Optimization of Energy Management for Plug-in Hybrid Electric Vehicles based on PMP considering Temperature Conditions

Abstract

본 논문에서는 폰트리아긴 최소화 원리 기반 하이브리드 전기 자동차의 에너지 관리 최적화 기법이 제안되었다. 세계적으로 다양한 종류의 하이브리드 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 개발 및 출시가 이루어지고 있으며, 이와 함께 다양한 방법의 차량 통합 제어 알고리즘이 개발되어 오고 있다. 복잡한 계산이 요구되는 최적화 이론 기반 통합 제어 알고리즘 개발의 주요한 목적은 차량의 연비 향상 및 배기가스 감소에 있다. 대상 차량인 플러그인 하이브리드 전기 차량에 적용된 최적화 이론인 폰트리아긴 최소화 원리는 상대적으로 복잡한 계산을 거치지 않고 최적화 문제의 비용으로 고려되는 해밀토니안의 비교를 통해 최적 해를 찾게 된다. 이는 동적 최적화 방식과 같이 전 영역 최적 해의 조건을 충족하는 해를 찾을 수 없으나 상대적으로 적용이 용이하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 폰트리아긴 최소화 원리에 기반을 둔 배터리 충전량과 함께 엔진과 외기 온도 조건을 고려한 차량 에너지 관리 전략의 개발 및 다양한 하이브리드 전기 자동차에의 적용을 수행하였다. 기존의 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략과 달리 엔진 온도 조건을 상태 변수로 추가함으로써 새로운 수식이 정의 및 추가되었다. 또한 개발한 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략의 적용, 비교 및 검증을 위하여 실험 데이터를 바탕으로한 온도 조건을 고려한 플러그인 하이브리드 차량 시스템 시뮬레이션 모델이 개발되었다. 개발된 시뮬레이션 모델을 통해 온도 조건의 변화에 따른 차량 거동 및 효율 변화가 효과적으로 적용된 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 개발된 온도 조건을 고려한 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략의 적용 시 기존 플러그인 하이브리드 전기 자동차 적용 에너지 관리 전략뿐만 아니라 온도 조건을 고려하지 않은 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략 대비 차량 연비가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 기존 적용 전략 대비 온도 조건을 고려한 전략에서 엔진 구동을 상대적으로 일찍 시작함으로써 엔진 온도 상승으로인한 효율 향상 및 배터리 충전량의 높은 충전량 유지로 인한 배터리 저항 감소로 인해 상대적으로 높은 총 연비 향상 결과가 나타난 것을 확인할 수 있었다. 이와 함께 정확한 열 모델 개발 및 적용의 어려움을 고려해, 실제 적용 조건과 변수가 있는 열 모델이 온도 조건을 고려한 에너지 관리 전략 개발에 적용되었을 시에도 연비 향상 효과의 달성 가능성을 확인하였다. 또한 온도 조건을 고려한 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략의 고효율에도 불구하고 복잡한 수식으로 인한 실제 적용의 어려움을 극복하기 위해 기존 수식 기반 시뮬레이션 결과를 바탕으로한 맵 기반 온도 조건 고려 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략을 개발하였으며, 결과적으로 유사한 연료 소모량 및 최종 배터리 충전량을 보이는 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 엔진 온도 조건 고려 폰트리아긴 최소화 원리 기반 에너지 관리 전략의 적용뿐만 아니라 단순화된 맵 기반 전략의 적용을 통한 차량의 연비 효율 향상이 가능하였다.

In this dissertation an energy management strategy (EMS) developed based on Pontryagins minimum principle (PMP) which is one of optimization theories is proposed. As many types of hybrid electric vehicles (HEVs) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) have been developed and released to the global market, various types of supervisory control algorithm for the vehicles also have been developed. The main purpose of the application of complex optimization theory to the vehicle is to achieve more efficient and less polluting vehicle in a given driving conditions. The main optimization theory which is applied to the objective PHEV system, Pontryagins minimum principle, is a theory which can search optimal solution by comparing costs called Hamiltonian not calculating complex derivatives. It cannot guarantee the global optimality of the solution but has advantage that it is easier to apply than the optimization theory finding global optimal solution such as dynamic programming. In this dissertation the application method of PMP to the various HEV/PHEV systems considering not only battery state of charge (SOC) but also temperature of engine and environment is suggested. Contrary to the former researches using PMP, the engine temperature is added as a state variable so that the state and co-state equations of engine temperature are newly added. Also to develop, apply and verify the developed equations of temperature condition considered PMP-based EMS, the PHEV system simulation model considering temperature condition is developed based on the test data. The characteristics of vehicle operation behavior according to the temperature condition are depicted in the simulation model especially the engine of which efficiency extremely decreases in the cold ambient temperature condition. By the application of temperature condition considered PMP-based EMS, fuel economy increase of the vehicle is achieved compared to not only the currently applied rule-based EMS but also the PMP-based EMS as about 6.8% in cold ambient temperature and city driving mode condition. It is shown that the engine is turned on earlier than PMP-based EMS to increase engine temperature for the better operating efficiency. More frequent operation of the vehicle at higher battery SOC and engine temperature make the vehicle more efficient. Also, the improvement of fuel consumption of temperature condition considered PMP-based EMS, when the simplified thermal model which has variation to the real world is applied for the development of EMS, is verified to consider the difficulties of development and application of perfect thermal model. Though the temperature condition considered PMP-based EMS can get better fuel economy it is hard to apply to the real world system because of complex and heavy calculation load. To overcome the complexity simplified map based calculation of co-state from the pre calculated simulation results is applied and can get similar results with calculation based strategy. As a result, newly considered temperature condition in the application of PMP-based EMS leads to the improvement of vehicle efficiency in the way of complete calculation based application and also simplified map based application.