery. Purpose. In proposed scheme, both performance of engine and generator is being controlled, one sliding mode controllers is controlling engine speed and the other one is controlling generator torque, and results are then compared using 1-SMC and 2-SMC’s. Method. The series hybrid electric vehicle powertrain considered in this work consists of a battery bank and an engine-generator set which is referred to as the auxiliary power unit, traction motor, and power electronic circuits to drive the generator and traction motor. The general strategy is based on the operation of the engine in its optimal efficiency region by considering the battery state of charge. Results .Mathematical models of engine and generator were taken into consideration in order to design sliding mode controllers both for engine speed and generator torque control. Vehicle was being tested on standard cycle. Results proved that, instead of using only one controller for engine speed, much better results are achieved by simultaneously using two sliding mode controllers, one controlling engine speed and other controlling generator torque.Вступ. Гібридні електромобілі пропонують найбільш економічно доцільний вибір у сучасній автомобільній промисловості, надаючи найкращі рішення для дуже високої економії палива та низького рівня викидів. Швидкий прогрес та розвиток цієї галузі підштовхнули людей до переходу від примітивного рівня до дуже високого індустріального суспільства, де мобільність була фундаментальною потребою. Однак використання великої кількості автомобілів завдає серйозної шкоди довкіллю та життю людини. Нині більшість транспортних засобів покладаються на спалювання вуглеводнів задля досягнення потужності руху на провідних колесах. Отже, необхідно використовувати чисті та ефективні транспортні засоби, такі як гібридні електромобілі. На жаль, раніше стратегії управління серійним гібридним електромобілем не враховували збурення навантаження під час роботи автомобіля і деякі зміни нелінійних параметрів (наприклад, індуктивність розсіювання статора, опір обмотки і т.д.). Новизна запропонованої роботи заснована на розробці та реалізації двох надійних контролерів ковзного режиму (SMC) на серійному гібридному електромобілі для підвищення ефективності з точки зору швидкості та моменту, що крутить, відповідно. Основна ідея полягає в тому, щоб дозволити двигуну працювати тільки тоді, коли це необхідно з урахуванням стану заряду акумулятора. Мета. У пропонованій схемі контролюються характеристики як двигуна, так і генератора, один контролер ковзного режиму регулює швидкість двигуна, а інший регулює крутний момент генератора, а потім результати порівнюються з використанням режимів 1-SMC і 2-SMC. Метод. Силова установка серійного гібридного електромобіля, що розглядається в даній роботі, складається з акумуляторної батареї та установки двигун-генератор, яка називається допоміжною силовою установкою, тяговим двигуном та силовими електронними схемами для приводу генератора та тягового двигуна. Загальна стратегія заснована на роботі двигуна в області оптимальної ефективності з урахуванням рівня заряду акумуляторної батареї. Результати. Математичні моделі двигуна та генератора були прийняті до уваги для розробки регуляторів ковзного режиму як для керування частотою обертання двигуна, так і для керування крутним моментом генератора. Транспортний засіб випробовувався за стандартним циклом. Результати показали, що замість використання лише одного регулятора частоти обертання двигуна набагато кращі результати досягаються при одночасному використанні двох регуляторів ковзного режиму, один з яких керує частотою обертання двигуна, а інший - моментом, що крутить, генератора

Studies on SI engine simulation and air/fuel ratio control systems design

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.More stringent Euro 6 and LEV III emission standards will immediately begin execution on 2014 and 2015 respectively. Accurate air/fuel ratio control can effectively reduce vehicle emission. The simulation of engine dynamic system is a very powerful method for developing and analysing engine and engine controller. Currently, most engine air/fuel ratio control used look-up table combined with proportional and integral (PI) control and this is not robust to system uncertainty and time varying effects. This thesis first develops a simulation package for a port injection spark-ignition engine and this package include engine dynamics, vehicle dynamics as well as driving cycle selection module. The simulations results are very close to the data obtained from laboratory experiments. New controllers have been proposed to control air/fuel ratio in spark ignition engines to maximize the fuel economy while minimizing exhaust emissions. The PID control and fuzzy control methods have been combined into a fuzzy PID control and the effectiveness of this new controller has been demonstrated by simulation tests. A new neural network based predictive control is then designed for further performance improvements. It is based on the combination of inverse control and predictive control methods. The network is trained offline in which the control output is modified to compensate control errors. The simulation evaluations have shown that the new neural controller can greatly improve control air/fuel ratio performance. The test also revealed that the improved AFR control performance can effectively restrict engine harmful emissions into atmosphere, these reduce emissions are important to satisfy more stringent emission standards

EASILY VERIFIABLE CONTROLLER DESIGN WITH APPLICATION TO AUTOMOTIVE POWERTRAINS

Bridging the gap between designed and implemented model-based controllers is a major challenge in the design cycle of industrial controllers. This gap is mainly created due to (i) digital implementation of controller software that introduces sampling and quantization imprecisions via analog-to-digital conversion (ADC), and (ii) uncertainties in the modeled plant’s dynamics, which directly propagate through the controller structure. The failure to identify and handle these implementation and model uncertainties results in undesirable controller performance and costly iterative loops for completing the controller verification and validation (V&V) process. This PhD dissertation develops a novel theoretical framework to design controllers that are robust to implementation imprecision and uncertainties within the models. The proposed control framework is generic and applicable to a wide range of nonlinear control systems. The final outcome from this study is an uncertainty/imprecisions adaptive, easily verifiable, and robust control theory framework that minimizes V&V iterations in the design of complex nonlinear control systems. The concept of sliding mode controls (SMC) is used in this study as the baseline to construct an easily verifiable model-based controller design framework. SMC is a robust and computationally efficient controller design technique for highly nonlinear systems, in the presence of model and external uncertainties. The SMC structure allows for further modification to improve the controller robustness against implementation imprecisions, and compensate for the uncertainties within the plant model. First, the conventional continuous-time SMC design is improved by: (i) developing a reduced-order controller based on a novel model order reduction technique. The reduced order SMC shows better performance, since it uses a balanced realization form of the plant model and reduces the destructive internal interaction among different states of the system. (ii) developing an uncertainty-adaptive SMC with improved robustness against implementation imprecisions. Second, the continuous-time SMC design is converted to a discrete-time SMC (DSMC). The baseline first order DSMC structure is improved by: (i) inclusion of the ADC imprecisions knowledge via a generic sampling and quantization uncertainty prediction mechanism which enables higher robustness against implementation imprecisions, (ii) deriving the adaptation laws via a Lyapunov stability analysis to overcome uncertainties within the plant model, and (iii) developing a second order adaptive DSMC with predicted ADC imprecisions, which provides faster and more robust performance under modeling and implementation imprecisions, in comparison with the first order DSMC. The developed control theories from this PhD dissertation have been evaluated in real-time for two automotive powertrain case studies, including highly nonlinear combustion engine, and linear DC motor control problems. Moreover, the DSMC with predicted ADC imprecisions is experimentally tested and verified on an electronic air throttle body testbed for model-based position tracking purpose

Automotive technology status and projections. Volume 1: Executive summary

Fuel economy, exhaust emissions, multifuel capability, advanced materials and cost/manufacturability for both conventional and advanced alternative power systems were assessed. To insure valid comparisons of vehicles with alternative power systems, the concept of an Otto-Engine-Equivalent (OEE) vehicle was utilized. Each engine type was sized to provide equivalent vehicle performance. Sensitivity to different performance criteria was evaluated. Fuel economy projections are made for each engine type considering both the legislated emission standards and possible future emissions requirements

Sliding Mode Variable Structure Control and Real-Time Optimization of Dry Dual Clutch Transmission during the Vehicle’s Launch

In order to reflect driving intention adequately and improve the launch performance of vehicle equipped with five-speed dry dual clutch transmission (DCT), the issue of coordinating control between engine and clutch is researched, which is based on the DCT and prototype car developed independently. Four-degree-of-freedom (DOF) launch dynamics equations are established. Taking advantage of predictive control and genetic algorithm, target tracing curves of engine speed and vehicle velocity are optimally specified. Sliding mode variable structure (SMVS) control strategy is designed to track these curves. The rapid prototyping experiment and test are, respectively, conducted on the DCT test bench and in the chassis dynamometer. Results show that the designed SMVS control strategy not only effectively embodies the driver’s intention but also has strong robustness to the vehicle parameter’s variations

Automotive Stirling engine development program

This is the ninth Semiannual Technical Progress Report prepared under the Automotive Stirling Engine Development Program. It covers the twenty-eighth and twenty-ninth quarters of activity after award of the contract. Quarterly Technical Progress Reports related program activities from the first through the thirteenth quarters; thereafter, reporting was changed to a Semiannual format. This report summarizes the study of higher-power kinematic Stirling engines for transportation use, development testing of Mod I Stirling engines, and component development activities. Component development testing included successful conical fuel nozzle testing and functional checkout of Mod II controls and auxiliaries on Mod I engine test beds. Overall program philosophy is outlined and data and test results are presented