Vehicle powertrain electrification, i.e. combining the internal combustion engine (ICE) with an electric motor (EM), is a potential way of meeting the increased demands for efficient and low emission transportation, at a price of increased powertrain complexity since more degrees of freedom (DoF) have been introduced. Optimal control is used in a series of studies of how to best exploit the additional DoFs. In a diesel-electric powertrain the absence of a secondary energy storage and mechanical connection between the ICE and the wheels means that all electricity used by the EMs needs to be produced simultaneously by the ICE, whose rotational speed is a DoF. This in combination with the relatively slow dynamics of the turbocharger in the ICE puts high requirements on good transient control. In optimal control studies, accurate models with good extrapolation properties are needed. For this aim two nonlinear physics based models are developed and made available that fulfill these requirements, these are also smooth in the region of interest, to enable gradient based optimization techniques. Using optimal control and one of the developed models, the turbocharger dynamics are shown to have a strong impact on how to control the powertrain and neglecting these can lead to erroneous estimates both in the response of the powertrain as well as how the powertrain should be controlled. Also the objective, whether time or fuel is to be minimized, influences the engine speed-torque path to be used, even though it is shown that the time optimal solution is almost fuel optimal. To increase the freedom of the powertrain control, a small energy storage can be added to assist in the transients. This is shown to be especially useful to decrease the response time of the powertrain, but the manner it is used, depends on the time horizon of the optimal control problem. The resulting optimal control solutions are for certain cases oscillatory when stationary controls would have been expected. This is shown to be neither an artifact of the discretization used nor a result of the modeling assumptions used. Instead it is for the formulated problems actually optimal to use periodic control in certain stationary operating points. Measurements show that the pumping torque is different depending on whether the controls are periodic or constant despite the same average value. Whether this is beneficial or not depends on the operating point and control frequency, but can be predicted using optimal periodic control theory. In hybrid electric vehicles (HEV) the size of the energy storage reduces the impact of poor transient control, since the battery can compensate for the slower dynamics of the ICE. For HEVs the problem instead is how and when to use the battery to ensure good fuel economy. An adaptive map-based equivalent consumption minimization strategy controller using battery state of charge for feedback control is designed and tested in a real vehicle with good results, even when the controller is started with poor initial values. In a plug-in HEV (PHEV) the battery is even larger, enabling all-electric drive, making it it desirable to use the energy in the battery during the driving mission. A controller is designed and implemented for a PHEV Benchmark and is shown to perform well even for unknown driving cycles, requiring a minimum of future knowledge. / Elektrifiering av drivlinan i fordon är ett sätt att möta kraven på transporter med hög effektivitet och låga utsläpp. Att byta ut förbränningsmotorn mot en elmotor kan ge vinningar avseende effektivitet, prestanda och utsläpp, men till en kostnad av lägre mobilitet på grund av eletriska energilagers relativt låga energitäthet i jämförelse med fossila bränslen. Att istället komplettera förbränningsmotorn med en elmotor erbjuder möjligheten att kombinera de två systemens fördelar och samtidigt undvika nackdelarna. Att använda mer än en motor i drivlinan ökar komplexiteten eftersom fler frihetsgrader har introducerats. Detta ställer ökade krav på utformningen av reglersystemet för att få ut det mesta av potentialen i drivlinan. I optimal styrning använder man matematiska modeller och optimeringsalgoritmer för att beräkna hur man bäst styr det modellerade systemet. Storleken på det elektriska energilagret påverkar dock valet av optimal styrnings-metod samt vilken detaljnivå på modellerna som behövs. I avhandlingen används optimal styrning i en serie studier av hur man bäst utnyttjar de extra frihetsgraderna som elektrifieringen har introducerat. I en diesel-elektrisk drivlina finns det ingen mekanisk koppling mellan motorn och hjulen, likt en växellåda i ett vanligt fordon, vilket gör att dieselmotorns varvtal är en frihetsgrad som måste styras. Avsaknaden av elektriskt energilager leder också till att all elektrisk energi till elmotorn måste produceras av förbränningsmotorn exakt då den behövs. Dessa två egenskaper, i kombination med den långsamma dynamiken hos turboaggregatet, ställer detta höga krav på god transientreglering. För att studera optimal styrning krävs bra modeller med goda extrapoleringsegenskaper. Med avseende på detta utvecklas två fysik-baserade modeller som uppfyller dessa krav och dessutom är tillräckligt glatta i det relevanta arbetsområdet för att möjliggöra gradient-baserade optimeringstekniker. Med optimal styrning och en av de utvecklade modellerna visas turbons dynamik ha stor påverkan på hur drivlinan bör styras. Att försumma turbodynamiken kan leda till felaktiga uppskattningar, både av drivlinans responstid, men även hur den bör styras. Kriteriet, det vill säga om bränsle eller tidsåtgången minimeras, påverkar också vilken motorvarvtal-motormoment-väg som är optimal, även om det visas att den tidsoptimala lösningen är nästan bränsleoptimal. För att ytterligare öka frihetsgraden i drivlinan kan ett elektriskt energilager användas för att assistera i transienterna. Detta visar sig vara särskilt användbart för att minska responstiden hos drivlinan, men hur det ska använda beror på tidshorisonten på optimeringsproblemet De resulterande optimala styrsignalerna är i vissa fall oscillerande där konstanta styrsignaler förväntas. Detta visas vara vare sig en effekt av den använda diskretiseringen eller modelleringsvalen som är gjorda. Istället är det för de lösta problemen faktiskt optimalt att använda periodiska styrsignaler för vissa stationära arbetspunkter. I experiment visas att pumparbetet skiljer sig beroende på om periodiska eller konstanta styrsignaler används, även om medelvärdet är detsamma. Huruvida detta ökar effektiviteten eller inte beror på arbetspunkt och periodtid. För hybridelektriska fordon (HEV) så minskar batteriets storlek effekten av dålig transientreglering då batteriet kan användas för att kompensera för den långsamma förbränningsmotordynamiken. Istället blir problemet i huvudsak hur mycket och när batteriet ska användas för att få god bränsleekonomi. En adaptiv mapp-baserad ekvivalentförbruknings-minimerande styrlag (ECMS) med återkopplad reglering baserad på batteriets laddningsnivå, utvecklas och testas i riktigt fordon med gott resultat, även vid dålig initialisering av regulatorn. För plug-in hybrider (PHEV) är batteriet större och kan dessutom laddas från elnätet, vilket medför möjlighet till rent elektrisk drift och att det är önskvärt att använda energin i batteriet under köruppdraget. För att minska energiåtgången är det däremot ofta lönsamt att blanda energin från bränsle och batteriet kontinuerligt under köruppdraget och se till att batteriet töms lagom till slutet av köruppdraget. För att åstadkomma detta måste då även urladdningstakten bestämmas. En regulator utvecklas för att minimera energiåtgången för en PHEV, det vill säga som försöker använda lagom av batteriet så det ska räcka hela vägen, men inte längre. Denna regulator implementeras för ett referensproblem, med gott resultat även för okända körcykler, trots ett minimum av framtidskunskap.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:liu-117290 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Sivertsson, Martin |
| Publisher | Linköpings universitet, Fordonssystem, Linköpings universitet, Tekniska högskolan, Linköping |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, 0345-7524 ; 1661 |
Page generated in 0.0196 seconds