[論文レビュー] Improving Energy Management of Hybrid Electric Vehicles by Considering Battery Electric-Thermal Model

Arash Mousaei|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Advanced Battery Technologies Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、最適化フレームワークにバッテリの電気的・熱的モデルを統合することで、並列型PHEV向けに強化されたオフラインエネルギー管理システム（EMS）を提案する。バッテリ温度をSOCと同様に動的状態変数として扱うことで、熱的ストレスと劣化を低減し、動的計画法（DP）に基づく最適化により、安定した温度制御とエネルギー効率の向上を実現した。

ABSTRACT

This article proposes an offline Energy Management System (EMS) for Parallel Hybrid Electric Vehicles (PHEVs). Dividing the torque between the Electric Motor (EM) and the Internal Combustion Engine (ICE) requires a suitable EMS. Batteries are vital to HEVs and significantly impact overall vehicle cost and performance. High temperature and high battery State of Charge (SOC) are the main factors that accelerate battery aging. SOC is the most critical state variable in EMS and was usually considered the only dynamic variable in previous studies. For simplicity, the battery temperature was often assumed to be constant, and the effect of EMS on temperature change was neglected. In this paper, we first apply Dynamic Programming (DP) to a PHEV without considering battery temperature variations. Then, the battery model is improved by modeling the cooling system to take into account temperature variations and show how neglecting the thermal dynamics of the battery in EMS is impractical. Finally, by integrating battery temperature as a state variable in the optimization problem, a new EMS is proposed to control battery temperature and SOC variation. Simulation results of the tested vehicle show that the proposed method controls battery charge and temperature. The proposed EMS method prevents uncontrolled fluctuations in battery temperature and reduces its deterioration rate.

研究の動機と目的

• 従来のEMS研究がバッテリ温度を一定と仮定しており、熱的ダイナミクスを無視しているという限界に対処する。
• エネルギー管理戦略において、状態容量（SOC）と温度の両方を制御することで、バッテリの耐用年数を延ばす。
• バッテリの電気的および熱的挙動の相互作用を考慮した包括的なEMSを開発する。
• バッテリベースのエネルギー管理システムにおいて、熱的効果を無視することは現実的でないことを示す。
• シミュレーションによる検証を通じて、電力分配と熱制御を連携させることで、バッテリ劣化を低減する手法を提供する。

提案手法

• 初期のPHEVモデル（熱的ダイナミクスなし）に対して動的計画法（DP）を適用し、ベースライン性能を評価する。
• 熱的ダイナミクスと冷却システムの影響を含む詳細なバッテリの電気的・熱的モデルを構築する。
• 最適化問題の状態空間を拡張し、バッテリ温度を動的状態変数として含める。
• 状態ベクトル（SOCと温度）を拡張したDPを用いて再最適化し、燃料消費量と熱的ストレスを最小化する。
• 熱的フィードバックを制御論理に統合し、運転中に温度の急激な上昇を防止する。
• 標準走行サイクル下での代表的PHEVのシミュレーションを通じて、改善されたEMSを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バッテリの熱的ダイナミクスを無視すると、PHEVエネルギー管理システムの性能と耐用年数にどのような影響を与えるか？
• RQ2 EMSにバッテリ温度を状態変数として統合することで、バッテリの健康状態とシステム効率はどの程度向上するか？
• RQ3 熱制御の影響は、PHEVにおけるSOCの変動と燃料消費量にどのような影響を与えるか？
• RQ4 電気的および熱的ダイナミクスを両方含む統合最適化フレームワークは、より持続可能なバッテリ運用を可能にするか？
• RQ5 本稿で提案するEMSは、従来のSOCのみを基準とするEMSと比較して、温度安定性とバッテリ劣化の観点でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案されたEMSは、バッテリの状態容量（SOC）と温度を両方とも制御でき、制御不能なフラクチュエーションを防止した。
• 熱的ダイナミクスを無視する従来のEMSと比較して、バッテリ温度の変動が顕著に低減された。
• 最適化フレームワークに熱的ダイナミクスを統合することで、バッテリ劣化速度の測定可能な低減が達成された。
• シミュレーション結果から、本手法が運転中の熱的ストレスを最小化することでエネルギー効率が向上することが確認された。
• EMS設計において熱的効果を無視すると、現実的ではなく、深刻な損傷を引き起こす可能性のある運転条件が生じることを示した。
• 二重状態変数（SOCと温度）を用いたDPに基づく最適化により、PHEV向けによりロバストで持続可能な制御戦略が得られた。