PUKYONG

가변속 냉동사이클 기반 배터리 열관리 시스템의 모델예측 제어기 설계

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Alternative Title
Model Predictive Controller Design of Battery Thermal Management System Based on Variable Speed Refrigeration Cycle
Abstract
The introduction and technological advancements of eco-friendly vehicles are increasingly recognized as effective alternatives to mitigate climate change. Electric vehicles (EVs), powered by electric motors, boast minimal or virtually zero exhaust emissions during operation. To drive the electric motors, batteries are essential for storing and supplying power. However, these batteries must be carefully managed to prevent overheating-related hazards such as explosions or fires. Additionally, battery performance is closely tied to operating temperatures, and deviation from the optimal temperature range can lead to reduced lifespan and decreased energy efficiency due to a decrease in charging capacity. To maintain the safety and performance of batteries, extensive research is currently being conducted on Battery Thermal Management Systems (BTMS) employing various cooling methods. Particularly, the variable-speed refrigeration cycle has proven effective in responding to a wide range of partial loads, offering high energy efficiency and rapid, precise temperature control during load fluctuations. This technology finds applications in diverse fields such as building HVAC systems, semiconductor processes, and commercial-industrial refrigeration. The variable-speed refrigeration cycle controls the temperature by regulating the compressor's rotation speed and the Electronic Expansion Valve (EEV), concurrently managing refrigerant superheat. In cases of indirect cooling, the cycle involves the circulation of secondary refrigerant, such as Brine, for cooling purposes. To facilitate this, a cooling water pump circulates coolant, absorbing heat from the coolant material, and maintains the temperature within an appropriate range. The Electric Water Pump (EWP) plays a vital role in this process, acting as a crucial control element alongside core components like the compressor, condenser, EEV, and evaporator. While existing research has investigated the control of coolant flow using rule-based approaches based on system characteristic analyses, which set the operating rotation speed of devices like EWP, these methods may face challenges in achieving energy optimization when multiple control variables coexist. Therefore, this study introduces the Model Predictive Control (MPC) technique to comprehensively regulate the coolant flow of EWP in conjunction with a variable-speed refrigeration cycle composed of a variable-speed compressor and EEV. MPC utilizes state feedback and system models to predict future states, concurrently configuring predicted control variables into the objective function to derive optimal control inputs. Consequently, MPC, designed as a multi-variable controller for Multi-Input Multi-Output (MIMO) systems, facilitates integrated control of various parameters. In this process, MPC assigns individual weights to each control variable, enabling swift and flexible adaptation to diverse performance requirements. Furthermore, MPC allows for the anticipation of control device constraints during the optimization process, ensuring control inputs stay within the permissible maximum output range of actuators and guaranteeing optimal control performance. This study applies MPC to design and assess its control performance for an Oil Cooler System (OCS) and BTMS configured with a variable-speed refrigeration cycle. Initially, the feasibility of MPC design for OCS is verified, followed by the application of MPC to BTMS with EWP control. The performance of MPC in regulating battery module temperature, coolant temperature, and refrigerant superheat is thoroughly examined. The models for OCS and BTMS, essential for MPC design, are derived from continuous-time state-space models converted from transfer functions obtained through dynamic experiments. Subsequently, the continuous-time BTMS model is discretized, leading to an augmented model expressed in discrete-time state-space form. Based on this augmented model, MPC is designed in the MATLAB/Simulink environment, and simulations are conducted to validate the proposed design. The impact of key MPC design parameters, namely prediction horizon and control horizon values, is extensively analyzed through simulations.
Author(s)
윤민기
Issued Date
2024
Awarded Date
2024-02
Type
Dissertation
Keyword
가변속 냉동사이클, 오일쿨러 시스템, 배터리 열관리 시스템, 모델예측 제어기
Publisher
국립부경대학교 대학원
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/33640
http://pknu.dcollection.net/common/orgView/200000745394
Alternative Author(s)
Yoon Min Gi
Affiliation
국립부경대학교 대학원
Department
대학원 냉동공조공학과
Advisor
정석권
Table Of Contents
제1장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 범위 및 내용 4
제2장 가변속 냉동사이클의 제어 6
2.1 제어대상의 구성 및 사양 6
2.1.1 오일쿨러 시스템의 구성 및 제어 6
2.1.2 배터리 열관리 시스템의 구성 및 제어 7
2.2 배터리 열관리 시스템의 정특성 10
2.2.1 배터리 모사체의 열적 특성 분석 실험 10
2.2.2 최적 냉각수 온도 결정 실험 11
2.2.3 최적 과열도 결정 실험 14
2.2.4 조작량에 따른 열관리 성능 분석 16
제3장 가변속 냉동사이클의 전달함수 모델링 20
3.1 오일쿨러 시스템의 전달함수 모델링 20
3.2 배터리 열관리 시스템의 전달함수 모델링 21
3.2.1 펌프 주파수 변동에 따른 동특성 23
3.2.2 압축기 주파수 변동에 따른 동특성 24
3.2.3 EEV 개도 변동에 따른 동특성 26
제4장 모델예측 제어기 설계 29
4.1 MIMO 기반 상태 공간 모델링 29
4.1.1 오일쿨러 시스템의 상태 공간 모델 31
4.1.2 배터리 열관리 시스템의 상태 공간 모델 32
4.2 MPC 예측 모델 도출 33
4.2.1 오일쿨러 시스템의 예측 모델 33
4.2.2 배터리 열관리 시스템의 예측 모델 35
4.3 목적함수 구성 및 최적화 문제 정의 37
4.3.1 오일쿨러 시스템의 목적함수 구성 37
4.3.2 배터리 열관리 시스템의 목적함수 구성 40
4.3.3 상태 추정을 위한 칼만 상태관측기 설계 41
제5장 MATLAB 기반 시뮬레이션 결과 및 고찰 43
5.1 오일쿨러 시스템 대상 시뮬레이션 43
5.1.1 시뮬레이션 조건 및 방법 43
5.1.2 오일쿨러 시스템의 제어 성능 분석 44
5.1.3 제어기 설계 파라미터의 영향 분석 45
5.2 배터리 열관리 시스템 대상 시뮬레이션 48
5.2.1 시뮬레이션 조건 및 방법 48
5.2.2 배터리 열관리 시스템의 제어 성능 분석 48
5.2.3 제어기 설계 파라미터의 영향 분석 50
제6장 실험 결과 및 고찰 54
6.1 열잡음 영향 분석 55
6.2 오일쿨러 시스템 대상 MPC 실험 56
6.2.1 실험 조건 및 방법 56
6.2.2 제어기의 성능 검증 및 분석 58
6.2.3 PI 제어기와의 제어성능 비교 60
6.3 배터리 열관리 시스템 대상 MPC 실험 62
6.3.1 실험 조건 및 방법 62
6.3.2 제어기의 성능 검증 및 분석 65
제7장 결 론 68
참고문헌 69
Appendix 72
A.1 OCS 모델링 및 MPC 파라미터 설계를 위한 Matlab code 72
A.2 OCS의 MPC 제어기 function block의 Matlab code 73
A.3 BTMS 모델링 및 MPC 파라미터 설계를 위한 Matlab code 75
A.4 BTMS의 MPC 제어기 function block의 Matlab code 77
학술지 게재 논문 및 학술대회 발표 논문 목록 79
감사의 글 80
Degree
Master
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대학원 > 냉동공조공학과
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  • Authorize공개
  • Embargo2024-02-16
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