Optimization of EV Model with Multi-Mode Powertrain System through Winding Changeover Motor and 2-Speed Transmission

Abstract

Recently, as regulations governing internal combustion engine (ICE) vehicles have become stricter, interest in eco-friendly vehicles such as hybrid vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs) has grown. For this reason, automobile manufacturers are concentrating their efforts on the development of EVs, which are zero-emission vehicles. However, EVs have a short mileage due to the battery's low energy density. Numerous studies are being conducted to extend the range of EVs. EVs equipped with multi-speed transmissions are also being studied in order to improve mileage. The multi-speed transmission helps the motors operate in the high-efficiency region, thereby increasing the fuel efficiency of the EVs. However, in the multi-speed transmission, torque interruption is generated during gear shifting, which may cause inconvenience to the driver. A motor topology similar to a multi-speed transmission is a winding changeover motor. A winding changeover motor changes the winding connections for efficient operation at each operating point. In addition, the winding changeover motor has almost no torque interruption during winding connection changeover. Therefore, in this thesis, a powertrain system using a two-speed transmission and a winding switching motor is proposed. The purpose of the study is to verify the performance of the proposed powertrain system, and the process is as follows: First, a powertrain system configuration using the two-speed transmission and a winding changeover motor is discussed. Additionally, a speed shift strategy is proposed for controlling the proposed powertrain system. Here, the efficiency maps of the motor and inverter are considered when determining the control strategy. Second, an EV modeling method is introduced for the purpose of calculating vehicle fuel efficiency. The target EV is Renault's Twizy, and the efficiency map of the motor and inverter is considered in the EV modeling. Third, optimization for minimizing EV energy consumption using different powertrain systems is performed to verify the superiority of the proposed powertrain system. Design variables are stack length, number of turns in series, and gear ratio. For optimization, the ANN surrogate model is used. Finally, the fuel efficiency of the optimized EVs is compared and the cause is analyzed. |최근 내연기관 (ICE) 차량에 대한 규제가 강력해지면서, 하이브리드 자동차 (HEV), 전기차 (EV)와 같은 친환경 차량에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중 차량 제조사들은 배기가스를 배출하지 않는 전기차 개발에 집중하고 있다. 하지만, EV 는 배터리의 낮은 에너지 밀도로 인한 주행거리 이슈가 있다. EV 의 주행거리를 늘리기 위하여 다양한 방법들이 연구되고 있다. 다단 변속기를 사용하는 EV 도 그 중 하나이다. 다단 변속기는 모터의 고효율 영역에서 운행할 수 있게 도와주어 EV 의 연비를 높일 수 있다. 하지만, 다단 변속기는 변속 시에 토크 충격이 발생하게 되어 운전자에게 불편함을 줄 수 있다. 다단 변속기와 유사한 모터 토폴로지로는 권선 절환 모터가 있다. 권선 절환 모터는 운전점마다 효율적으로 구동할 수 있게 권선의 연결을 바꾸는 모터이다. 게다가, 권선 절환 모터는 모드 변환시에 토크 충격이 거의 없다. 따라서, 다양한 모드로 동작할 수 있는 2 단 변속기와 권선 절환 모터를 함께 사용하는 EV 용 파워트레인 시스템을 제안한다. 연구 목적은 제안하는 파워트레인 시스템의 성능을 검증하는 것이며, 그 과정은 다음과 같다. 첫째, 제안된 파워트레인 시스템의 구성과 이를 제어하기 위한 기어 변속 전략 및 권선 연결 변환 전략이 결합된 speed shift strategy 가 제안됩니다. 여기에서, 제어 전략을 결정하는데 있어 모터와 인버터의 효율이 고려됩니다. 둘째, 차량 연비를 확인하기 위한 EV 모델링 방법이 소개됩니다. 타겟 EV 는 르노의 Twizy 이며, EV 모델을 구성하는데 있어 모터와 인버터의 효율이 고려된다. 셋째, 제안된 파워트레인 시스템의 우수성을 검증하기 위해 서로 다른 파워트레인 시스템을 사용하는 EV 대한 연비 최적화를 ANN 대체모델을 기반으로 수행합니다. 설계 변수는 적층 길이, 직렬 턴 수, 기어비입니다. 유전 알고리즘을 이용한 대체 모델 기반의 전역 최적화를 수행하여 각기 다른 파워트레인을 사용하는 EVs 의 연비를 최소화합니다. 마지막으로, 최적화된 EV 들의 연비를 비교하고 그 원인에 대해 모터와 차량 측면에서 분석합니다.