Model Predictive Control of a Bidirectional DC/DC Converter Used in Hybrid and Electric Vehicles


Hisar Ç. , Sefa İ.

INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON AUTOMOTIVE SCIENCE AND TECHNOLOGY, Ankara, Turkey, 8 - 10 September 2021, pp.40-49

  • Publication Type: Conference Paper / Full Text
  • City: Ankara
  • Country: Turkey
  • Page Numbers: pp.40-49

Abstract

In this study, controlling a bidirectional DC/DC converter using a model predictive controller is examined. The preferred bidirectional converter is designed to be used in powertrains of electric and hybrid vehicles. Thanks to the use of bidirectional converters in these vehicles, the performance of the battery pack increases, while the range limit of the vehicle is relatively increased with regenerative braking. On the other hand, bidirectional converters play a key role to benefit from integrated charging systems. For all these functionalities mentioned, not including any system in addition to the existing topology ensures the best use of the limited space in the vehicle. Considering the non-linear characteristics of both the battery and the electric motor, the use of classical linear controllers adversely affects the system performance. For this reason, controllers that explicitly consider the optimization problem are widely preferred today. Model predictive controllers are evaluated in this context. In the study, the state-space model of the converter was first created. After that, the switched model of the system was prepared in the MATLAB/Simulink environment and the system was controlled with a model predictive controller. The controller was designed using rapid prototyping techniques. In the simulation, the performance of the controller is examined for both cases by changing the power flow direction.

Tercih edilen iki yönlü dönüştürücü elektrikli ve hibrit araçların güç aktarım organında kullanılacak şekilde tasarlanmıştır. Bu araçlarda iki yönlü dönüştürücülerin kullanılması sayesinde batarya paketinin performansı artarken rejeneratif frenleme ile aracın menzil sınırı nispeten arttırılmış olmaktadır. Ayrıca bütünleştirilmiş şarj sistemlerinden faydalanmak için de iki yönlü dönüştürücüler anahtar rol oynamaktadır. Bahsedilen tüm bu işlevsellikler için mevcut topolojiye ek olarak herhangi bir sistemin dahil edilmemesi araç içerisindeki sınırlı hacmin en iyi şekilde kullanılmasını sağlamaktadır. Hem bataryanın hem de elektrik motorunun doğrusal olmayan karakteristikleri göz önünde bulundurulacak olursa klasik doğrusal denetleyicilerin kullanılması sistem performansını olumsuz etkilemektedir. Bu nedenle optimizasyon problemini doğrudan ele alan denetleyiciler günümüzde yaygın olarak tercih edilmektedir. Model öngörülü denetleyiciler bu kapsamda değerlendirilmektedir. Çalışmada önce dönüştürücünün durum uzay modeli oluşturulmuştur. Daha sonra sistemin anahtarlamalı modeli MATLAB/Simulink ortamında hazırlanarak model öngörülü denetleyici ile kontrolü sağlanmıştır. Denetleyici hızlı prototipleme tekniklerinden yararlanılarak tasarlanmıştır. Benzetimde güç akış yönü değiştirilerek her iki durum için de denetleyicinin performansı incelenmiştir.