Modeling and Control of Plug-In Hybrid Electric Vehicles for Fuel Economy Improvement

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1 Modeling and Control of Plug-In Hybrid Electric Vehicles for Fuel Economy Improvement Autore: Perozzi Gabriele Relatore: Prof. Di Benedetto Maria Domenica Correlatore: Ing. Bianchi Domenico Università degli Studi dell Aquila Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica e Automatica 29 Aprile 2014 Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 1 / 15

2 Classificazione dei veicoli Veicolo Ibrido Plug-In Elettrico: Veicolo Ibrido Elettrico: Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 2 / 15

3 Esempi di veicoli ibridi elettrici Toyota Prius Plug-In Ibrida Toyota Prius Ibrida Elettrica Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 3 / 15

4 Contenuti Motivazione Motivazione Architettura Through-The-Road in Parallelo Modellazione delle Dinamiche Modello del Sistema Ibrido Controllo Rule-Based Tipo 1 Controllo Rule-Based Tipo 2 Cicli di guida Segnali in uscita Analisi dei risultati Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 4 / 15

5 Motivazione Costo e domanda di carburante Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 5 / 15

6 Motivazione Costo e domanda di carburante Inquinamento atmosferico Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 5 / 15

7 Motivazione Costo e domanda di carburante Inquinamento atmosferico Problemi di Salute Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 5 / 15

8 Motivazione Costo e domanda di carburante Inquinamento atmosferico Problemi di Salute Progetto EcoCAR 2 Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 5 / 15

9 Architettura Through-The-Road in Parallelo Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 6 / 15

10 Modellazione delle Dinamiche Modello Simulink Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 7 / 15

11 Modellazione delle Dinamiche Modello Simulink Modello batteria Equazione dello stato di carica della batteria: SOC = Voc V 2 oc 4τmg ωmg ηk mg ηc R batt 2R batt Q max Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 7 / 15

12 Modellazione delle Dinamiche Modello Simulink Modello batteria Consumo carburante del motore termico consumo specifico b e = ṁf P eng flusso di volume istantaneo ḃ = be Peng consumo complessivo B = ρ fuel T 0 ḃdt T 0 vdt Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 7 / 15

13 Definizione del Sistema Ibrido Definizione formale Un sistema ibrido H è un insieme di più elementi H = (Q, X, V, Y, Init, f, Dom, E, G, R) Rappresentazione grafica Q = {q 1, q 2,...}; X = R n ; V = V C V D ; Y = Y C Y D ; f (, ) : Q X R n ; Init Q X ; Dom( ) : Q P(X ); E Q Q; G( ) : E P(X ); R(, ) : E X P(X ). Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 8 / 15

14 Modello del Sistema Ibrido per PHEV PTTR Stati discreti q 1 = Veicolo fermo: il veicolo è fermo con il motore elettrico acceso o spento; q 2 = Modalità elettrica: il veicolo procede alimentato solamente dal motore elettrico; q 3 = Modalità ibrida: il veicolo procede alimentato da entrambi i motori, termico ed elettrico; q 4 = Frenata: il veicolo sta frenando ed il motore elettrico ricarica la batteria; q 5 = Ricarica di sostegno: il SOC ha raggiunto la minima carica ammissibile ed il motore elettrico ricarica la batteria. Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 9 / 15

15 Modello del Sistema Ibrido per PHEV PTTR Stati discreti Dinamiche continue SOC = stato di carica della batteria; ω e = velocità di rotazione dell engine; ω mg = velocità di rotazione del motore-generatore. Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 9 / 15

16 Modello del Sistema Ibrido per PHEV PTTR Stati discreti Dinamiche continue Ingressi Ingressi continui: velocita = velocità del veicolo; τ e = coppia dell engine; τ mg = coppia del motore-generatore. Ingressi discreti: frenata = indica quando il veicolo sta frenando. Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 9 / 15

17 Modello del Sistema Ibrido per PHEV PTTR Stati discreti Dinamiche continue Ingressi Uscite Uscite continue: P mg = potenza del motore-generatore; P e = potenza dell engine. Uscite discrete: eng = indica quando l engine è attivo; GenAsMot = indica quando la batteria alimenta il veicolo (il SOC decresce); MotAsGen = indica quando il motore ricarica la batteria (il SOC cresce). Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 9 / 15

18 Modello del Sistema Ibrido per PHEV PTTR Stati discreti Dinamiche continue Ingressi Uscite Dominio per ogni stato { ωmg = 0 Dom(q 1 ) = brake = OFF ω e = 0 ω Dom(q 2 ) = mg ω mgmax brake = OFF 0.25 < SOC 0.9 ω e ω emax ω Dom(q 3 ) = mg ω mgmax brake = OFF 0.2 SOC 0.25 ω e ω emax Dom(q 4 ) = ω mg ω mgmax brake = ON { ωe ω Dom(q 5 ) = emax ω mg ω mgmax Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 9 / 15

19 Modello del Sistema Ibrido per PHEV PTTR Stati discreti Dinamiche continue Ingressi Uscite Dominio per ogni stato Evoluzione continua per ogni stato ω e = 0 f (q 1, x, v c) = ω mg = 0 equazione SOC ω e = 0 f (q 2, x, v c) = ω mg = τmg I mg equazione SOC ω e = τe I e f (q 3, x, v c) = ω mg = τmg I mg equazione SOC f (q 4, x, v c) ω e = 0 = ω mg = τmg I mg equazione SOC f (q 5, x, v c) ω e = τe I e = ω mg = τ mg I mg equazione SOC Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 9 / 15

20 Controllo Rule-Based Tipo 1 Schema If (0.25 SOC 0.2) & (speed > 0 mph) = Hybrid mode. P mg = P eng = P demanded 2 If (SOC > 0.25) & (speed > 0 mph) = Electric mode. P mg = P demanded If (speed > 0 mph) & (SOC 0.2) = Charge sustaining mode. P mg = J mg τ mg P eng = P demanded If brake = 1 = Brake mode. P mg = J mg τ mg Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 10 / 15

21 Controllo Rule-Based Tipo 1 Schema Transizioni e 1 = {q 1, q 2 } e 2 = {q 2, q 3 } e 3 = {q 1, q 3 } e 4 = {q 2, q 4 } e 5 = {q 4, q 2 } e 6 = {q 5, q 4 } e 7 = {q 5, q 3 } e 8 = {q 3, q 4 } e 9 = {q 3, q 5 } e 10 = {q 4, q 1 } e 11 = {q 2, q 1 } e 12 = {q 2, q 5 } e 13 = {q 4, q 3 } Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 10 / 15

22 Controllo Rule-Based Tipo 1 Schema Transizioni Guardie G(e 1 ) = {speed > 0 SOC > 0.25} G(e 2 ) = {brake = 0 speed > 0 (0.25 SOC 0.2)} G(e 3 ) = {speed > 0 (0.25 SOC 0.2)} G(e 4 ) = {brake = 1} G(e 5 ) = {speed > 0 SOC > 0.25} G(e 6 ) = {brake = 1} G(e 7 ) = {brake = 0 speed > < SOC} G(e 8 ) = {brake = 1} G(e 9 ) = {brake = 0 speed > 0 SOC < 0.2} G(e 10 ) = {speed = 0} G(e 11 ) = {speed = 0} G(e 12 ) = {brake = 0 speed > SOC} G(e 13 ) = {brake = 0 speed = 0} Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 10 / 15

23 Controllo Rule-Based Tipo 2 Schema If (SOC > 0.25) & (speed 35 mph) = Hybrid mode. If Power demanded Power max motor P mg = P max P eng = P demanded P max If Power demanded < Power max motor P mg = P demanded If (SOC > 0.25) & (speed < 35 mph) = Electric mode. P mg = P demanded If (speed > 0 mph) & (0.25 SOC 0.2) = Charge sustaining mode. P mg = J mg τ mg P eng = P demanded If brake = 1 = Brake mode. P mg = J mg τ mg Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 11 / 15

24 Controllo Rule-Based Tipo 2 e 1 = {q 1, q 2 } Schema Transizioni e 2 = {q 2, q 3 } e 3 = {q 1, q 3 } e 4 = {q 2, q 4 } e 5 = {q 4, q 2 } e 6 = {q 5, q 4 } e 7 = {q 5, q 3 } e 8 = {q 3, q 4 } e 9 = {q 3, q 5 } e 10 = {q 4, q 1 } e 11 = {q 1, q 5 } e 12 = {q 5, q 2 } e 13 = {q 4, q 3 } e 14 = {q 4, q 5 } e 15 = {q 2, q 5 } e 16 = {q 2, q 1 } Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 11 / 15

25 Controllo Rule-Based Tipo 2 G(e 1 ) = {(35 > speed > 0) SOC > 0.2} Schema G(e 2 ) = {brake = 0 speed 35 SOC 0.2} G(e Transizioni 3 ) = {speed 35 SOC 0.2} G(e 4 ) = {brake = 1} Guardie G(e 5 ) = {brake = 0 (35 > speed > 0) SOC > 0.2} G(e 6 ) = {brake = 1} G(e 7 ) = {brake = 0 speed 35 SOC 0.25} G(e 8 ) = {brake = 1} G(e 9 ) = {brake = 0 speed > 0 SOC < 0.2} G(e 10 ) = {speed = 0} G(e 11 ) = {speed > 0 SOC < 0.2} G(e 12 ) = {brake = 0 speed < 35 SOC 0.25} G(e 13 ) = {brake = 0 speed 35 SOC > 0.2} G(e 14 ) = {brake = 0 speed > 0 SOC < 0.2} G(e 15 ) = {brake = 0 speed > 0 SOC < 0.2} G(e 16 ) = {speed = 0} Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 11 / 15

26 Cicli di guida Motivazione Ciclo urban dynamometer driving schedule cycle (UDDS) Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 12 / 15

27 Cicli di guida Motivazione Ciclo urban dynamometer driving schedule cycle (UDDS) Ciclo highway (HWY) Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 12 / 15

28 Cicli di guida Motivazione Ciclo urban dynamometer driving schedule cycle (UDDS) Ciclo highway (HWY) Ciclo inspection and mantained (IM240) Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 12 / 15

29 Esempio uscite Controllo Tipo 1 per il ciclo UDDS Grafico: velocità, stati discreti, SOC Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 13 / 15

30 Esempio uscite Controllo Tipo 1 per il ciclo UDDS Grafico: velocità, stati discreti, SOC Grafico: velocità, altri parametri Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 13 / 15

31 Analisi dei risultati Motivazione Grafici di confronto per il ciclo UDDS (FC, SOC) Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 14 / 15

32 Analisi dei risultati Motivazione Grafici di confronto per il ciclo UDDS (FC, SOC) Grafici di confronto per il ciclo HWY (FC, SOC) Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 14 / 15

33 Analisi dei risultati Motivazione Grafici di confronto per il ciclo UDDS (FC, SOC) Grafici di confronto per il ciclo HWY (FC, SOC) Grafici di confronto per il ciclo IM240 (FC, SOC) Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 14 / 15

34 Analisi dei risultati Motivazione Grafici di confronto per il ciclo UDDS (FC, SOC) Grafici di confronto per il ciclo HWY (FC, SOC) Grafici di confronto per il ciclo IM240 (FC, SOC) Tabella riepilogativa del consumo RB Tipo1 RB Tipo2 UDDS 110% 100% HWY 104% 100% IM % 100% Il controllo Tipo 2 è più efficiente con tragitti lunghi. Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 14 / 15

35 Motivazione Riepilogo Modello per studiare l architettura del veicolo ibrido. Controlli per studiare il consumo di carburante, basato su dati misurati. Confronto tra i controlli per il miglior consumo di carburante. Possibili lavori futuri Controllo predittivo del modello (MPC), basato sulla conoscenza: dell intero ciclo di guida (anche istanti futuri); parziale del ciclo di guida (istanti presenti e passati). Gabriele Perozzi 29 Aprile 2014 PHEV Fuel Economy Consumption 15 / 15