8/7/2019 ev power flow

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I n t h e p o w e r t r a i n o f e l e c t r i c a l v e h i c l e s , a c o m b i n e ds t o r a g e s y s t e m i s d e f i n i t e l y a n e f f e c t i v e a n d u s e f u l s o l u t i o n f o rb a l a n c i n g t h e m i s m a t c h b e t w e e n t h e a v a i l a b l e e n e r g y s u p p l i e db y t h e s o u r c e s a n d t h e p o w e r r e q u i r e d b y t h e l o a d . B e n e f i t sc o n n e c t e d t o t h e c o m b i n e d u s e o f d i f f e r e n t s t o r a g e d e v i c e s i st h o u g h s u b o r d i n a t e d t o t h e i r s y n e r g i c a c t i o n a n d t h e i rc o m p l e m e n t a r y u s e . S p e c i f i c a l l y , b o t h t h e p o w e r f l o w s i n t oa n d f r o m e a c h s t o r a g e d e v i c e h a v e t o b e d e s i g n e d a c c u r a t e l ya n d c o n t r o l l e d a c c o r d i n g t o a g l o b a l e n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g y . T h i s h a s t o b e d e s i g n e d w i t h t h e a i m o f o p t i m i z i n gt h e e n e r g e t i c e f f i c i e n c y a n d o f a v o i d i n g t h a t i r r e g u l a r w o r k i n gc o n d i t i o n s c o u l d r ed u c e t h e l i f e o f t h e c o m p o n e n t s .A new c o n t r o l s t r a t e g y f o r t h e m a n a g e m e n t o f t h e p o w e rf l o w s i n t h e p o w e r t r a i n o f a n e l e c t r i c v e h i c l e s u p p l i e d b y f u e lc e l l s , e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s a n d s u p e r c a p a c i t o r s i sp r e s e n t e d i n t h e p a p e r . T h i s s t r a t e g y i s b a s e d o n t w oi n d e p e n d e n t c o n t r o l a l g o r i t h m s w i t h a h i e r a r c h i c s t r u c t u r e .T h e f o r m e r a l g o r i t h m d r i v e s t h e p o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r t e rt h a t o p e r a t e a s i n t e r f a c e b e t w e e n f u e l c e l l s a n de l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s ; t h e l a t t e r d r i v e s t h e c o n v e r t e ri n t e r c o n n e c t i n g s u p e r c a p a c i t o r s a n d b a t t e r i e s . T h e c o n t r o ls t r a t e g y h a s b e e n p r o g r a m m e d o n r e a l c o n v e r t e r s a n d h a s b e e nv a l i d a t e d w i t h e x p e r i m e n t a l t e s t s o n a s a m p l e d r i v ec o n f i g u r a t i o n . Some r e l e v a n t r e s u l t s a r e r e p o r t e d i n t h e p a p e ra n d c o m m e n t e d .

I I . S Y S T EM CONFIGURATION AN D C O N T R O L STRATEGYT h e r e q u i r e m e n t s o f t h e m a n a g e m e n t o f p o w e r f l o w s i n t h ep o w e r t r a i n o f t h e e l e c t r i c a l v e h i c l e i m p l y t h a t t h e f u e l c e l l sa n d t h e s u p e r c a p a c i t o r s a r e c o n n e c t e d t o t h e d c b u s b y m e a n so f d c / d c c o n v e r t e r s , a s f i g . 1 s h o w s . I n p a r t i c u l a r , t h e f u e l c e l lr e q u i r e s a s i n g l e q u a d r a n t d c - d c c o n v e r t e r ; t h e s u p e r c a p a c i t o r sr e q u i r e i n s t e a d a b i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e r t e r , b e c a u s e t h e yn e e d t o b e b o t h c h a r g e d a n d d i s c h a r g e d . T h e c o n v e r t e r sr e g u l a t e t h e o u t p u t p o w e r o f e a c h d e v i c e c h a n g i n g t h e i r o u t p u tv o l t a g e s ; i n a d d i t i o n , t h e y h a r m o n i z e t h e o p e r a t i n g v o l t a g e s o ft h e d e v i c e s w i t h t h e v o l t a g e o f t h e d c b u s . As c a n b e f ou n dc o m m o n l y i n t h e t e c h n i c a l l i t e r a t u r e [ 7 , 8 ] , t h e e l e c t r o c h e m i c a lb a t t e r i e s a r e c o n n e c t e d i n p a r a l l e l t o t h e d c b u s o f t h e V S Ii n v e r t e r s u p p l y i n g t h e t r a c t i o n m o t o r .

P f - B a t t e r i e s

C e l e c t o c e m c a b a t r i e an3uecaaios T h e r a i n treP o s t a d c / d c

S u p e r c a p a c i t o r sF i g . 1 . B l o c k d i a g r a m o f t h e p o w e r s y s t e m o f a n e l e c t r i c v e h i c l e w i t hc o m p o u n d s t o r a g e d e v i c e s .I f r e f e r e n c e i s m a d e t o a p o w e r t r a i n w i t h f u e l c e l l s ,e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s a n d s u p e r c a p a c i t o r s , t h e m a i n t a r g e to f t h e c o n t r o l s t r a t e g y i s t h e e v a l u a t i o n o f t h e o u t - o u t p D o w e r so f e a c h d e v i c e . T h e b l o c k d i a g r a m o f f i g . I p u t s i n e v i d e n c et h a t t h e r e a r e o n e e l e c t r i c a l s o u r c e a n d t w o s t o r a g e d e v i c e s ,

3 5w h i c h r e s p e c t i v e l y m a k e a v a i l a b l e t o t h e s y s t e m t h e p o w e r sP f , P b a n d P , . H o w e v e r , t h e s e t h r e e p o w e r s a r e n o ti n d e p e n d e n t o n e o n t h e o t h e r s , b e c a u s e t h e y h a v e t o s a t i s f yt h e a l g e b r a i c e q u a t i o n s t a t i n g t h a t t h e i r s u m m a t i o n i s e q u a l t ot h e p o w e r r e q u i r e d b y t h e l o a d , P L . S u c h a n h y br i d s y s t em i st h e r e f o r e a p h y s i c a l s y s t e m w i t h t w o d e g r e e s o f f r e e d o m . F o rt h i s r e a s o n , i t i s p o s s i b l e t o s e l e c t t w o a u x i l i a r y c o n d i t i o n s a n di t i s c o n v e n i e n t t h a t t h e s e c o n d i t i o n s i n v o l v e o p t i m i z e do p e r a t i o n s f o r t h e p o w e r t r a i n . T h e a u x i l i a r y c o n d i t i o n s e td e f i n e s , h e n c e , t h e c o n t r o l a l g o r i t h m .T h e t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f f u e l c e l l s s u g g e s t , a s a nu s e f u l a u x i l i a r y c o n d i t i o n , t h a t t h e f u e l c e l l s o p e r a t e w i t hc o n s t a n t o u t p u t p o w e r :

P f c P f c , M a x ( 1 )T h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n w i t h c o n s t a n t p o w e r a v o i d s t h a tr e p e t i t i v e t r a n s i e n t s , a m o n g d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s , c o u l dr e d u c e t h e l i f e o f t h e f u e l c e l l s . T h e r e f e r e n c e p o w e r P f c , M a x i st h e p o w e r c o r r e s p o n d i n g t o t h e maximum e f f i c i e n c y o f t h ed e v i c e . I f t h e r e f e r e n c e p o w e r i s i n d e e d s e t i n t h e p o i n t o f t h emaximum e f f i c i e n c y , t h e l o s s e s a r e m i n i m i s e d a n d t h e v e h i c l ea u t o n o m y i s i n c r e a s e d .I f t h e p r i m a r y s o u r c e s u p p l i e s a c o n s t a n t p o w e r , P f , t h ee n e r g y s t o r a g e s y s t e m h a s t o c o m p e n s a t e t h e d i f f e r e n c eb e t w e e n P f , a n d t h e l o a d p o w e r , P L . T h e c o n t r o l s t r a t e g y o ft h e p o w e r f l o w m a n a g e m e n t h a s t o s h a r e t h e p o w e r s u p p l i e db y t h e e n e r g y s t o r a g e s y s t e m b e t w e e n t h e e l e c t r o c h e m i c a lb a t t e r i e s a n d t h e s u p e r c a p a c i t o r s . T h i s c a n b e a c h i ev ed s e t t i n ga s s e c o n d a u x i l i a r y c o n d i t i o n a n o p t i m i s e d w o r k i n g o p e r a t i o no f e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s . T h i s c o n d i t i o n i s t h a t b o t h d u r i n gt h e d i s c h a r g e a n d r e c h a r g e p e r i o d s t h e c u r r e n t s s u p p l i e d b yb a t t e r i e s a r e l i m i t e d . T h e t e c h n i c a l l i t e r a t u r e h a s d e a l t w i t h t h el i f e r e d u c t i o n o f b a t t e r i e s c o n n e c t e d t o t h e p e a k c u r r e n t ss u p p l i e d . A t p r e s e n t , t h e c om m o n o p i n i o n i s t h a t p e a k c u r r e n t si n v o l v e a g r a d u a l d e t e r i o r a t i o n o f t h e a c t i v e m a t e r i a l s i n s i d et h e b a t t e r y a n d , c o n s e q u e n t l y , a r e d u c t i o n o f p e r f o r m a n c e sa n d a l s o o f t h e l i f e . T h e r e f o r e , t h e c o n t r o l a l g o r i t h m h a s t ol i m i t t h e b a t t e r y c u r r e n t t o v a l u e s l o w e r t h e n t h e r e f e r e n c ec u r r e n t I b , L :

I i b < I b , L ( 2 )T h e e l e c t r o c h e m i c a l s u p e r c a p a c i t o r s c a n b e e f f e c t i v e l y u s e d a se n e r g y s t o r a g e s y s t e m f o r s u p p o r t i n g t h e b a t t e r y p a c k . T h e yc a n b e u s e d f o r s u p p l y i n g t h e s h o r t p o w e r p e a k s t h a t t h eb a t t e r i e s , d r i v e n w i t h t h e c u r r e n t l i m i t a t i o n , c o u l d n o t s u p p l y .

T h e c o n t r o l s t r a t e g y o f p o w e r f l o w s i s i m p l e m e n t e d b ym e a n s o f t w o d i f f e r e n t c o n t r o l a l g o r i t h m s o n t h e d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r s d r i v i n g r e s p e c t i v e l y t h e c o n v e r t e r o f t h e f u e l c e l l sa n d t h e c o n v e r t e r o f t h e s u p e r c a p a c i t o r s . T h e f o r m e r c o n t r o l st h e p o w e r f l o w s o f f u e l c e l l s , w h e r e a s t h e l a t t e r c o n t r o l s t h ep o w e r s h a r i n g b e t w e e n t h e s u p e r c a p a c i t o r s a n d t h e b a t t e r i e s .A . C o n t r o l a l g o r i t h m f o r t h e c o n v e r t e r o f f u e l c e l l s

As d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , t h e a c h i e v e m e n t o ft h e maximum e f f i c i e n c y c o n d i t i o n i s o b t a i n e d w h e n t h e f u e lc e l l s s u p p l y c o n s t a n t p o w e r e q u a l t o P f c , M a x C o n s t a n t p o w e ro p e r a t i o n s o f f u e l c e l l s i m p l i e s t h a t t h e s e r e c h a r g e t h e b a t t e r y

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w h e n t h e l o a d power i s l o w e r t h a n P f c , M a x T h i s i s o b v i o u s l yp o s s i b l e u n t i l t h e b a t t e r y i s c o m p l e t e l y c h a r g e d , b e c a u s eo t h e r w i s e d i s s o c i a t i o n processes, i n v o l v i n g r e l e a s e o fh y d r o g e n , may a r i s e i n s i d e t h e c e l l s o f t h e b a t t e r y a n d l e a d t oan i r r e v e r s i b l e d e t e r i o r a t i o n o f t h e w h o l e b a t t e r y . T h e s eprocesses s t a r t w h e n t h e v o l t a g e o f t h e b a t t e r y c e l l s i s g r e a t e rt h a n a l i m i t v a l u e , t y p i c a l l y e q u a l t o 2 . 4 V f o r t h e l e a d - a c i db a t t e r i e s . P r e v i o u s c o n s i d e r a t i o n s l e a d t o t h e c o n c l u s i o n t h a tt h e c o n d i t i o n o f c o n s t a n t f u e l c e l l power i s s u b o r d i n a t e d t o t h ec o n d i t i o n t h a t t h e b a t t e r y i s n o t d a m a g e d . When t h e b a t t e r ya p p r o a c h e s i t s maximum s t a t e o f c h a r g e , t h e c o n t r o l a l g o r i t h mo f f u e l c e l l c o n v e r t e r h a s t o r e d u c e t h e f u e l c e l l o u t p u t poweri n o r d e r t o k e e p t h e b a t t e r y v o l t a g e , Vb , u n d e r t h e maximuma l l o w a b l e v a l u e , V b , M a x .T h e r e f o r e , t h e c o n t r o l a l g o r i t h m s w i t c h e s f r o m t h e f u e l c e l lpower c o n t r o l t o t h e b a t t e r y v o l t a g e c o n t r o l . I n t h i s c o n d i t i o n ,t h e f u e l c e l l w o r k s w i t h r e d u c e d a n d v a r i a b l e power k e e p i n gt h e b a t t e r y v o l t a g e e q u a l t o t h e maximum v o l t a g e . T h e b a c kt r a n s i t i o n occurs i n s t e a d when t h e l o a d r e q u i r e s a powerg r e a t e r t h a n t h e P f c M a x b e c a u s e t h e e x t r a power r e q u i r e d h a s t ob e s u p p l i e d b y t h e b a t t e r y . S p e c i f i c a l l y , t h e t r a n s i t i o n h a p p e n swhen i t i s s a t i s f i e d t h e c o n d i t i o n , i . e . P f c > P f c M a x .T h e c o n t r o l a l g o r i t h m o f f u e l c e l l s h a s an i n t e r n a l s t r u c t u r eo r g a n i z e d w i t h a d i s c r e t e s t a t e m a c h i n e . I t i s r e a l i z e d i np a r t i c u l a r w i t h tw o d i f f e r e n t s t a t e s c o r r e s p o n d i n g t o t h e f u e lc e l l power c o n t r o l a n d t o t h e b a t t e r y v o l t a g e c o n t r o l , as f i g . 2s h o w s . I n b o t h c a s e s , t h e c o n t r o l l e r r e g u l a t e t h e o u t p u t o f t h ed c / d c c o n v e r t e r b y means o f P I r e g u l a t o r s .

Vb> P f , > P/c,Max

F i g . 2 . B l o c k d i a g r a m o f t h e s t a t e s a n d t h e t r a n s i t i o n s o f t h e f u e l c e l l c o n t r o la l g o r i t h m .

B . C o n t r o l a l g o r i t h m f o r t h e c o n v e r t e r o f s u p e r c a p a c i t o r sS u p e r c a p a c i t o r s h a s t o s u p p o r t e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s f o r

l i m i t i n g t h e i r d i s c h a r g e c u r r e n t s , i b , d u r i n g l o a d p e a k s o f s h o r td u r a t i o n . T h e s u p e r c a p a c i t o r s are d i s c h a r g e d when t h e b a t t e r yc u r r e n t i s h i g h e r t h a n t h e r e f e r e n c e l i m i t c u r r e n t , I b , L W he nt h e p o w e r r e q u e s t e d b y t h e l o a d d e c r e a s e s , t h e c o n t r o l s y s t e mm a k e s s u p e r c a p a c i t o r s r e c h a r g e d u p t o t h e i r maximum s t a t e o fc h a r g e . T h e c u r r e n t s u p p l i e d b y t h e b a t t e r y i s c o n t r o l l e d b yr e g u l a t i n g t h e o u t p u t v o l t a g e o f t h e d c / d c b i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r w i t h a p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l r e g u l a t o r , w h o s e o u t p u ts i g n a l r e p r e s e n t s t h e r e f e r e n c e d u t y c y c l e o f t h e c o n v e r t e r .T h e l i m i t a t i o n o f t h e c u r r e n t i b r e p r e s e n t s an o p t i m a lo p e r a t i v e c o n d i t i o n i n o r d e r t o preserve e l e c t r o c h e m i c a l

3 6b a t t e r i e s f r o m l o n g t e r m d a m a g e s a n d t h e r e d u c t i o n o f t h e i ro p e r a t i n g l i f e . H o w e v e r , t h i s c a n b e a c h i e v e d o n l y i f t h e r e a r en o t c r i t i c a l c o n d i t i o n s o r d a m a g e s f o r t h e d e v i c e s . O n e o ft h e s e i s t h e o v e r c u r r e n t o f s u p e r c a p a c i t o r s , w h i c h c a n o c c u rw h e n t h e c u r r e n t r e q u e s t e d b y l o a d i s v e r y h i g h a n d / o r t h es t a t e o f c h a r g e o f s u p e r c a p a c i t o r s i s l o w . T h e c o n t r o l s y s t e mh a s t o g u a r a n t e e t h a t t h e o u t p u t c u r r e n t o f s u p e r c a p a c i t o r s , i S ,n e ve r e x c ee d s t h e maximum a l l o w a b l e c u r r e n t I , e M a x i n d i c a t e db y m a n u f a c t u r e r , b o t h d u r i n g c h a r g e a n d d i s c h a r g e p e r i o d s ,i . e . j i s < I s c , M a x When t h i s c o n d i t i o n i s n o t s a t i s f i e d , t h ec o n t r o l a l g o r i t h m s w i t c h e s t o t h e c o n t r o l o f t h e s u p e r c a p a c i t o rc u r r e n t u s i n g I h , e M a x a s r e f e r e n c e v a l u e . T h e t r a n s i t i o n b a c k t ot h e b a t t e r y c u r r e n t c o n t r o l o c c u r s w h e n t h e l o a d d e c r e a s e s a n dt h e c u r r e n t b e c o m e s a g a i n l o w e r t h a n t h e l i m i t c u r r e n t . I no r d e r t o a v o i d t h a t t h e n a t u r a l f l u c t u a t i o n s o n t h e c u r r e n t i ,i n v o l v e a n i n s t a b l e b e h a v i o r w i t h p e r ma n e n t o s c i l l a t i o n sb e t w e e n t h e b a t t e r y c u r r e n t c o n t r o l a n d s u p e r c a p a c i t o r c u r r e n tc o n t r o l , b o t h t h e t r a n s i t i o n s o c c u r f o r t h r e s h o l d l i m i t s s l i g h t l yd i f f e r e n t . M o r e s p e c i f i c a l l y , t h e t r a n s i t i o n f r o m b a t t e r y c u r r e n tc o n t r o l t o s u p e r c a p a c i t o r c u r r e n t c o n t r o l t a k e s p l a c e w h e n I i , I> I s c M a x + , b e i n g I s , M a x + s l i g h t l y h i g h e r t h a n I s , M a x C o n v e r s e l y ,t h e b a c k t r a n s i t i o n o c c u r s w h e n l i s c l < I s , M a x , w h e r e I s c , M a x i Ss l i g h t l y l o w e r t h a n I s c , M a x .A n o t h e r a s p e c t t o b e c o n s i d e r e d i s t h a t t h e c o n t r i b u t i o n o fs u p e r c a p a c i t o r s i s l i m i t e d b y t h e i r s t a t e o f c h a r g e , w h i c h h a st o b e k e p t i n s i d e a p r e d e t e r m i n e d r a n g e . T h e s t a t e o f c h a r g e o fs u p e r c a p a c i t o r s i s d i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e i r t e r m i n a l v o l t a g e ,v s c , a n d t h i s i m p l y t h a t t h i s v o l t a g e c a n r a n g e s b e t w e e n a nu p p e r l i m i t V s C , M a x a n d a l o w e r l i m i t V s c , M i , .T h e u p p e r l i m i t i s s p e c i f i e d b y t h e m a n u f a c t u r e r , w h e r e a st h e l o w e r l i m i t h a s t o b e c h os en w i t h r e f e r e n c e b o t h t o t h emaximum s t e p - u p r a t i o o f t h e c o n v e r t e r ( 4 - 5 f o r s t a n d a r dc o n v e r t e r s ) a n d w i t h c o n s i d e r a t i o n o n t h e e n e r g e t i c e f f i c i e n c y .F o r a d i s c h a r g e w i t h c o n s t a n t c u r r e n t , t h e e f f i c i e n c y o fs u p e r c a p a c i t o r s d e c r e a s e s w h e n t h e v o l t a g e d e c r e a s e s b e c a u s et h e o u t p u t c u r r e n t a n d , c o n s e q u e n t l y , o h m i c l o s s e s a r ei n c r e a s e d . I f o p e r a t i v e v o l t a g e s a r e t o o l o w , c h a r g e - d i s c h a r g ee f f i c i e n c y c o u l d b e c o m e u n s a t i s f a c t o r y . T h e e x i s t e n c e o f al o w e r l i m i t r e d u c e s p a r t i a l l y t h e e n e r g y a v a i l a b l e f o r t h ed i s c h a r g e ; h o w e v e r , s i n c e t h e e n e r g y a v a i l a b l e d e p e n d s o n t h es q u a r e o f t h e v o l t a g e , t h e r e s i d u a l e n e r g y t h a t c a n n o t b ed i s c h a r g e d i s n e g l i g i b l e c o m p a r e d t o t h e w h o l e c a p a c i t y .When t h e v o l t a g e v s c r e a c h e s o n e o f t h e l i m i t s , t h e c o n t r o la l g o r i t h m d i s c o n n e c t s t e m p o r a r i l y t h e s u p e r c a p a c i t o r s f r o mt h e d c b u s . I n p a r t i c u l a r , i f v s c = V s 5 , M 1 , , s u p e r c a p a c i t o r s c a n b er e c o n n e c t e d a n d t h e n r e c h a r g e d o n l y w h e n t h e p o w e rr e q u e s t e d b y t h e l o a d d e c r e a s e s u n t i l t h e b a t t e r y c u r r e n tb e c o m e s l e s s t h a n I b , L C o n v e r s e l y , i f V 5 c = V s c , M a x ,s u p e r c a p a c i t o r s c a n b e r e c o n n e c t e d o n l y w h e n t h e p o w e rr e q u e s t e d b y l o a d i s s o h i g h t h a t i b b e c o m e s g r e a t e r t h a n I b , LT h e d i s c o n n e c t i o n f r o m t h e d c b u s o f s u p e r c a p a c i t o r h a s t ob e m a d e b o t h w h e n t h e c o n t r o l l e r r e g u l a t e s t h e b a t t e r y c u r r e n ta n d w h e n i t r e g u l a t e s t h e s u p e r c a p a c i t o r c u r r e n t . T h i s m e a n st h a t t h i s c o n d i t i o n h a s h i g h e r l e v e l o f p r i o r i t y r e s p e c t t o t h ec u r r e n t c o n t r o l s .F o r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e c o n t r o l a l g o r i t h m c a n b e

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a g a i n u s e d a f i n i t e s t a t e m a c h i n e w i t h h i e r a r c h i c i n t e r n a ls t r u c t u r e . T h e c o n t r o l a l go ri t h m c a n b e c o n f i g u r e d a s a s y s t e mw i t h f o u r s t a t e s , w h e r e e a c h s t a t e c o r r e s p o n d s t o a s p e c i f i cc o n t r o l a c t i o n . T h e f u n c t i o n a l d i a g r a m o f t h e s t a t e s a n d t h et r a n s i t i o n s f r o m a s t a t e t o a n o t h e r a r e r e p o r t e d i n f i g . 3 .S u p e r c a p a c i t o ru p p e r v o l t a g e l i m i t J > V s c , M a x

V S C > V s c , M a x i b > I b , L

3 7o f t h e maximum o p e r a t i n g v o l t a g e . T h e l o s s e s d u e t o t h es e r i e s r e s i s t a n c e R , a r e t h e r e f o r e :P L C R C P 2c , ma x+4 , + Ct4 C

( 4 )

T h e c h a rg e p er i od c o ns i d er ed e n d s w h e n t h e v o l t a g e i s e q u a lt o t h e maximum o p e r a t i n g v o l t a g e o f t h e s u p e r c a p a c i t o r . T h ef i n a l i n s t a n t o f t i m e i s t h e n :t * = 3 C V i8 p c , m a x . ( 5 )

I n t e g r a t i n g ( 5 ) t h e t o t a l e n e r g y l o s s i s f i n a l l y :

i b < I b , L V S C < V s c , M i nS u p e r c a p a c i t o r V S C < V s c , M i nl o w e r v o l t a g e l i m i t J 4

F i g . 3 . B l o c k d i a g r a m o f t h e s t a t e s a n d t h e t r a n s i t i o n s o f t h e s u p e r c a p a c i t o r sc o n t r o l a l g o r i t h m .

tE L = j P L c d t = R PClog 2 .

0( 6 )

T h e b a t t e r y c o n s i d e r e d i n t h i s t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i s i d e a l , a n di t s r e p r e s e n t a t i v e e q u i v a l e n t c i r c u i t i s a s e r i e s o f a n i d e a lv o l t a g e s o u r c e , V b , a n d a c o n s t a n t r e s i s t a n c e , R b . When t h eb a t t e r y s u p p l y c o n s t a n t p o w e r P , t h e l o s s e s a r e :

I I I . E F F I C I E N C Y COMPARISON B E T W E E N BATTERIES ANDS U P E R CA PA C I T O R S

I n s p i t e o f a l a r g e t e c h n i c a l l i t e r a t u r e d e a l i n g w i t hi n t e g r a t e d s y s t e m s o f b a t t e r i e s a n d s u p e r c a p a c i t o r s , s p e c i f i ci n v e s t i g a t i o n s o n o p t i m a l s o l u t i o n s o f e n e r g y m a n a g e m e n tw h e n a r e i n v o l v e d a l s o b r a k i n g o p e r a t i o n s h a v e b e en m i s s e du n t i l n o w . T h i s i s a n i m p o r t a n t a s p e c t i s t h e m a n a g e m e n t o ft h e e n e r g y b e c a u s e i t s h o u l d b e u s e f u l t h a t t h e r e c o v e r e de n e r g y w o u l d b e s t o r e d w i t h t h e maximum e f f i c i e n c y . I t h a s t ob e c o n s i d e r e d t h a t e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s c a n n o t b er e c h a r g e d w i t h e v e r y c u r r e n t w i t h h i g h e f f i c i e n c y . T h i s a s p e c tl i m i t s t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e b a t t e r i e s d u r i n g b r a k i n go p e r a t i o n s . I t i s p r e f e r a b l e , t h e r e f o r e , t h a t a l l t h e b r a k i n ge n e r g y i s s t o r e d i n t o t h e s u p e r c a p a c i t o r . T h i s s i t u a t i o n i se f f i c i e n c y e f f e c t i v e o n l y i f t h e l o s s e s o f t h e s u p e r c a p a c t i o r sa r e l e s s t h a n t h o s e o f b a t t e r i e s f o r t h e s a m e b r a k i n g o p e r a t i o n .I f t h e s u p e r c a p a c i t o r i s c h a r g e d w i t h c o n s t a n t p o w e r P , t h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n r e p r e s e n t i n g i t s b e h a v i o u r i s t h ef o l l o w i n g :

Cv d v cdt

P

T h e r e s o l u t i o n o f t h i s e q u a t i o n l e a d sf u n c t i o n s o f t h e v o l t a g e a n d t h e c u r r e n t :v c V 4 c

t o t h e f o l l o w i n g

_ P4 ax 2P4 C

c o n s i d e r i n g t h a t t h e i n i t i a l c o n d i t i o n o f t h e v o l t a g e i s t h e h a l f

p 2P L b R b V 2b V b ( 7 )I n o r d e r t o m a k e t h e c o m p a r i s o n , t h e t o t a l e n e r g y s u p p l i e d b yt h e b a t t e r y h a s t o b e t h e s a m e o f t h a t s u p p l i e d b y t h es u p e r c a p a c i t o r . T h e r e f o r e , c o n s i d e r i n g t h e t i m e i n t e r v a l g i v e ni n ( 5 ) a n d t h e p o w e r d i s s i p a t e d i n ( 7 ) , t h e t o t a l e n e r g y l o s sd u r i n g t h e d i s c h a r g e o f t h e b a t t e r y i s :

3 v2E L b = R b P C 2 , m a8 V b ( 8 )I n c o n c l u s i o n , f o r m ( 6 ) a n d ( 8 ) , t h e c o n d i t i o n r e q u i r e d i no r d e r t h a t t h e l o s s e s o f a s u p e r c a p a c i t o r a r e l e s s t h a n t h o s e o fa b a t t e r y i s :

3 2R , < 3 V a x c , R a8 l o g 2 V b ( 9 )I f c o n d i t i o n ( 9 ) i s s a t i s f i e d i n t h e d e s i g n p r o c e d u r e o f t h es t o r i n g d e v i c e s , t h e u s e o f t h e s u g g e s t e d c o n t r o l a l g o r i t h mg u a r a n t e e s a l s o t h e r e c o v e r y o f t h e b r a k i n g e n e r g y w i t h t h em a x i m u m e f f i c i e n c y .T h i s r e s u l t , b a s e d o n s i m p l e t h e o r e t i c a l c o n s i d e r a t i o n s , h a sb e e n v e r i f i e d w i t h a n u m e r i c a l s i m u l a t i o n w h e r e t h es u p e r c a p a c i t o r s a n d t h e b a t t e r i e s a r e r e c h a r g e d w i t h c o n s t a n tp o w e r . F o r b o t h c a s e s t h e l o a d v o l t a g e i s 2 4 0 V a n d t h eb r a k i n g c u r r e n t i s 2 0 A . I n t h e s i m u l a t i o n , t h e s u p e r c a p a c i t o r sa r e c o n n e c t e d t o t h e l o a d b y m e a n s o f a r e a l d c / d c c o n v e r t e r .T h e s u p e r c a p a c i t o r h a v e a maximum o p e r a t i n g v o l t a g e , V c , m a x ,e q u a l t o 1 5 0 V . T h e i n n e r r e s i s t a n c e s o f s u p e r c a p a c i t o r s a n db a t t e r i e s a r e r e s p e c t i v e l y R , = 0 . 1 V a n d R b = 0 . 7 4 V . F i g . 4 as h o w s t h e r e c h a r g e p r o c e s s o f t h e s u p e r c a p a c i t o r s u n t i l t h ev o l t a g e V c , m a x i s r e a c h e d . F i g . 4 b c o m p a r e s t h e e n e r g y s t o r e d i ne l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s a n d i n s u p e r c a p a c i t o r s t o t h e e n e r g y

( 9 )

i c

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3 8

1 A f ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ - - - - - - E } Z n g s o e Xd7teilf-aalcct 4 0 ---- 4

0 . 5 1 1 . 5 2 25 t [ . ] o5 I 5 t [ s ]( a ) ( b )F i g . 4 . B r a k i n g o p e r a t i o n s o f w i t h c o n s t a n t p o w e r : c o m p a r i s o n b e t w e e n a v a i l a b l e e n e r g y a n d s t o r e d e n e r g y i n t o t h e s u p e r c a p a c i t o r s a n d i n t o t h e b a t t e r i e s ( a ) a n dd i a g r a m s o f v o l t a g e a n d c u r r e n t o f s u p e r c a p a c i t o r s ( b ) .

r e c o v e r e d d u r i n g t h e b r a k i n g . T h e e n e r g e t i c e f f i c i e n c y o f t h eb a t t e r y h a s b e e n 9 3 . 8 0 0 , w h e r e a s t h e s u p e r c a p a c i t o re f f i c i e n c y h a s b e e n 9 5 . 8 0 0 , a c c o r d i n g t o t h e o r e t i c a l r e s u l t sg i v e n b y ( 9 ) .I V . EXPERIMENTAL RESULTS

T h e s u g g e s t e d c o n t r o l a l g o r i t h m h a s b e e n v e r i f i e d b ye x p e r i m e n t a l t e s t s c a r r i e d o u t o n a s a m p l e d r i v e s u p p l i e d b yf u e l c e l l s , e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s a n d s u p e r c a p a c i t o r s ,w h o s e c o n f i g u r a t i o n i s r e p r e s e n t e d i n f i g . 1 . T h e f u e l c e l l sh a v e a r a t e d p o w e r o f 1 kW w i t h a d c o u t p u t o f 4 8 V . T h eh y d r o g e n n e e d e d f o r s u p p l y i n g t h e f u e l c e l l s ( a b o u t 1 N m 3 / h )i s p r o v i d e d b y a n a l k a l i n e - b a s e d e l e c t r o l y s e r . T h e b a t t e r y p a c ki s t h e s e r i e s o f 2 0 e l e m e n t s o f 1 2 V , e a c h o n e w i t h a c a p a c i t yo f 4 . 5 Ah @ C 1 0 . T h e s u p e r c a p a c i t o r b a n k i s r e a l i s e d w i t h t w om o d u l e s o f 7 5 V i n p a r a l l e l , e a c h o n e w i t h a c a p a c i t y o f 3 . 3 F .

f W A ]2 0

10 A

0 2 0 4 0 6 0 S O t [ s ]( a )

I l . a d [ A ]3 0

2 0

T h e c o m b i n ed s y s t e m s u p p l i e s t h e t r a c t i o n i n d u c t i o n m o t o r ,w h o s e r a t e d p o w e r i s 4 . 5 k W , t h r o u g h a v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r . T h e m e c h a n i c a l l o a d i s a s y n c h r o n o u s g e n e r a t o rs u p p l y i n g a p a s s i v e e l e c t r i c a l l o a d . T h e f i e l d c u r r e n t o f t h es y n c h r o n o u s m a c h i n e c a n b e r e g u l a t e d i n o r d e r t o c h a n g e t h et o r q u e o f t h e m o t o r .I n t h e f i r s t t e s t , s h o w n i n f i g . 5 , t h e l o a d i s i n c r e a s e d u n t i lt h e c u r r e n t d r a w n b y V S I i s 1 0 A ( f i g . 5 c ) , t h e n i t i s h e l dc o n s t a n t t o t h i s v a l u e f o r 1 m i n u t e a n d f i n a l l y i s d e c r e a s e da g a i n t o z e r o . D u r i n g t h e c y c l e , t h e f u e l c e l l c u r r e n t ( f i g . 5 a ) i sc o n s t a n t a c c o r d i n g t o t h e c o n t r o l s t r a t e g y w h i c h i m p l i e sc o n s t a n t p o w e r o p e r a t i o n o f f u e l c e l l s . T h e b a t t e r y c u r r e n t( f i g . 5 d ) i s c o n s t a n t a n d e q u a l t o t h e r e f e r e n c e v a l u e , e q u a l t o4 A , b e c a u s e t h e l o a d e x t r a p o w e r i s s u p p l i e d b y t h es u p e r c a p a c i t o r s . When t h e s u p e r c a p a c i t o r s r e a c h t h e i rm i n i m u m a l l o w a b l e v a l u e , s e t t o 4 0 V , t h e s u p e r c a p a c i t o r s a r eV

4 0

2 0 0

0 2 0 4 0 6 0 8 0 t [ s ]( b )

0 2 0 4 0 6 0 8 0 t [ s ]( c ) ( d )F i g . 5 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e f i r s t d u t y - c y c l e c o n s i d e r e d : f u e l c e l l c u r r e n t ( a ) , s u p e r c a p a c i t o r v o l t a g e ( b ) , V S I d c c u r r e n t ( c ) , b a t t e r y c u r r e n t ( d ) .

r 1 r 7

. 0 0 1 0 1 0 , r" 0 0

0 - 1

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8/7/2019 ev power flow

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d i s c o n n e c t e d f r o m t h e d c b u s a n d t h e b a t t e r y c u r r e n t p r e s e n t sa s t e p . When t h e l o a d i s a g a i n d e c r e a s e d , t h e b a t t e r y c u r r e n tr e t u r n s t o t h e r e f e r e n c e v a l u e a n d t h e s u p e r c a p a c i t o r s c a n b er e c h a r g e d . A t t h e e n d o f t h e c y c l e , t h e r e q u i r e d l o a d p o w e rd e c r e a s e s a n d t h e s u p e r c a p a c i t o r s c a n b e r e c h a r g e d ( f i g . 5 b ) .T h e s e c o n d t e s t h a s b e e n m a d e f o r v e r i f y i n g t h e e f f e c t i v e n e s so f t h e f u e l c e l l c o n t r o l a l g o r i t h m . F i g s . 6 h i g h l i g h t t h a t a t t h eb e g i n n i n g o f t h e t e s t t h e f u e l c e l l o u t p u t p o w e r i s l o w e r t h a nP f c , m a x , c o r r e s p o n d i n g t o 1 4 A , b e c a u s e t h e b a t t e r y v o l t a g e i se q u a l t o V b , M a x , s e t t o 2 7 5 V . A f t e r 2 5 s t h e l o a d i s s u d d e n l yc o n n e c t e d a n d c o n s e q u e n t l y t h e d c b u s v o l t a g e d e c r e a s e s ,b e c a u s e t h e b a t t e r y s u p p l i e s t h e e x t r a p o w e r r e q u i r e d . F i g . 6 bs h o w s t h a t , a f t e r t h e l o a d p e a k , t h e f u e l c e l l s i m m e d i a t e l yi n c r e a s e t h e i r p o w e r u p t o t h e r e f e r e n c e p o w e r . When t h e l o a dc u r r e n t d e c r e a s e s a n d t h e b a t t e r y r e a c h e s V b , M a x , t h e c o n t r o l l e rs w i t c h e s a g a i n f r o m t h e f u e l c e l l p o w e r c o n t r o l t o t h e b a t t e r yv o l t a g e c o n t r o l . T h e r e f o r e t h e f u e l c e l l s r e c h a r g e t h e b a t t e r yw i t h r e d u c e d p o w e r .

, ) 05

1 0 ) 2 I 0 4 1 0 t [ S ] 0( a )

I 0f

Of 2 0 4 04t ] )( b )F i g . 6 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e s e c o n d c y c l e t e s t : d c b u s v o l t a g e ( a ) , f u e lc e l l c u r r e n t ( b ) .

V . CONCLUSIONST h e u s e o f f u e l c e l l s i s v e r y p r o m i s i n g f o r f u t u r e e l e c t r i c

v e h i c l e s . A u x i l i a r y s t o r a g e d e v i c e s o n b o a r d c a n i m p r o v ev e h i c l e p e r f o r m a n c e s a n d t h e g l o b a l e f f i c i e n c y . T h ei n t e g r a t i o n o f d i f f e r e n t d e v i c e s r e q u i r e s p r e l i m i n a r i l y t h ed e f i n i t i o n o f a p r o p e r c o n t r o l s t r a t e g y f o r t h e m a n a g e m e n t o ft h e p o w e r f l o w s . I n t h e p a p e r a s i m p l e c o n t r o l s t r a t e g y h a sb e e n p r o p o s e d w i t h r e f e r e n c e t o a s y s t e m c o n s t i t u t e d b y f u e lc e l l s a n d a c o m p o u n d s y s t e m o f e l e c t r o c h e m i c a l b a t t e r i e s a n ds u p e r c a p a c i t o r s a s a u x i l i a r y s t o r a g e d e v i c e . T h e c o n t r o ls t r a t e g y d ev el o p e d k ee p s c o n s t a n t t h e f u e l c e l l p o w e r a n dl i m i t s t h e b a t t e r y c u r r e n t b o t h d u r i n g c h a r g e a n d d i s c h a r g e

3 9o p e r a t i o n s . T h e c o n t r o l i s i m p l e m e n t e d b y m e a n s o f t w oh i e r a r c h i c c o n t r o l a l g o r i t h m s e t - u p i n t h e i n t e r f a c e c o n v e r t e r s .T h e p r o p o s e d c o n t r o l t ec h n i q u e h a s b e e n e x p e r i m e n t a l l yv a l i d a t e d o n a s a m p l e e l e c t r i c a l d r i v e a n d i t h a s e v i d e n c e dg o o d p e r f o r m a n c e s i n a l l t e s t i n g c o n d i t i o n s .V I . R E F E R E N C E S

[ 1 ] E . P a g a n o , L . P i e g a r i , a n d 0 . V e n e r i , " A z i o n a m e n t i c on S o r g e n t i M i s t ed i E n e r g i a E l e t t r i c a C o n t e n e n t i C e l l e a C o m b u s t i b i l e e B a t t e r i e d iA c c u m u l a t o r i E l e t t r o c h i m i c i , " i n P r o c . 2 0 0 1 1 2 S e m i n a r io I n t e r a t t i v oA z i o n a m e n t i E l e t t r i c i , B r e s s a n o n e , I t a l y , p p . 1 8 5 - 2 0 2 .[ 2 ] E . P a g a n o , L . P i e g a r i , a n d P . T r i c o l i , " U l t r a c a p - b a s e d n e w e l e c t r i c a ld r i v e s f o r o f f - r o a d v e h i c l e s a n d r o v e r s , " i n P r o c . 2 0 0 3 A n t r i e b s s y s t e m ef u r O f f - R o a d - E i n s a t z e , G a r c h i n g , G e r m a n y , V D I - B e r i c h t e 1 7 9 3 , p p . 9 7 -1 0 9 .[ 3 ] L . P i e g a r i a n d R . R i z z o , " E x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o n o f c h a r g e l a w s f o rr o a d v e h i c l e s b a t t e r i e s , " i n P r o c . 2 0 0 1 I n t e r n a t i o n a l V e h i c l e E l e c t r o n i c sC o n f , D o t t o r i , J a p a n , p p . 1 7 - 2 0 .[ 4 ] L . P i e g a r i , C . T o r t o r a , a n d 0 . V e n e r i , "A m a t h e m a t i c a l m o d e l o f c h a r g ea n d d i s c h a r g e f o r l e a d b a t t e r i e s i n e l e c t r i c r o a d v e h i c l e s , " i n P r o c . 2 0 0 1EVS 1 8 , B e r l i n , G e r m a n y .[ 5 ] L . P i e g a r i a n d R . R i z z o , " S t a t e o f c h a r g e m o n i t o r i n g f o r r o a d v e h i c l eb a t t e r i e s , " i n P r o c . 2 0 0 2 I E C O N , 2 8 t h A n n u a l C o n f o f t h e I n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s S o c i e t y , v o l . 3 , p p . 2 5 7 8 - 2 5 8 1 .

[ 6 ] S . W i l l i a m s o n , M . L u k i c , a n d A . E m a d i , " C o m p r e h e n s i v e d r i v e t r a i ne f f i c i e n c y a n a l y s i s o f h y b r i d e l e c t r i c a n d f u e l c e l l v e h i c l e s b a s e d o nm o t o r - c o n t r o l l e r e f f i c i e n c y m o d e l l i n g , " IEEE T r a n s . Power E l e c t r o n i c s ,v o l . 2 1 , i s s u e 3 , p p . 7 3 0 - 7 4 0 , 2 0 0 6 .[ 7 ] R . M a u l d i n , Y . B a g h z o u z , a n d R . F . B o e h m , " L i g h t - w e i g h t f u e l c e l l -b a t t e r y h y b r i d v e h i c l e d e m o n s t r a t i o n p r o j e c t , " i n P r o c . 2 0 0 6 S P E E D A M ,I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m on Power E l e c t r o n i c s , E l e c t r i c a l D r i v e s ,A u t o m a t i o n a n d M o t i o n , T a o r m i n a , I t a l y , p p . 2 2 3 - 2 2 8 .[ 8 ] M . J . G i e l n i a k a n d Z . J . S h e n , " P o w e r management s t r a t e g y b a s e d o ngame t h e o r y f o r f u e l c e l l h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s , " i n P r o c . 2 0 0 4 6 0 t hIEEE V e h i c u l a r T e c h n o l o g y C o n f , v o l . 6 , p p . 4 4 2 2 - 4 4 2 6 .

V I I . BIOGRAPHIESR e n a t o R i z z o w as b o r n i n N a p l e s , I t a l y . He s t u d i e da t t h e U n i v e r s i t y o f N a p l e s F e d e r i c o I I a n d r e c e i v e dt h e D e g r e e i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g . S i n c e 1 9 9 4 h ei s a s s i s t a n t p r o f e s s o r a t t h e U n i v e r s i t y o f N a p l e sF e d e r i c o I I . A t p r e s e n t h e i s p r o f e s s o r o fE l e c t r o m e c h a n i c a l D e s i g n a t t h e F a c u l t y o fE n g i n e e r i n g o f U n i v e r s i t y o f N a p l e s F e d e r i c o I I .P r o f . R i z z o i s p r o f e s s o r h o n o r i s causa o f t h eT e c h n i c a l U n i v e r s i t y o f C l u j - N a p o c a , R o m a n i a . Hei s an IEEE M e m b e r , EAEEIE M e m b e r , t r e a s u r e r o fANAE ( t h e N a t io n al A s s oc i a t i on o f E l e c t r i c a l D r i v e s i n I t a l y ) . H i s r e s e a r c h e s

a r e d e v o t e d t o e l e c t r i c a l m a c h i n e a n d d r i v e s , a n d t o t h e i r a p p l i c a t i o n s i nt r a n s p o r t s y s t e m s .He p u b l i s h e d more t h a n 7 0 s c i e n t i f i c p a p e r s a n d 2 b o o k s a n d h ep a r t i c i p a t e d t o d i f f e r e n t r e s e a r c h p r o g r a m s .

P i e t r o T r i c o l i ( M ' 0 6 ) w as b o r n i n N a p l e s , I t a l y , o nS e p t e m b e r 8 t h 1 9 7 8 . He r e c e i v e d t h e M . S . a n d t h eP h . D . d e g r e e s b o t h i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g f r o mt h e U n i v e r s i t y o f N a p l e s F e d e r i c o I I , r e s p e c t i v e l y i n2 0 0 2 a n d 2 0 0 5 . He i s , a t p r e s e n t , a p o s t - d o c r e s e a r c ha s s i s t a n t a t t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n go f t h e U n i v e r s i t y o f N a p l e s F e d e r i c o I I . H i s m a i nf i e l d o f i n t e r e s t s a r e t h e u s e o f r en e wa b le e n e r g ys o u r c e s f o r r o a d e l e c t r i c v e h i c l e s a n d r o v e r s , t h ec o n t r o l t e c h n i q u e s o f a s y n c h r o n o u s m a c h i n e s b o t h

a s m o t o r s a n d g e n e r a t o r s , a n d t h e m o d e l i n g o f a c t i v e f i l t e r s .D r . T r i c o l i i s a u t h o r o f more t h a n 1 5 s c i e n t i f i c p a p e r s p u b l i s h e d i ni n t e r n a t i o n a l j o u r n a l s a n d c o n f e r e n c e p r o c e e d i n g s .