Real-time nonlinear model predictive control for thermal management in a plug-in hybrid electric vehicle
Authors:   , López Sanz Jorge 
Published: October 2023

Several socioeconomic factors are leading governments to encourage electric powered vehicles.
Currently, the bottleneck for electric vehicles mass production lies in the high voltage battery technology. One of the main challenges to ensure batteries safety, comfort, performance and durability requirements is thermal management, since operating at temperatures outside the range specified by the manufacturer, they age prematurely, lead to dangerous and uncontrolled exothermic reactions and/or be incapable of delivering the electric energy demand to move the vehicle. The tendency in the solutions design for thermal management is to use cooling circuits with more and more sophisticated architectures governed by an increasing number of electrical actuators like pumps, fans and solenoid valves. The control of these systems is complex due to their nonlinear behavior, the high number of inputs and outputs and the need of accomplishing multiple goals, usually contradictory, at the same time. In front of this class of problems, conventional control methods are taken to their limit and new optimization based methods, like model predictive control, capable of exploiting the full potential in this kind of systems, are attracting the attention of the sector.
The present thesis deals with the design of a predictive control for the battery and power
electronics cooling circuit in a Plug-In Hybrid Electric Vehicle. The main merit of the proposed
solution is that the method validation takes places in a prototype on real-time, which, as it
will be seen in the state of the art, is one of the usual lacks in most model predictive control
publications in the automotive sector. For reaching this settlement, the development of a
suitable model of the system and optimization problem definition together with the use of
an efficient and robust numerical tool, have been essential and therefore will be addressed
exhaustively in this document. Additionally, the validation by means of simulation as well
as the design of repeatable driving conditions for comparing the proposed control with the
original one in the vehicle will be shown before reaching the final validation and discussion.
Diversos factores socioeconómicos están llevando a los gobiernos a fomentar los vehículos
propulsados eléctricamente. Actualmente, el cuello de botella para la producción en masa del
vehículo eléctrico reside en la tecnología de la batería de alta tensión. Uno de los retos principales para asegurar las prestaciones de seguridad, confort, funcionamiento y durabilidad de la batería es la gestión térmica, ya que a temperaturas alejadas de las especificadas por el fabricante, ésta envejece de forma prematura, dar lugar a una peligrosa y descontrolada reacción exotérmica y/o ser incapaz de entregar la energía eléctrica necesaria para mover el vehículo. La tendencia en el diseño de soluciones para la gestión térmica, es la de usar circuitos de refrigeración con arquitecturas cada vez más sofisticadas que implican la necesidad de un mayor número de actuadores eléctricos como bombas, ventiladores y electroválvulas.
El control de estos sistemas es complejo debido a su comportamiento no lineal, al elevado
número de entradas y salidas y a la necesidad de lograr varios objetivos a la vez a menudo
contradictorios. Ante esta clase de problemas, los métodos convencionales de control son
llevados a su límite y nuevos métodos basados en optimización, como el control predictivo,
capaces de explotar el potencial de este tipo de sistemas, empiezan a atraer la atención del
sector.
Esta tesis trata del diseño de un control predictivo para la gestión térmica del circuito de
refrigeración de la batería y la electrónica de potencia en un vehículo híbrido enchufable.
El principal mérito de la solución propuesta es la validación del método en un prototipo
en tiempo real, que según se verá en la revisión del estado del arte, es una de las principales
carencias en la mayoría de estudios de esta técnica en automoción. Para llegar a esta
solución, el desarrollo de un modelo del sistema adecuado y la definición del problema de
optimización en combinación con el uso de una herramienta numérica fiable y robusta, han
sido imprescindibles y por eso ocuparán una parte importante de este documento. Asimismo
la validación por medio de simulación previa a la experimental, así como el diseño de unas
condiciones de conducción repetibles, para comparar el control propuesto con el original del
vehículo, serán tratadas antes de llegar a la validación y discusión finales
Diversos factors socioeconòmics estan portant als governs a fomentar els vehicles propulsats elèctricament. Actualment, el coll d’ampolla per a la producció en massa del vehicle elèctric resideix a la tecnologia de la bateria d’alta tensió. Un dels reptes principals per assegurar les prestacions de seguretat, confort, funcionament i durabilitat de la bateria és la gestió tèrmica, ja que a temperatures allunyades de les especificades pel fabricant, aquesta envelleix de forma prematura, donar lloc a una perillosa i descontrolada reacció exotèrmica i/o ser incapaç de lliurar l’energia elèctrica necessària per moure el vehicle. La tendència en el disseny de solucions per a la gestió tèrmica, és la d’usar circuits de refrigeració amb arquitectures cada vegada més sofisticades que impliquen la necessitat d’un major nombre d’actuadors elèctrics com a bombes, ventiladors i electrovàlvules. El control d’aquests sistemes és complex a causa del seu comportament no lineal, a l’elevat nombre d’entrades i sortides i a la necessitat de assolir diversos objectius alhora sovint contradictoris. Davant aquesta classe de problemes, els mètodes convencionals de control són portats al seu límit i nous mètodes basats en optimització, com el control predictiu, capaços d’explotar el potencial d’aquest tipus de sistemes, comencen a atreure l’atenció del sector.
Aquesta tesi tracta del disseny d’un control predictiu per a la gestió tèrmica del circuit de refrigeració de la bateria i l’electrònica de potència en un vehicle híbrid endollable. El principal
mèrit de la solució proposada és la validació del mètode en un prototip en temps real, que
segons es veurà en la revisió de l’estat de l’art, és una de les principals manques en la majoria
d’estudis d’aquesta tècnica en automoció. Per arribar a aquesta solució, el desenvolupament
d’un model del sistema adequat i la definició del problema d’optimització en combinació amb
l’ús d’una eina numèrica fiable i robusta, han estat imprescindibles i per això ocuparan una
part important d’aquest document. Així mateix la validació per mitjà de simulació prèvia a
l’experimental, així com el disseny d’unes condicions de conducció repetibles, per comparar
el control proposat amb l’original del vehicle, seran tractades abans d’arribar a la validació i
discussió finals.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden derzeit aus unterschiedlichen sozioökonomischen
Gründen von den Regierungen gefördert. Der Flaschenhals für die Massenproduktion
von dieser Technologie ist die Hochvoltbatterie, die mehrere Herausforderungen um die
Sicherheit, Komfort, Performance und Lebensdauer Anforderungen zu erfüllen begegnet.
Das Thermomanagement ist eine davon, da der Batterie Temperaturbetrieb außerhalb des
vom Hersteller angegebenen Bereiches führ zur vorzeitigen Alterung, gefährlichen und unkontrollierten
exothermischen Reaktionen und Stromversorgungsbeschränkungen, die den Antrieb des Fahrzeugs verhindern. Der Trend in das Design von Thermomanagementlösungen geht dahin, immer ausgeklügelter Kühlkreislaufarchitekturen zu verwenden, wobei eine steigende Anzahl von elektrischen Aktoren wie Pumpen, Lüftern und Ventilen, benötigt werden.
Die Regelung solcher Systeme ist komplex aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens, der zahlreichen Eingängen und Ausgängen und des Bedürfnisses mehrere Ziele gleichzeitig zu erfüllen.
Angesichts dieser Aufgabenstellung, werden die konventionelle Regelungsmethoden an ihre Grenzen gebracht und neue optimierungsbasierten Methoden wie die modellbasierte prädiktive Regelung, die das volle Potential solcher Systeme ausnutzen können, beginnen die Aufmerksamkeit der Autoindustrie auf sich zu lenken.
Die vorliegende Arbeit handelt von dem Design einer modellbasierten prädiktiven Regelung für das Thermomanagement des Batterie- und Leistungselektronikkühlkreislaufs in einem Plug-In Hybrid Fahrzeug. Der Hauptverdienst der vorgeschlagenen Lösung ist die Methodenvalidierung in einem Prototyp in Echtzeit, was häufig, wie in der Stand der Technik angeführt werden wird, einer der Mangeln der meisten Veröffentlichungen in dieser Branche ist. Um zu dieser Lösung zu gelangen, eine geeignete Modellierung und ptimierungsproblembeschreibung
sowie ein effizientes und robustes numerischesWerkzeug waren wesentlich und spielen deshalb eine wichtige Rolle in diesem Dokument. Weitere angegangene Punkte bevor der Versuchsauswertung und Schlussfolgerungen, sind die Simulationsvalidierung und das Entwurf von wiederholbaren Fahrbedingungen für einen gültigen Vergleich der vorgeschlagenen Regelung gegenüber der ursprünglichen im Fahrzeug.