Control por modelo predictivo para la estimación de la carga y descarga de un vehículo eléctrico puro

Abstract

[ES] El objetivo de esta tesis es introducir un método para simular el funcionamiento de un vehículo eléctrico completo y su batería en un solo ciclo de carga y manejo basado en controladores MPC. El objetivo es la estimación a corto plazo de los estados dinámicos de la batería sujetos a restricciones de operación que pueden ser manejados fácilmente por un controlador MPC segundo por segundo. El objetivo final es analizar diferentes escenarios para estudiar el impacto de algunos factores operativos, p. Ej. el rango y el tiempo de carga, la temperatura ambiente y el consumo, la estrategia de carga y la temperatura de la batería. Del mismo modo, la solución presentada también permite la predicción del tiempo mínimo de carga para una distancia objetivo determinada. Las principales variables identificadas para mejorar el rendimiento de la batería EV son el tiempo de carga, el alcance del vehículo y la vida útil de la batería, por lo que el modelado incluye un modelo eléctrico, un modelo de consumo y un modelo térmico. Dado que una caracterización muy precisa del comportamiento termoeléctrico de la batería y el modelo del tren motriz conduce a un problema complejo no lineal, se proponen modelos lineales simplificados para que un controlador MPC pueda resolverlos durante el tiempo de simulación. Estas simplificaciones consideradas en el modelado son tema de discusión a lo largo de la tesis y uno de los principales objetivos de este trabajo es la validación del modelo empleado en base a investigaciones anteriores para la misma batería y características del vehículo. En la evaluación de los resultados para un Nissan Leaf de 24 kWh, el error en el tiempo de carga fue de alrededor del 3% y la temperatura prevista presentó un error absoluto inferior a ± 1 ºC. En el caso de la descarga, el error en la tasa de consumo se estimó entre 1% - 5.2% dependiendo de la media de las velocidades. Los resultados simulados muestran que el tiempo de carga y el rango pueden relacionarse linealmente con bajas tasas de corriente de carga (por debajo de 1C) mientras que la linealidad se transgrede para altas tasas de carga debido a la restricción de voltaje durante la carga. Una de las observaciones esenciales es que se pueden alcanzar fácilmente altas temperaturas dañinas durante un ciclo de carga-descarga a ciclos de altas tasas de C sin la acción de ningún sistema BTM. El control de la carga con restricción térmica ofrece una alternativa factible, aunque la modulación de la corriente no puede evitar que la batería se sobrecaliente por márgenes cortos entre la temperatura inicial y la temperatura de restricción.

[EN] The objective of this thesis is to introduce a method to simulate the operation of a full electric vehicle and its battery over a single charge-drive cycle based on MPC controllers. The aim is the short-term estimation of the dynamic states of the battery subjected to operation constraints that can be easily handled by an MPC controller second-by-second. The ultimate goal is to analyse different scenarios to study the impact of some operation factors, e.g. the range and time of charge, ambient temperature and consumption, charge strategy and battery temperature. Similarly, the presented solution allows also the prediction of the minimum time of charge for a given target distance. The main variables identified to improve the performance of the EV battery are the time of charge, the vehicle range and the battery lifetime so the modelling includes an electric model, a consumption model and a thermal model. Since a very accurate characterization of the thermal-electric behaviour of the battery and the powertrain model leads to a complex nonlinear problem, simplified linear models are proposed so that they can be solved by an MPC controller over the simulation time. These simplifications considered in the modelling are subject of discussion throughout the thesis and one of the main goals of this work is the validation of the model employed based on previous researches for the same battery and vehicle features. In the evaluation of the results for a Nissan Leaf 24 kWh, the error on the time of charge was around 3% and the predicted temperature presented an absolute error lower than ± 1 ºC. In the case of the discharge, the error on the consumption rate was estimated between 1% - 5.2% depending on the mean of speeds. Simulated results show that the time of charge and the range can be linearly related with low charge current rates (under 1C) while the linearity is transgressed for high charge rates due to the voltage constraint during the charge. One of the essential observations is that damaging high temperatures can easily be reached during a charge-discharge cycle at high C-rates cycles without the action of any BTM system. The thermal-constrained control of the charge offers a feasible alternative, though the modulation of the current cannot save the battery from overheating for short margins between the initial temperature and the constraint temperature.