Artificial Neural Network Ctrl

8/3/2019 Artificial Neural Network Ctrl

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M i l 3 . c l i d N C L L E a 1 N k t w o r k c o n u o l a n d c i c r . y r n a a a . c i n c n t i i i 4 2 V D C l i n k GUALOUS Hamid

A r t i f i c i a l N e u r a l N e t w o r k c o n t r o l a n d energy management i n4 2 VDC l i n kJ . N . M A R W E - F R A N C O I S E , H . GUALOUS, A . BERTHON

LABORATORY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND SYSTEMS ( L 2 E S )J o i n t R e s e a r c h U n i t UFC-UTBM E A 3 8 9 8 , ru e T h i e r r y M i e gB e l f o r t , F r a n c eT e l . : + 3 3 ( 0 ) 3 8 4 5 8 3 6 0 0F a x : + 3 3 ( 0 ) 3 8 4 5 8 3 6 3 6

E - M a i l : h a m i d . g u a l o u s a u n i v - f c o m t e . f r , a l a i n . b e r t h o n @ u n i v - f c o m t e . f rURL: h t t p : / / l 2 e s . u t b m . f rK e y w o r d sN e u r o n a l c o n t r o l , E n e r g y s t o r a g e , A u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n , DC power s u p p l y , E n e r g y s y s t e mm a n a g e m e n t .A b s t r a c tT h i s paper d e a l s w i t h an e x p e r i m e n t a l r e a l i z a t i o n o f a 42V h y b r i d power sources f o r a u t o m o t i v ea p p l i c a t i o n s . I t ' s c o m p o s e d b y a b a t t e r y w h i c h p r o v i d e s th e power i n c o n s t a n t mean power a n d as u p e r c a p a c i t o r t a n k i n o r d e r t o s u p p l y power i n t n s i e n t s t a t e . Two DC/DC converters a r e u s e d t o a d a p tv o l t a g e a n d c u r r e n t l e v e l s b e t w e e n t h e 42V D C link, b a t t e r y a n d s u p e r c a p a c i t o r t a n k . V o l t a g e i s r e g u l a t e db y u s i n g A r t i f i c i a l N e u r a l N e t w o r k s ( A N N s ) .I n t r o d u c t i o nS u p e r c a p a c i t o r s h a v e a h i g h power d e n s i t y and l o w i n t e r n a l r e s i s t a n c e . T h e y can b e c h a r g e d a n dd i s c h a r g e d a t h i g h c u r r e n t . T h e y a r e i d e a l l y p l a c e d f o r p e a k power r e q u i r e m e n t s . T h e y can b e u s e d i np a n l l e l w i t h b a t t e r y t o s t a r t t h e i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e i n o r d e r t o r e d u c e t h e s i z e o f t h e b a t t e r y , inh y b r i d v e h i c l e to p r o v i d e power d u r i n g a c c e l e r a t i o n w i t h t h e a i m t o r e d u c e the power o f t h e i n t e r n a lc o m b u s t i o n engine.

T h e s t u d y p r e s e n t e d h e r e i s a b o u t e x p e r i m e n t a l r e a l i z a t i o n o f a h y b r i d power source a n d i t s v o l t a g ec o n t r o l b y ANNs. T h e s e l a s t are u s e d i n s e v e r a l a p p l i c a t i o n s . T h e y are i n t r o d u c e d as an a l t e r n a t i v e o fa n a l y t i c a l m o d e l f o r n o n - l i n e a r s y s t e m s w h e n t h e f o r m u l a t i o n o f t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l i s very d i f f i c u l t .T h e r e p r i n c i p l e i s b a s e d on p r o g r a m m e d c o m p u t i n g a p p r o a c h . ANNs are u s e d i n a w i d e range o fe n g i n e e r i n g a n d n o n - e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ( i d e n t i f i c a t i o n , m o d e l l i n g , c o n t r o l . . . ) [ 1 - 7 ] . T h e y a r ei n s p i r e d from t h e h u m a n b r a i n a n d can b e c o n s i d e r e d l i k e a b l a c k b o x w h e r e t h e s y s t e m o u t p u t s a r ep r e d i c t e d a s a response o f i n p u t s c o m b i n a t i o n w i t h o u t any p h y s i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n o u t p u t s a n di n p u t s . ANNs h a v e t h e a d v a n t a g e t o b e a b l e t o p e r f o r m n o n - l i n e a r mapping o f m u l t i - d i m e n s i o n a lF u n c t i o n s , a n d t o p r e d i c t o u t p u t s s y s t e m from l i m i t e d training e x p e n m e n t a l d a t a . ANN c an d e t e r m i n e t h eo u t p u t p a r a m e t e r s o u t s i d e t h e i r range o f t r a i n i n g experience. T h e y h a v e a h i g h c a p a c i t y to g e n e r a t e o u t p u tw i t h high u n c e r t a i n l y i n p u t l e v e l , or w i t h a p e r t u r b a t i o n n o i s e d a t a .T h e h i g h c a p a b i l i t y o f ANN p r e d i c t i o n i s d e t e r m i n e d b y t h e s t r u c t u r e ( n u m b e r o f t h e h i d d e n n e u r o n ) a n db y t h e l e a r n i n g p r o c e s s .

L O B 2 0 0 5 - D n . J c i i 1SB1.l 0 . 1

' . . f i c - ! , d N e t L r d N c v . m r k c o a a - o l a a d e n e q y m , , u i k g c i n c n t h i 4 2 V DC U L r . . . GUALOUS Hwud

D E l O w n 5 - L ) i - - ; c 1 1 i I S B S N : 9 ( U 1 5 4 8 t f - 5 I , . I


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A A c i l i c i a l N C L L E a 1 N e u w o r k a n u c i a n d c n c r g y n i a n a g c n w n : i n 4 2 V D C l i n k GUALOUS 1 - l a m i d

S t r u c t u r e o f t h e h y b r i d power source a n d ANNs c o n t r o lD e s i g n a n d ANN c o n t r o lF i g u r e 1 p r e s e n t s t h e s y s t e m p r o p o s e d . I t c o n s i s t s o f a 1 2 V b a t t e r y a n d a p a c k o f s u p e r c a p a c i t o r sc o m p o s e d w i t h 8 c e l l s o f 2 6 0 0 F i n s e r i e s . T h i s l a s t p a c k i s s i z e d t o p r o v i d e a b o u t lkW d u r i n g t r a n s i e n tb e h a v i o u r , w h i l e t h e b a t t e r y g i v e s t h e c o n s t a n t mean power r e q u i r e m e n t .

42V D C r a i l

V e t -

Vsc -

h y s t e r e s i sc o n t r o lF i g . 1 : 42V h y b r i d power source f o r a u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n s

S u p e r c a p a c i t o r s energy i s u s e d as an a u x i l i a r y source i n o r d e r t o f e e d D C b u s d u r i n g t h e l o a d c u r r e n tp e a k s . When t h e r e i s no c u r r e n t f l u c t u a t i o n , b a t t e r y ( 1 2 V ) p r o v i d e s t h e v o l t a g e l e v e l on the D C b u s ( 4 2 V ) .A t t h e same t i m e , t h e s u p e r c a p a c i t o r s a r e c h a r g e d w i t h c o n s t a n t c u r r e n t u n t i l 2 0 V . T h e r e v e r s i b l e DC/DCc o n v e r t e r o p e r a t e s i n b u c k m o d e . When t h e r e i s a c u r r e n t f l u c t u a t i o n , t h e b a t t e r y s t o p s p r o v i d i n g energya n d t h e v o l t a g e l e v e l on t h e D C b u s i s p r o v i d e d b y th e s u p e r c a p a c i t o r s p a c k . T h e s e l a s t are c h a r g e d a n dd i s c h a r g e d b e t w e e n 50% a n d 1 0 0 % o f th e maximum v o l t a g e ( 2 0 V ) . In t h i s case th e c o n v e r t e r o p e r a t e s i nb o o s t m o d e .T h e c o n t r o l v o l t a g e o f t h e DC/DC c o n v e r t e r s b e t w e e n b a t t e r y a n d D C b u s a n d b e t w e e n s u p e r c a p a c i t o r sa n d D C b u s i s r e a l i z e d b y a A r t i f i c i a l N e u r a l N e t w o r k ( A N N ) r e g u l a t o r . F o r t h e b u c k converter b e t w e e nthe D C b u s a n d s u p e r c a p a c i t o r s ; w h i c h i s u s e d t o c h a r g e the p a c k a t c o n s t a n t c u r r e n t ; t h e c u r r e n tr e g u l a t i o n i s b a s e d on a h y s t e r e s i s with c o n s t a n t frequencyT h e o r d e r e d s y s t e m b y t h e n e u r a l n e t w o r k i s c o m p os e d b y a source ( b a t t e r y , s u p e r c a p a c i t o r , f u e l c e l l ) , ab o o s t DC/DC c o n v e r t e r a n d t h e l o a d ( D C b u s ) ( c f . F i g u r e 1 ) .

LO B 2 0 0 5 - Dn>tii .J-75815-O8-5 0 . 2

' . . f i c - ! , d N e t L r d N c L . m r h . c o a a - o l a a d e n e f y y nL"tgcnlm. i n 4 2 V DC l i n k GUALOUS Hwud

D E l O w n 5 - L ) i - - ; c 1 1 i I S B S N : 9 X - 7 5 8 1 5 - 0 8 - 5 1 i 9 . 2


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A r c i f i c l i d N C L L E a 1 N k t w o r k e c a n c i a n d c n c r . y m a n a l c i n e n t i n 4 2 V D C l i n k GUALOUS M a c c U d

T h i s a p p r o a c h h a s t o l e a r n th e n e t w o r k , t o r e p r o d u c e t h e c o n t r o l s i g n a l u ( t ) r e c o m m e n d e d b y t h e f i r s tc o n t r o l l e r , s t a r t i n g from t h e d e s i r e d o u t p u t y ( t ) . T h e n e t w o r k t r a i n i n g i s d o n e i n p a r a l l e l w i t h P I c o n t r o l l e r .T h e r e f o r e , t h e s y s t e m i s i n i t i a l l y c o n t r o l l e d b y a t a d i t i o n a l c o m m a n d i n o r d e r t o o b t a i n a d a t a b a s e .T h e P I c o n t r o l l e r ' s b e h a v i o u r i s r e p r o d u c e d b y t r a i n i n g u s i n g t h e h y p o t h e s i s m o d e l NARX.J u s t as t h e t r a d i t i o n a l c o m m a n d , t h e n e u r a l n e t w o r k ' s i n p u t s ( c f . F i g u r e 1 ) are t h e measurement o f t h eo u t p u t v o l t a g e a n d t h e i n p u t c u r r e n t o f t h e c o n v e r t e r . F o r o u t p u t , t h e c o n t r o l s i g n a l i s d e d u c e d from t h ec o m p a r i s o n o f c a r r y i n g f r e q u e n c y ( f e ) a n d a m o d u l a t i n g wave ( d u t y c y c l e ) , c a l c u l a t e d b y t h e n e u r a ln e t w o r k .T h e h y p o t h e s i s m o d e l r e p r o d u c e s a c c u r a t e l y th e c o n t r o l l e r ' s b e h a v i o u r , a c c o r d i n g t o t h e f o l l o w i n ge q u a t i o n :a ( k + 1 ) =f [ a ( k ) , , . . . , a ( k - n l + l ) ; Ve ( k + l ) , . . . , V e ( k - n + 1 ) ; l e ( k + 1 ) , . . . , I e ( k - n 3 + l ) ] ( 1 )w h e r e :f i s non l i n e a r map; k i s d i s c r e t e t i m e s t e p n l , n 2 , n 3 a r e t h e n u m b e r o f p a s t v a l u e s ' v a r i a b l e sc o r r e s p o n d i n g ; J e : i n p u t c u r r e n t o f t h e c h o p p e r ; V e: S u p e r c a p a c i t o r or b a t t e r y s u p p l y v o l t a g e ; a i s t h ed u t y c y c l e o f t h e PWM s i g n a l .T h e p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t u s e d i s t h e q u a d r a t i c e r r o r :T h i s m e t h o d i s c a l l e d d i r e c t m e t h o d b y r e p r o d u c t i o n o f t h e e x i s t i n g c o n t r o l l e r . h i d e n t i f i c a t i o n d o m a i n ,t h e y can b e u s e d a s b l a c k b o x m o d e l . Any s y s t e m m o d e l l i n g i s p o s s i b l e w i t h o u t any k n o w l e d g e a b o u t i t si n t e r n a l working p r o c e d u r e . You o n l y n e e d t o h a v e a t r a i n i n g process m a d e o f i n p u t a n d o u t p u t v e c t o r su n i t , r e s u l t i n g f r o m e x p e r i m e n t s a n d r e p r e s e n t a t i v e o f t h e t a s k t o b e m o d e l l e d . T h e q u a l i t y o f t r a i n i n g i svery i m p o r t a n t , i f t h e d a t a i s n o t r e p r e s e n t a t i v e o f t h e r e l a t i o n t o b e a p p r o a c h e d , t h a t means, i f t h ee x a m p l e s are n o t r e p r e s e n t a t i v e o f t h e a p p l i c a t i o n d o m a i n , t h e t r a i n i n g will b e a b l e t o give o n l y a p a r t i a la p p r o x i m a t i o n o f t h e p r o b l e m ( u n d e r t r a i n i n g ) . I n t h e o p p o s e d c a s e , i f t h e r e i s a l o t o f p a r a m e t e r s , t h en e t w o r k w i l l m e m o r i z e t h e e x a m p l e s a n d w i l l b e u n a b l e to g e n e r a l i z e w i t h e x a m p l e s , w h i c h d o n o t b e l o n gt o t h e t r a i n i n g d a t a ( o v e r t r a i n i n g ) . T h e q u a l i t y o f t h e t r a i n i n g i s e v a l u a t e d i n t e r m o f g e n e r a l i z a t i o nc a p a c i t y , w h i c h i s q u a n t i f i e d b y c a l c u l a t i n g t h e average q u a d r a t i c e r r o r ( A Q E ) :

2 ( 2EAP=NA Ek YP=1m)(I t g i v e s t h e e r r o r m a d e on t h e w h o l e N A P P e x a m p l e s o f the training process b e t w e e n t h e w i s h e d o u t p u t sy p ( k ) a n d t h e o u t p u t m o d e l Ym ( k ) .T h e p e r f o r m a n c e o f g e n e r a l i z a t i o n d e p e n d s on t h e r e l e v a n c e o f t h e t r a i n i n g d a t a u s e d , o f t h e n e t w o r kp a r a m e t e r s n u m b e r a n d t h e s t a t e o f t h e t r a i n i n g a l g o r i t h m convergence. L i k e every i d e n t i f i c a t i o np r o c e d u r e , t h e n e u r o n a l m o d e l o b t a i n e d a f t e r t r a i n i n g must b e v a l i d a t e d . I t must t h u s b e s u b j e c t e d t o ac e r t a i n n u m b e r o f t e s t s , w h i c h w i l l make i t v a l i d . T h e v a l i d a t i o n h a s two l e v e l s , one c o n c e m i n g t h ec a p a c i t y o f g e n e r a l i z a t i o n a n d t h e o t h e r t h e t e s t s o f c o r r e l a t i o n . T o d e t e c t a b a d g e n e r a l i z a t i o n q u a l i t y , i t i se n o u g h t o e s t i m a t e t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e m o d e l on one or more t e s t s d a t a w h i c h a r e d i f f e r e n t from t h et r a i n i n g o n e s . T h i s i s d o n e b y comparing t h e a v e r a g e q u a d r a t i c e r r o r t e s t ( A Q E T ) o f t h e d a t a t e s t w i t h t h e1 t a i n i n g process error E a p p . I f t h e two v a l u e s are c l o s e d , t h e m o d e l h a s a g o o d c a p a c i t y o f g e n e r a l i z a t i o n .

M P h 2 0 0 5 - D n > c d c i i lSB1.l X3-75S15-0S-5 P . 3

' . . f i c - ! , d N e t L r d N c v . m r k c o a a - o l a a d c = r y y m,"tgement i n 4 2 v DC l i a k GUALOUS Hwud

D E l O w n 5 - L ) i - - ; c 1 1 i I S B S N : 9 ( U 1 5 4 8 t f - 5 i , . 3


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M i l 3 . c l i d N e L e a l N e r v o r k c o n u o l a n d e i c r . y r n a a a . e i n c a t i i i 4 2 V D C l i n k GUALOUS Hamid

N T E S T = kiY Y P ( k ) Y m ( k ) )T h e c o n t r o l s y s t e m h as b e e n i m p l e m e n t e d u s i n g M A T L A B / S I M I U L I N K P ' as an a n a l y t i c m o d e l ( s o u r c e a n dDC/DC c o n v e r t e r ) . S i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w the a d a p t a t i o n b e t w e e n t h e v o l t a g e o f a s u p e r c a p a c i t o r t a n kusing DC/DC converter a n d a 42V D C l i n k .

Fack of Sunerapahom - - L CWE VoIt:'j

3 4 T - - - - - - - - --T - - - - - - - - -, - - - - - - - - - --- --- -- -- _-_______

7> 3-l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - r -- -- - - m-- - - - - - - - ------ r - - - -- -- -- -1 - 1

1100 2 0 1 f 4 0 D I C I 6 F i 1 1 1 ] 7 1 11 3C h ; r g e i c i D I h a - ge c i r e e r - i t

1 - 1

1 0 0 2 0 1 ] 3L - 4 0 tOLl B 1 - I I ] 7 1 1 I JT i n - - n e ( i s )

F i g . 2 : s i m u l a t i o n r e s u l t sPower managementT h e power management o f t h e s y s t e m i s r e a l i s e d b y an a l g o r i t h m p r o c e d u r e . T h e p r i n c i p l e o p e r a t i o n i s asf o l l o w s . I n t h e a l g o r i t h m , a t h r e s h o l d c u r r e n t i s f i x e d i n t h e s t e a d y s t a t e ( ' p c i ) , t h e minimum a n d t h emmumu p e r c a p a c i o t r s p a c k v o l t a g e l e v e l s re f i x e d r e s p e c t i v e l y a t V s c i i n a n d V s n - x . I n t h e f i r s t , whent h e s y s t e m i s o n , t h e p a c k o f s u p e r e a p a c i t o r s v o l t a g e V . i s t e s t e d . I f V , , i s l e s s t h a n V , , , , s u p e r c a p a c i t o r sa r e c h a r g e d u n t i l V s c m a x . A f t e r t h a t , i f t h e c u r r e n t demad a t t h e D C b u s i s h i g h h i g h e r t h a n I p e r ( t r a n s i e n ts t a t e ) , b a t t e r y i s d i s c o n n e c t e d , t h e power r e q u i r e m e n t i s g i v e n b y t h e p a c k o f s u p e r c a p a c i t o r s . In t h e s t u d ys t a t e , t h e b a t t e r y p r o v i d e s t h e power r e q u i r e m e n t adt h e s u p e r c a p c i t o r s p a c k i s c h a r g e d .I f t h e c u r r e n t d e m a n d i s h i g h than I p e r a n d t h e VscVj, t h e s y s t e m can n o t p r o v i d e t h e power d e m a n d .S u p e r e a p a c i t o r s a r e c h a r g e d f o r m f r o m t h e b a t t e r y .

E x p e r i m e n t a l r e s u l t s

T h e e x p e r i m e n t a l t e s t o f t h e 42V P o w e r N e t f o r a u t o m o t i v e e l e c t r i c a l s y s t e m i s r e a l i z e d ( f i g . 3 ) .

h U E 2 0 0 5 - ISBN P . 4


D E l 2 0 0 5 - L ) i - - ; c 1 1 i I S B S N : 9 ( U 1 5 4 8 t f - 5 i , . 4


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T h e b a t t e r y ( 1 2 V , 1 0 5 A h ) , D C b u s i s l o a d e d b y v a r i a b l e r e s i s t o r s . L = 50jH i n p u t i n d u c t o r a n d C = 1 0mF o u t p u t c a p a c i t a n c e .T h e c o n t r o l a n d t h e power management o f t h e s y s t e m are r e a l i z e d b y t h e S i e m e n s SAB167m i c r o c o n t r o l l e r w i t h CAN b u s t o o b t a i n t h e d a t a b a s e . O f t h e s e r e s u l t s , t h e c o n t r o l s y s t e m h a s b e e ni m p l e m e n t e d u s i n g MATLAB / SMUILLNK * program p a c k a g e ad t s R e a l - T i m e - W o r k s h o p a n d D S p a c esoftware. F o r the c o n t r o l a n d t h e power m a n a g e m e n t , d i f f e r e n t e x p e r i m e n t a l v a l u e s are necessary: t h es u p e r c a p a c i t o r s c u r r e n t a n d v o l t a g e , t h e l o a d c u r r e n t a t t h e D C b u s a n d i t s v o l t a g e . T h e m e a s u r e d v o l t a g ev a l u e a t t h e DC/DC c o n v e r t e r s o u t p u t i s c o m p a r e d w i t h a v o l t a g e r e f e r e n c e , w h i c h i s e q u a l t o t h e D C b u sv o l t a g e ( 4 2 V ) . T h e g e n e r a t e d e r r o r i s c o r r e c t e d b y a P I r e g u l a t o r i n t h e t w o cases ( w h e n s u p e r c a p a c i t o r s orb a t t e r y p r o v i d e t h e power r e q u i r e m e n t ) . T h e P I c o m p e n s a t o r a n d t h e h y s t e r e t i c c u r r e n t r e g u l a t i o nd e s c r i b e d p r e v i o u s l y a r e r e a l i z e d b y t h e m i c r o c o n t r o l l e r . C u r r e n t s a n d v o l t a g e s a r e m e a s u r e d b y LEMsensors ad m o n i t o r e d b y th e m i c r o c o n t r o l l e r .

F i l t a r g e c a p a c i t o r( C = 10iF;V=S e l f ( L=. 6 i n H ; R - M 3 2 Q ;=,_ 1 S O A ) R e s i s t i v e l o a d

T . !; \ \ ; - I i l \ \ v ; - ^ iX u I ' \ l l ; t . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . i ;

b a t t e r y(V= 12V; Q=1 2 4 D

E l e c t r o n i c c o n t r o l a n d sensorsp r o c e s s i n g

. G B T : SKM 400GB

S u p e r e a p a c i t o r p a c k( C=2 S F ; Vmax=0 V ; Pmax=1 ) L A A f

F i g . 3 : E x p e r i m e n t a l t e s t b e n c h

L O B 2 0 0 5 - D n . J c i i 1SB1.l X3-75S15-0S-5 I t s


D E l 2 0 0 5 - L ) i - - ; c 1 1 i I S B S N : 9 ( U 1 5 4 8 t f - 5 I , . f


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A r t i f i c i a l N e u r a l N e t w o r k c o n t r o l a n d e n e r g y m a n a g e m e n t i n 4 2 V P C l i n k GUALOUS 1 - l a n t i d

I n f i g . 4 , we h a v e p l o t t e d the f i r s t e x p e n m e n t a l r e s u l t s o b t a i n e d b y u s i n g ANNs c o n t r o l . T h i s f i g u r e s h o w sth e D C l i n k v o l t a g e e v o l u t i o n as a f u n c t i o n o f t i m e f o r t h r e e cases.T h e f i r s t curve i n b l u e i s r e a l i z e d b y a P I controller i m p l e m e n t e d i n a m i c r o c o n t r o l l e r , t h e s e c o n d in greeno b t a i n e d b y ANN c o n t r o l w h i c h uses e x p e r i m e n t a l d a t a f o r ANN t r a i n i n g process a n d t h e l a s t , i s o b t a i n e dw i t h ANN c o n t r o l w h i c h uses s i m u l a t i o n d a t a f o r ANN t r a i n i n g . T h e ANN r e g u l a t o r a r e i m p l e m e n t e d i nMATLAB/SIMULINK a n d D S p a c e s y s t e m . T h e s e r e s u l t s s h o w t h a t t h e D C link i s r e g u l a t e d a t 4 2 V . A tt h e l o a d c u r r e n t c o m m u t a t i o n , t h e r e g u l a t e d D C l i n k v o l t a g e w i t h a P I c o n t r o l l e r presents a h i g h e r peakv o l t a g e than t h e ANN r e g u l a t i o n . I n t h e f i n a l p a p e r , t h e s e r e s u l t s w i l b e a n a l y z e d a n d t h e o t h e re x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h ANN energy m a n a g e m e n t w i l l b e p r e s e n t e d .

V o l t a g e ( V ) , l o a d c u r r e n t ( A )60

60

A-".40 ---- -i

30 V b u s I c c n m n n d e R ) -VtscrI It4sriv i u s ( o o m m a n d e r F i m u ) .

20

1 0

0 D 6 0 D 1 i r 200 0 o 3 E !Time ( s )

F i g . 4 : E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o b t a i n e d w i t h ANN f o r DC b u s c o n t r o lT h e e x p e r i m e n t a l t e s t o f t h e 4 2 V P o w e r N e t f o r a u t o m o t i v e e l e c t r i c a l s y s t e m i s r e a l i z e d i n t h e samec o n f i g u r a t i o n o f t h e s i m u l a t i o n c o n d i t i o n s . I n f i g u r e 5 , t h e e v o l u t i o n o f t h e s u p e r c a p a c i t o r s c u r r e n t a n dv o l t a g e a n d t h e DC b u s v o l t a g e a s a f u n c t i o n o f t i m e h a s b e e n p l o t t e d .D u r i n g t h e c o n t r o l o f t h e p r o c e s s , t h e b e h a v i o u r o f t h e s y s t e m i s d e s c r i b e d a s f o l l o w s :0 t E [ 1 7 ; 3 5 0 ] : s u p e r c a p a c i t o r s a r e c h a r g i n g u n d e r c o n s t an t c u rr e n t ( I O A ) , T h e DC/DC c o n v e r t e rb e t w e e n s u p e r c a p a c i t o r s a n d D C b u s o p e r a t e s i n b u c k m o d e . T h e D C b u s v o l t a g e i s c o n t r o l l e d a t 42Vf r o m t h e b a t t e r y .

l i l t 2 0 0 5 - E t r a d e n P . 6

i c i a l N c u n d N e t w or k o m a - o l x i d e n e r g y m m u t g c m c a . I 4 2 V DC L a & GU A L O L I S H a a - m d

E l l - 2 0 O 5 - D r e d e i I S B N : 1 ) - 7 5 8 t 5 , - 0 & - l : i , . 6


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I o t ? ' i6i j ! : E FA c : k of F S i J F i O e rc: r i r C : I t r s

4-A

0 A e r r I : i t : i t c ~ e

LI-

I O 7 - O 4 I I I I 6 - - i l 0 CO 91 - I

C I O I 7 ~ I D C -0 3 D I D 7 1 - - I 8 9 I D C I I CTi m c n i n ( E - ; )

Fig.5 Experimental results of the 42V powerNet for automotive electrical system applications

t c z [35 0;5 0 4] : the supercapacitors are charged, t h e n starts to discharge when the current ontheDCbus varies. They discharge with various current values. TheDCbus voltage remains constant to 42Vusing supercapacitors energy adtheDC/DCconverter operates in boost mode.

t c [5 1 0 ; 7 30] : the supercapacitors are discharged, t h ey have to charge, the DCbus voltage isagain controlledby the battery.

t E - [7 3 5 ; 7 6 2 ] The supercapacitors are discharged by a hihcurrentt e [774;9 14]: The supercapacitors are not entirely charged but there is acurrent fluctuation on

theDC u s, then, the supercapacitors are s ol i c i ted in priority to maintain theDCbus voltage constant.The experimental results show that theDCbus voltage remains constant to 42V when the current loadvaries. However with each c hange of cycle of the supercapacitors charge and discharge, very fast overvoltages appear ( t r n m s i e n t e f f e c t s ) . This last is due to the fact that: when the supercapacitors are charged,the battery provides the power to the 42V PowerNet. TheDC/DC converter between supercapacitors andthe DCbus is controlled by current. When the current load changes, battery is disconnected andsupercapacitors give the power requirement. This commutation causes perturbations to the controller, andDCbus voltage varies. However, t h i s transient effect is very fast and has noinfluence in operating system.

1 2 K 2 0 0 5 - P n . J c i i 1SBt. X3-75815-O8-5 I t '

' . . f i c - ! , d N e t L r d N c v . m r k c o a a - o l a a d e n e q y m , , u i k g c i n c n t h i 4 2 V DC U L r . . . GUALOUS H w u i d

E l l h 2 0 0 5 L ) i v - - ; d c , - i i I S B N : 9 ( . - 7 5 8 t f , - W - 5 P . 7


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Amf'bSilt. S E . Nm,rL cu. I I . 4 2 V L I L i GUALOUSW.d

C o n c l u s i o nA s a c o n c l u s i o n t h i s p a p e r s h o w s A r t i f i c i a l N e u r a l N e t w o r k a s a w e l l a d a p t e d m e t h o d t o c o n t r o l v o l t a g eon a 42V D C b u s a n d t o m a n a g e e n e r g y t r a n s f e r b e t w e e n a p a c k o f 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 . A 2kWt e s t b e n c h h a s b e e n r e a l i s e d a n d c o m p a r i s o n s b e t w e e n s i m u l a t e d a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s v a l i d a t e t h e newm e t h o d o l o g y p r e s e n t e d . I t c a n b e s h o w n t h a t h i g h e r d y n a r n i c a n d a d a p t a b l e r e g u l a t i o n c a n b e o b t a i n e d . I ti s n o t e d t h a t t h e a d j u s t m e n t o f t h e n e u r o n a l n e t w o r k i s more o b v i o u s t h a n t h a t P I c o r r e c t o r s . T h ep e r f o r m a n c e s o f t h e s y s t e m d e p e n d m a i n l y on t h e a l g o r i t h m o f t h e e n e r g y m a n a g e m e n t . S o t h i s newa p p r o a c h i s p r o p o s e d f o r a u x i l i a r y power u n i t i n a u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n s .

R e f e r e n c e s :[ 1 ] P a u l o E . M . A l m e i d a a n d M a r c e l o G o d o y S i m 6 e s , ' N e u r a l O p t i m a l C o n t r o l o f P EM F u e l C e l l s w i t hp a l a m e t r i c CMAC N e t w o r k s ' I E E E TRANSACTIONS ON INDUSTRY A P P L I C A T I O N S , VOL. 4 1 , NO.1 , JANUARY/FEBRUARY ( 2 0 0 5 ) 2 3 7 .[ 2 ] T . S e i j y u , H . M i y a z a t o , S . Y o k o d a , K . U e z a t o , S p e e d C o n t r o l o f U l t r a s o n i c M o t o l s u s m i g N e u r a l N e t w o r k ,I E E E t r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s , V o l . 1 3 , N 3 , May 1 9 9 8 .[ 3 ] E . L a v r e t s k y , N . H o v a k i m y a n . ' R e c o n s t r u c t i o n o f C o n t i n u o u s - T i m e D y n a m i c s U s m i g D e l a y e d O u t p u t s a n dF e e d f o r w a r d N e u r a l N e t w o r k s ' , I E E E T r a n s a c t i o n s o n A u t o m a t i c C o n t r o l , 2 0 0 2 .[ 4 ] N . H o v a k i r n y a n , F . N a r d i , N . K i m , A . J . C a l i s e , A d a p t i v e O u t p u t F e e d b a c k C o n t r o l o f U n c e r t a i n S y s t e m su s i n g S i n g l e H i d d e n L a y e r N e u r a l N e t w o r k s , IEEE T r a n s a c t i o l n s o n N e u m l N e t w o r k s , 2 0 0 1 .[ 5 ] R . P . J o n e s , A . S . C h e r r y , S . D . F a r r a l , A p p l i c a t i o n o f I n t e l l i g e n t C o n t r o l i n A u t o m o t i v e V e h i c l e s . I E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n t r o l . C o v e n t r y , U K . V o l . 3 8 9 , p p 1 5 9 - 1 6 4 , M a r c h 1 9 9 4 .[ 6 ] S h a o d u a n O u , L u k e E . K A c h e n i e ' A h y b r i d n e u r a l n e t w o r k m o d e l f o r P EM F u e l c e l l s ' J o u r n a o f p o w e r

s o u r c e s ( 2 0 0 4 )[ 7 ] J a i m e A r r i a g a d a , P e r r i l l a O l a u s s o n , A z r a S e l i m o v i c ' A r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s i m u l a t o r f o r S O F C 'p e r f o r m a n c e p r e c d i c t i o n ' J o u r n a l o f P o w e r S o u r c e s 1 1 2 , 2 0 0 2 , p p . 5 4 - 6 0 .[ 8 ] J e t P . H . S h u ' T h e D e v e l o p m e n t o f t h e H y b r i d P r o p u l s i o n S y s t e m f o r t h e L i g h t - D u t y V e h i c l e A p p l i c a t i o n s ' .I n t e r n a t i o n a l E l e c t r i c V e l i c l e S y m p o s i u m a n d E x p o s i t i o n , E V S - 2 0 : P o w e r i n g S u s t a i n a b l e T r a n s p o r t a t i o n .L o n g B e a c h . C a l i f o m i a ( U S A ) . N o v e m b e r 1 5 - 1 9 ; 2 0 0 3[ 9 ] E . J . D ow g i a l l o a n d A . F . B i u r k e , ' U l t r a c a p a c i t o r s f o r E l e c t r i c a n d H y b r i d V e h i c l e s ' . E l e c t r i c V e h i c l eC o n f e r e n c e . F l o r e n c e , I t a l y . 1 9 9 3[ 1 0 ] J . L o t t , H e l m u t S p a t h ' D o u b l e l a y e r c a p a c i t o r s a s a d d i t i o n a l p o w e r s o u r c e i n e l e c t r i c v e h i c l e s ' 1 8 ' hI n t e r n a t i o n a l E l e c t r i c V e h i c l e S y m p o s i u m a n d E x h i b i t i o n . B e r l i n , G e r m a n u y . 2 0 0 1 , CD ROM.[ 1 1 ] T . D i e t r i c h ' U l t r a C a p s - A n e w e n e r g y S t o r a g e D e v i c e f o r P e a k P o w e r A p p l i c a t i o n s ' , 1 8 1 ' I n t e m a t i o n a lE l e c t r i c V e h i c l e S y m p o s i u m a n d E x h i b i t i o n . B e r l i n , G e r m a n y . 2 0 0 1 , CD ROM.[ 1 2 ] L . B e r t o n i , H . G u a l o u s , D . B o u q u a i n , H . , H i s s e l , D . , P e a , M . C . , K a u f f m a n n , J . M . , " H y b r i d a u x i l i a r y p o w e ru n i t ( A P U ) f o r a u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n s " , i n P r o c . o f t h e IEEE V e h i c u l a r T e c h n o l o g y V T C ' 0 2 C o n f e r e n c e ,CD-ROM, ISBN 0 - 7 8 0 3 - 7 4 6 8 - 1 , V a n c o u v e r , C a n a d a , 2 0 0 2 .

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