Hybrid model predictive control of mobile refrigeration systems

Abstract

In unserer globalisierten Welt spielt der gekühlte Transport von Waren eine wesentliche Rolle. Obwohl mit erheblichem Energieaufwand einhergehend, führt die dennoch oft unzureichende Temperatureinhaltung zur Beeinträchtigung des Transportgutes. In der Vergangenheit wurden zwar Hardware-Verbesserungen durchgeführt, damit verfügbare Flexibilitäten in Betriebsstrategien aber nur selten genutzt. Diese sind zumeist seit Jahrzehnten unverändert. Diese Arbeit führt eine gesamtheitliche Regelungsstrategie zur optimalen Flexibilitätsnutzung eines mobilen Kühlsystems mit sekundärem Speicherkreislauf ein. Experimentelle Untersuchungen am Kühlfahrzeug dienen als Ausgangsbasis und stellen den realen Bezug der entwickelten Methoden sicher. Ein hybrides Modell der gesamten Kühlanwendung umfasst alle Systemflexibilitäten und Stellmöglichkeiten. Wesentlich ist die Berücksichtigung von Türöffnungen als explizite Interaktion mit der Umgebung. Darauf aufbauend wird ein hybrider modellprädiktiver Regler entwickelt, der gleichzeitig nach hoher Effizienz und Temperatureinhaltung strebt. Die zugrunde liegende Optimierung wird durch eine methodische Gestaltung von Zielfunktion und Beschränkungen so vereinfacht, dass Echtzeitfähigkeit sichergestellt und hohe Leistung des geschlossenen Regelkreises erzielt wird. Die optimale Flexibilitätsnutzung wird durch die Berücksichtigung von Türöffnungs- und Wetterprädiktionen weiter verbessert. Ein mit Peltier-Modulen ausgestatteter Prüfstand dient zur Validierung des Regelungskonzeptes. Durch Impedanzregelung wird dabei die Dynamik des Originalsystems und damit die reale Aussagekraft der Resultate sichergestellt. Ein Algorithmus zur Schätzung der wichtigen, aber in der realen Anwendung nicht messbaren Lufttemperatur nahe des Transportgutes rundet den gesamtheitlichen Ansatz ab. Zur experimentellen Validierung wird ein repräsentativer Zyklus mit Abkühlphase und Phasen mit erwarteten und unerwartet auftretenden Türöffnungen durchlaufen. Die Leistungsfähigkeit wird durch Vergleich mit Standardlösungen bestätigt. Für den gesamten Zyklus werden Energieeinsparungen von 16.4% und eine Verbesserung in der Temperatureinhaltung von 3.4% gegenüber einem proportional-integrierenden Regler erreicht. Sind die Türöffnungen vorab bekannt, steigt die Energieeinsparung auf 29.6 %. Ein einfacher modellprädiktiver Regler erreicht eine ähnliche Energieeinsparung, aber dessen eingeschränkte Flexibilität führt zu verminderter Temperatureinhaltung. Damit hat sich das hybride modellprädiktive Regelungsschema als profunde und potente Methode zur Reduzierung des ökologischen und ökonomischen Fußabdrucks von mobilen Kühlsystemen herausgestellt. Besonders auch im Hinblick auf die vermehrte Nutzung rein elektrischer Antriebstechnologien ist diese Betriebsstrategie ein wichtiger Baustein im Umgang mit den heutigen klimatischen Herausforderungen.

Refrigerated transport plays an essential role in our globalized world. It requires high amounts of energy and yet effects a substantial loss of goods, correlating with a significant ecological and economic footprint. Although much has been done regarding hardware improvements, operating strategies rarely use the accompanying flexibility potentials and have remained almost unaltered for decades. This thesis presents a holistic control approach to address this gap. For mobile refrigeration systems powered by a secondary loop cooling unit, it introduces and experimentally validates a predictive strategy that optimally harnesses the system’s intrinsic flexibility potential. Extensive experimental investigations of the real-world truck form the basis for all elaborations, ensuring their practical relevance. One of the key elements of this work is a control-oriented model. It unites all operating modes of the advanced cooling unit architecture and all existing system flexibilities. The explicit incorporation of door openings as an actual interaction with the ambient air stands out. Its hybrid formulation and first-principles design ensure reasonable complexity. The design of a hybrid model predictive controller simultaneously aiming for high efficiency and obeying temperature limits forms another pillar of this work. Advanced formulation of its objective function and constraints guarantees real-time capability while maintaining high closed-loop performance. Consideration of weather and logistics forecasts further benefits optimal flexibility utilization. In addition, an economical test bed based on Peltier modules is introduced for experimental verification. There, impedance control ensures the same dynamics as in the real-world refrigerated application. A soft sensor to estimate the essential but practically immeasurable air temperature close to the cargo complements the proposed holistic control scheme. Experimental validation relies on a representative test run comprising a pull-down sequence and periods with expected and unexpected door openings. Comparisons to state-of-the-art control approaches confirm the proposed method’s superior performance. Overall, it achieves energy savings of 16.4% and improves temperature compliance by 3.4% over a proportional-integral scheme. For door openings known in advance, energy consumption decreases by up to 29.6 %. While a standard model predictive approach can attain similar energy performance, its limited flexibility causes significantly decreased temperature compliance. Thus, the hybrid model predictive control scheme proves to be the means of choice for reducing the ecological and economic footprint of mobile refrigeration systems. Especially with regard to the increased use of electric vehicles, it is particularly attractive as a contribution to conquering pressing climatic challenges.