Nonlinear Model Predictive Control of a Hybrid Thermal Management System

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作者
Demetrius Gulewicz,Uduak Inyang-Udoh,Trevor J. Bird,Neera Jain
出处
期刊:IEEE Transactions on Control Systems and Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:34 (2): 892-905 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tcst.2025.3646704
摘要

MPC has gained popularity for its ability to satisfy constraints and guarantee robustness for certain classes of systems. However, for systems whose dynamics are characterized by a high state dimension, substantial nonlinearities, and stiffness, suitable methods for online nonlinear MPC are lacking. One example of such a system is a vehicle thermal management system (TMS) with integrated thermal energy storage (TES), also referred to as a hybrid TMS. Here, hybrid refers to the ability to achieve cooling through a conventional heat exchanger or via melting of a phase change material (PCM), or both. Given increased electrification in vehicle platforms, more stringent performance specifications are being placed on TMS, in turn requiring more advanced control methods. In this article, we present the design and real-time implementation of a nonlinear model predictive controller with 77 states on an experimental hybrid TMS testbed. We show how, in spite of high dimensions and stiff dynamics, an explicit integration method can be obtained by finding a suitable linear system at each time step within the MPC horizon online. This integration method further allows the first-order gradients to be calculated with minimal additional computational cost. Through simulated and experimental results, we demonstrate the utility of the proposed solution method and the benefits of TES for mitigating highly transient heat loads.
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