Control and nonlinear stability analysis of the electromechanical system of electric vehicles

Abstract

The present PhD dissertation is addressed in the research field of control and analysis of motion systems in vehicular industry and more precisely in providing a systematic procedure for the control design applied on electrified vehicles with respect to the system stability. In particular, taking into account the nonlinear representations of all components involved in an electrified vehicle, namely the energy storage, both electric and internal combustion motors, and power converters, an accurate model is developed that sets the basis for control design and analysis purposes. System performance is examined in a first place via the proposal of a novel open-loop stability analysis. The latter is conducted by applying Lyapunov based nonlinear techniques that actually prove system convergence to its desired equilibrium for any feasible bounded control input signals. Those theoretical results set the cornerstone towards adopting intelligent control techniques, fuzzy and neurofuzzy, due to the bounded control signals they produce and their efficiency in copying with system nonlinearities and uncertainties. In a similar manner, a combination of sliding mode and field oriented techniques are applied and provide an improved system dynamic behavior endowing it with characteristics of robustness with the system stability again to be proven based on the novel open-loop analysis. Towards extending the aforementioned effort, a general systematic procedure for control design based on simple cascaded PI controllers that can ensure stability for a wide category of Euler-Lagrange systems is developed. In this framework, asymptotic stability is proven for the electrified vehicle system by keeping in mind its desired equilibrium and applying proper cascaded PI controllers with their gains to be tuned based on the adopted systematic analysis. In addition, a vehicle to grid system is also considered and analysed based on the proposed method and its accurate dynamic representation. Specifically, in a first stage the mathematical representation of a vehicle to grid system combined with multiple connected vehicles is deployed and its stability is proven by applying trivial PI controllers and adopting the proposed open-loop analysis. Afterwards, a unified vehicle to grid - plug-in electric vehicle system is developed and controlled based on the proposed systematic passivity based procedure that ensures global asymptotic stability of the entire system around its desired equilibrium. In all cases, the extracted theoretical results are verified by conducting extensive simulations that indicate a satisfactory system response with smooth transients and a successful driving of the entire system to its desired equilibrium.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή προσανατολίζεται στον ερευνητικό τομέα του ελέγχου και της ανάλυσης συστημάτων κίνησης που συναντώνται στην αυτοκινητοβιομηχανία και πιο συγκεκριμένα στην ανάπτυξη μιας συστηματοποιημένης διαδικασίας για τον σχεδιασμό ελέγχου που εφαρμόζεται σε ηλεκτρικά οχήματα και εξασφαλίζει την ευστάθειά τους. Συγκεκριμένα, λαμβάνοντας υπ’ οψιν τις μη γραμμικές αναπαραστάσεις όλων των εξαρτημάτων ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος όπως είναι η συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, οι κινητήρες, ηλεκτρικοί αλλά και εσωτερικής καύσης, και οι μετατροπείς ισχύος, αναπτύσσεται ένα ακριβές μοντέλο που αποτελεί βάση για το σχεδιασμό κατάλληλου ελέγχου και την ανάλυση του συνολικού συστήματος. Η απόδοση του συστήματος εξετάζεται αρχικά μέσω μιας καινοτόμου ανάλυσης ευστάθειας ανοιχτού βρόχου. Η τελευταία πραγματοποιείται με την εφαρμογή μη γραμμικών τεχνικών Lyapunov που αποδεικνύουν τη σύγκλιση του συστήματος σε ένα επιθυμητό σημείο ισορροπίας για οποιεσδήποτε φραγμένες εισόδους ελέγχου. Τα θεωρητικά αυτά αποτελέσματα αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο για την εφαρμογή ευφυών τεχνικών ελέγχου στο σύστημα του ηλεκτροκίνητου οχήματος, λόγω των φραγμένων σημάτων ελέγχου που παράγουν και την αποτελεσματικότητά τους στην αντιμετώπιση των μη γραμμικοτήτων και των αβεβαιοτήτων του συστήματος. Με παρόμοιο τρόπο, ένας συνδυασμός του ελέγχου ολίσθησης και των τεχνικών προσανατολισμού υιοθετείται με στόχο τη βελτιωμένη δυναμική συμπεριφορά και σθεναρότητα του συστήματος. Η παραπάνω προσπάθεια επεκτείνεται στην ανάπτυξη μια γενικής συστηματοποιημένης διαδικασίας σχεδιασμού ελέγχου που βασίζεται σε απλούς PI ελεγκτές οι οποίοι μπορούν να διασφαλίσουν την ευστάθεια μιας ευρεία κατηγορία Euler-Lagrange συστημάτων. Σε αυτό το πλαίσιο, η ασυμπτωτική ευστάθεια του ηλεκτρομηχανικού συστήματος του ηλεκτροκίνητου οχήματος αποδεικνύεται με βάση το επιθυμητό σημείο ισορροπίας και την εφαρμογή κατάλληλων PI ελεγκτών τα κέρδη των οποίων επιλέγονται μέσω της αναπτυχθείσας συστηματικής ανάλυσης. Επιπλέον, στην παρούσα διατριβή το σύστημα ενός σταθμού φόρτισης ηλεκτροκίνητων οχημάτων εξετάζεται και αναλύεται και με βάση την προτεινόμενη μέθοδο. Αρχικά, η μαθηματική αναπαράσταση του συστήματος του σταθμού φόρτισης σε συνδυασμό με τα οχήματα που συνδέονται σε αυτό αναπτύσσεται και σε επόμενο στάδιο η ευστάθεια αυτού αποδεικνύεται με την εφαρμογή PI ελεγκτών και την υιοθέτηση της προτεινόμενης ανάλυσης ανοιχτού βρόχου. Στη συνέχεια, το ενοποιημένο σύστημα του σταθμού φόρτισης και ενός plug-in ηλεκτρικού οχήματος εξάγεται και ελέγχεται με βάση την προτεινόμενη συστηματοποιημένη διαδικασία η οποία και διασφαλίζει την ολική ασυμπτωτική ευστάθεια του συνολικού συστήματος γύρω από την επιθυμητή ισορροπία. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα εξαγόμενα θεωρητικά αποτελέσματα επαληθεύονται μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων που καταδεικνύουν την ικανοποιητική απόκριση συστήματος με ομαλά μεταβατικά φαινόμενα και την επιτυχημένη οδήγηση του συνολικού συστήματος στο επιθυμητό σημείο ισορροπίας του.