I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 ,   p p .   695 ~ 7 0 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 16 .i 2 . p p 6 9 5 - 709           695     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Dy na mic mo del a nd contro l s trateg ies o f  ba t tery - sup ercapa citor  hy brid power  so urces for  elect ric v ehicles:  a   revi ew       Adna n Ra f i A l Ta hta wi 1, 2 ,   Arie f   Sy a ichu Ro hm a n 3 ,   P ra n o t o   H ida y a   Rus m in 3 ,   Arw in dra   Rizqia wa n 3   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   P o l i t e k n i k   N e g e r i   B a n d u n g ,   B a n d u n g ,   I n d o n e s i a   2 D o c t o r a l   P r o g r a m  o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   I n f o r ma t i c s,  B a n d u n g   I n st i t u t e   o f   T e c h n o l o g y   ( I TB ) ,   B a n d u n g ,   I n d o n e s i a   3 S c h o o l   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   I n f o r mat i c s,  B a n d u n g   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y   ( I TB ) ,  B a n d u n g ,   I n d o n e s i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ap r   1 4 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Ma y   6 ,   2 0 2 5       Th e   a d d it i o n   o f   a  su p e rc a p a c it o r  to   e lec tri c   v e h icle s  is  c o n sid e re d   b e n e ficia l  fo r  e x te n d i n g   b a tt e r y   l ifetime .   D u e   to   it s   h i g h e r   p o we r  d e n sity   c o m p a re d   to   th e   b a tt e r y ,   a  su p e rc a p a c it o r  c a n   e fficie n tl y   h a n d le  su d d e n   h ig h - c u rre n t   d e m a n d s.  H o we v e r,   t o   a c h iev e   e n e rg y   e fficie n c y ,   a   sp e c ifi c   c o n tr o l  stra teg y   is  re q u ired   f o r  t h is  b a tt e ry - su p e rc a p a c it o r  (Ba tt - S C)  h y b ri d   p o w e r  so u rc e   (HPS ).   T h is  p a p e r  re v iew s  t h e   d y n a m ic  m o d e l  o f  t h e   Ba tt - S C   a s  HPS   f o r   e lec tri c   v e h icle s  a n d   e x p lo re s  it s  v a rio u s  c o n tr o l  stra teg ies   i n   o r d e r  to   a c h iev e   e n e rg y   e fficie n c y .   A   h i g h - f id e li t y   m o d e l,   a   c o n tr o l - o rien ted   m o d e l,   a n d   a n   in teg ra ted   d y n a m ic  m o d e l  a re   p r e se n ted .   Va rio u s  c o n tr o l  stra te g ies   a re   th e n   d isc u ss e d ,   i n c lu d in g   h i g h - le v e l  c o n tro l ,   l o w - lev e l  c o n tr o l,   a n d   DC  b u s  v o lt a g e   re g u latio n .   T h is p a p e r  a lso   id e n ti f ies   se v e ra l  k e y   re se a rc h   o p p o rt u n i ti e s,  su c h   a s  d e v e lo p i n g   a n   in te g ra ted   d y n a m ic  m o d e l  o f  a   h y b rid   Ba tt - S C  e lec tri c   v e h icle ,   c o m b i n i n g   h ig h - lev e l  a n d   lo w - le v e l  c o n tro l  in t o   a   u n ifi e d   c o n tro l   stra teg y ,   a n d   d e sig n in g   a n   o p t ima l - a d a p ti v e   c o n tr o ll e r  t h a t  c a n   m in imiz e   a   c e rtain   p e rfo rm a n c e   in d e x   b y   c o n sid e rin g   n o n li n e a rit y   fa c t o rs.   K ey w o r d s :   B atter y - s u p er ca p ac ito r   Hy b r id   p o wer   s o u r ce s   I n teg r ated   d y n a m ic  m o d el   E n er g y   ef f icien cy     L o w - lev el  co n tr o l   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ad n an   R af i A l T ah tawi   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Po litek n ik   Neg er i Ba n d u n g   St .   Geg er k alo n g   Hilir,   C iwar u g a,   B an d u n g ,   W est J av a  4 0 5 5 9 ,   I n d o n esia   E m ail:  ad n an . r a f @ p o lb an . ac . i d       1.   I NT RO D UCT I O N   E lectr ic   v e h i c l e s   p la y   a   p iv o tal   r o l e   i n   r e p l ac i n g   t h e   co n v e n ti o n a l   t r a n s p o r t a t io n   s y s t e m   d u e   t o   t h e i r   eco - f r i en d ly   c h ar a c t er i s t i c .   Ho w e v er ,   a   k e y   ch a l l en g e   th a t   c o n t in u e s   t o   b e   ex p lo r ed   i s   t h e   l i m i t a t i o n   o f   th e   b a t t e r y   u s e d   a s   t h e  p r i m a r y   p o w er   s o u r c e.   B a t t e r ie s   h av e   l i m i t a t io n s   s u c h   a s   l o w   p o w e r   d en s i t y ,   lo n g  c h a r g i n g   t i m e s ,   an d   l im i t e d   l if e   c y c l e s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   R e c e n t l y ,   L i th i u m   b a t t er i e s   h av e   e m er g ed   a s   t h e   m o s t   s u i t ab l e   e n e r g y   s o u r ce   f o r   e l e c tr i c   v eh i c l e s ,   o f f er i n g   e f f i c i en c i e s   r a n g in g   f r o m   8 0 %   t o   9 5 % ,   a lt h o u g h   th i s   h ig h ly   d e p en d s   o n   s ev e r a l   c o n d i t io n s ,   s u c h   a s   d r iv i n g   t e ch n iq u e  a n d   tr a v e l i n g   p r o f i l e   [ 3 ] .   T o   f u r th e r   e n h a n c e   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   e l ec t r i c   v e h ic l e s ,   a s   w e l l   a s   in c r e a s e  e n er g y   e f f i c i e n c y ,   o n e   p r o m i s i n g   a p p r o a ch   i s   t h e   i n t e g r a t i o n   o f   a  s u p e r ca p ac i t o r   a s   a n   ad d i t io n a l  p o w e r   s o u r c e   [ 4 ] .   Un l i k e   b a t t er i e s ,   s u p er c a p ac i t o r s   e x h ib i t  h i g h e r   p o we r   d en s i t y ,   e n ab l i n g   t h e m   to   m e e t   h i g h   cu r r e n t  d e m a n d s .   F u r t h e r m o r e,   th e y   o f f e r   f a s t e r   c h a r g i n g   a n d   d i s c h ar g in g   t im e s   co m p a r e d   t o   b a t t er i e s ,   m a k in g   th e m   w e l l - s u i t ed   f o r   ap p l i ca t i o n s   s u c h   a s   s u d d e n   h i g h - c u r r e n t  d em a n d s   an d   r eg e n er a t i v e   b r ak i n g   [ 5 ] - [ 8 ] .   B y   l e v er a g in g   th e  c o m p l em e n t ar y   c h a r a c t er i s t i c s   o f   b o t h   p o w er   s o u r c e s ,   th e   u s e   o f   b a t t e r y - s u p e r c ap a c i to r   ( B a t t - SC )   a s   a  h y b r i d   p o w er   s o u r ce   ( H P S )   i n   e l e ct r i c  v e h i c le s   h a s   b e en   s h o w n   t o   ex t e n d   b a t t e r y   l if e t i m e  a n d   i m p r o v e   s y s t e m   ef f i c ie n cy   [ 9 ] .    Alth o u g h   th e  B att - SC   HPS  h o ld s   s ig n if ican t  p r o m is e  f o r   e lectr ic  v eh icles,  it  h as  n o t  y et  b ee n   f u lly   co m m er cialize d   f o r   wid esp r ea d   p u b lic  u s e.   C u r r en tly ,   th e  u s e  o f   B att - S C   in   elec tr ic   v eh icles  r em ain s   in   th e  r esear ch   an d   d e v elo p m en t  s ta g e.   Key   f ac to r s   th at   m u s t  b e  ad d r ess ed   b e f o r e   th e  tec h n o lo g y   ca n   b e   ap p lied   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   6 9 5 - 7 0 9   696   in clu d e  th e  lo w  e n er g y   d e n s ity   o f   s u p er ca p ac ito r s ,   h ig h   p r o d u ctio n   c o s ts ,   an d   th e  r ea d in e s s   o f   th e  s u p p o r tin g   in f r astru ctu r e   [ 1 0 ] .   Desp ite  th e s e  ch allen g es,  th e   B att - SC   tech n o lo g y   p r esen ts   co n s id er ab le   p o ten tial   f o r   f u tu r e   d ev elo p m e n t  an d   a d o p tio n   d u e  to   th e   co m p lem en tar y   p o wer   an d   en er g y   ch ar ac ter is tics   it  o f f er s .   A   ca s e  s tu d y   h as  d em o n s tr ated   th at  th e   u s e  o f   a  B att - SC   HPS  in   elec t r ic  v eh icles  ca n   r esu lt  in   co s t  s av in g s   o f   a p p r o x im ately   1 2 %  co m p ar ed   to   elec tr ic  v eh icles  p o wer ed   s o lely   b y   b atter y   [ 4 ] .   Ad d itio n ally ,   th is   tech n o lo g y   s h o ws  g r ea t  p r o m is e  f o r   in teg r atio n   in to   o th er   em er g in g   r e n ewa b le  en e r g y   s y s tem s .   Fo r   th e  r eq u ir em en ts   o f   co n t r o l  d esig n ,   th e  B att - SC   HPS  m u s t  b e  co m p r eh en s iv ely   m o d ele d   to   ca p tu r e   its   d y n am ic  b eh av io r   [ 1 1 ] - [ 1 3 ] .  T h is   m o d elin g   in v o l v es  th e  p h y s ical  ch ar ac ter is tics   o f   b o th   th e  b atter y   an d   th e   s u p er ca p ac ito r ,   as  well  as  th eir   in ter ac tio n s   with in   t h e  s y s tem .   A  d etailed   m o d el  en s u r es  th at  th e  c o n tr o l   alg o r ith m s   ca n   r esp o n d   ef f ec t iv ely   to   v ar y in g   lo a d   d em an d s ,   en v ir o n m en tal  f ac to r s ,   an d   s y s tem   co n s tr ain ts .   T h r ee   p r im a r y   ap p r o ac h es  ca n   b e  u s ed   to   m o d el  th is   s y s tem :  th e  h ig h - f id elity   m o d el,   th e   co n tr o l - o r ien ted   m o d el,   an d   th e  in teg r ate d   d y n am ic  m o d el.   T h e  h ig h - f id elity   m o d el  p r o v id es  a  d etailed   an d   p r ec is e  r ep r esen tatio n   o f   th e  s y s tem ,   ca p tu r in g   th e   co m p le x   p h y s ic al,   ch em ical,   an d   elec tr ical  p r o ce s s es  with in   th e   b atter y   an d   s u p er ca p ac ito r   [ 1 4 ] .   I n   c o n tr ast,  th e  co n tr o l - o r ien ted   m o d els  ar e  s im p lifie d   r e p r e s en tatio n s   d esig n ed   to   r etain   th e  ess en tial  d y n am i cs  o f   th e  s y s tem   wh ile  en s u r in g   co m p u tatio n al  ef f icie n cy   [ 1 5 ] - [ 1 9 ] .   I n teg r ated   d y n am ic   m o d el,   o n   th e   o th er   h an d ,   co m b i n es  th e  d y n a m ic  b eh av io r s   o f   th e  b atter y ,   s u p er ca p ac ito r ,   a n d   o th er   s y s tem   co m p o n e n ts ,   s u ch   as  p o wer   elec tr o n ics  an d   th e   v eh ic le's  d r iv etr ain   [ 1 6 ] ,   [ 2 0 ] .   E ac h   o f   th ese  m o d elin g   ap p r o ac h es  s er v es  a  s p ec if ic  p u r p o s e,   f r o m   p r ec is e  an aly s is   a n d   o p tim izatio n   to   ef f icien t  co n tr o l  s y s tem   d esig n .   T h e  B att - SC   a s   an   HPS   s y s tem   m u s t  also   b e  ef f ec tiv ely   co n tr o lled   f o r   v a r io u s   v eh icle  tr av el  co n d itio n s .   T h e  g o al  is   th at  th eir   cu r r en ts   ca n   b e  ad j u s ted   ac co r d in g   t o   n ee d s .   I n   p r in cip le,   th e  s u p er ca p ac ito r   is   u tili ze d   wh en   lar g e   lo ad   cu r r en ts   ar e   r eq u i r ed ,   s u ch   as  d u r in g   u p h ill  d r iv in g ,   s to p - an d - g o ,   an d   r eg en e r ativ e  b r ak in g .   HPS  co n tr o l  g en er ally   o p er ates  at  two   lev els:   h ig h - lev el  co n tr o l  ( k n o wn   as  en er g y   m an ag em en t  s y s tem   ( EMS ) )   an d   lo w - lev el  co n tr o l   [ 2 1 ] .   T h e   h ig h - lev el   co n tr o l  is   r esp o n s ib le   f o r   g e n er atin g   r ef er en ce   c u r r en ts   f o r   ea ch   p o wer   s o u r ce ,   b ased   o n   th e   v eh icle’ s   lo a d in g   co n d itio n s .   T h is   co n tr o ller   en s u r es  o p tim al  e n er g y   d is tr ib u tio n   am o n g   th e   p o wer   s o u r ce s ,   a d ap tin g   d y n am icall y   to   ch an g es  in   l o ad   a n d   d r iv i n g   c o n d itio n s .   T h e   r ef er en ce   c u r r en ts   ar e  t h en   t r ac k ed   b y   th e  lo w - le v el  co n tr o l,  wh ich   also   r eg u lates   th e  DC   b u s   v o ltag e.   Ad d itio n ally ,   th e   lo w - lev el  c o n tr o l  m ain tain s   s y s tem   s tab ilit y   b y   en s u r in g   th e  DC   b u s   v o lt ag e  s tay s   with in   s af e  an d   ef f icien t  o p er atin g   lim its .     T h i s   p a p e r   p r o v i d e s   a   f o c u s e d   r e v i e w   o f   t h e   d y n a m i c   m o d e l i n g   a n d   c o n t r o l   s t r a t e g i e s   o f   t h e   B a t t - S C   H P S   f o r   e l e c t r i c   v e h i c l e s .   T h e   p r i m a r y   c o n t r i b u t i o n   o f   t h i s   p a p e r   i s   t o   o f f e r   a n   o v e r v i e w   o f   v a r i o u s   d y n a m i c   m o d e l i n g   a p p r o a c h e s   a n d   t h e i r   c o r r e s p o n d i n g   c o n t r o l   s t r a t e g i e s ,   w i t h   p a r t i c u l a r   e m p h a s i s   o n   l o w - l e v e l   c o n t r o l   t o   e n h a n c e   e n e r g y   e f f i c i e n c y .   A l t h o u g h   s e v e r a l   r e v i e w   a r t i c l e s   o n   B a t t - S C   a s   a n   H P S   f o r   e l e c t r i c   v e h i c l e s   h a v e   b e e n   p u b l i s h e d   p r e v i o u s l y ,   t h i s   r e v i e w   d i s t i n g u i s h e s   i t s e l f   b y   f o c u s i n g   o n   t h e   d y n a m i c   m o d e l i n g ,   l o w - l e v e l   c o n t r o l   a p p l i c a t i o n s ,   a n d   c h a l l e n g e s   r e l a t e d   t o   D C   b u s   v o l t a g e   r e g u l a t i o n .   I n   c o n t r a s t ,   e x i s t i n g   r e v i e w s   h a v e   p r i m a r i l y   a d d r e s s e d   t o p i c s   s u c h   a s   E M S   [ 3 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] ,   D C - D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s   [ 2 4 ] ,   a n d   o p t i m a l   s i z i n g   t e c h n i q u e s   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ] .    T h e  r em ain d er   o f   t h is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo ws:   i)   Sectio n   2   p r o v id es  an   o v er v iew  o f   th e  d y n a m ic   m o d elin g   o f   th e   B att - SC   HPS s y s tem ,   f o llo wed   b y   a  d is cu s s i o n   o f   its   c o n tr o l   s tr ateg ies  in   s ec tio n   3 ;   ii)   Sectio n   4   ad d r ess es  ch allen g es  r elate d   to   DC   b u s   r eg u latio n ;  iii)   Po ten tial  r esear ch   d ir ec tio n s   ar e  p r esen ted   i n     s ec tio n   5 ;  wh ile   iv )   Sectio n   6   co n clu d es th e  s tu d y   with   a  s u m m ar y   o f   k e y   f in d i n g s .       2.   DYNA M I C  M O DE L   O F   B A T T - SC H P S F O R  E L E CT RI C  VE H I C L E S   T h e  B att - SC   HPS  f o r   elec tr ic  v eh icles  ca n   b e   m o d elled   u s in g   th r ee   m ain   a p p r o a ch es:  th e  h ig h - f id elity   m o d el,   th e   co n tr o l - o r ie n ted   m o d el,   an d   th e  i n teg r ated   d y n a m ic  m o d el.   Fig u r e  1   illu s tr ates th e  co n f ig u r atio n   o f   th e  B att - S C   s y s tem   a s   an   HP S,  wh ich   s er v es  as  th e  f o u n d atio n al  cir cu it  f o r   r ev iewin g   th e  d y n am ic  m o d elin g   ap p r o ac h es.  T h is   co n f ig u r atio n   in clu d es  two   co n tr o l  in p u ts   in   th e  f o r m   o f   th e  d u ty   cy cle,   th e  d y n am ic  m o d el  o f   th e   B att - SC   HPS,  two   b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er te r s   with   a  f u lly   ac tiv e   to p o l o g y ,   a n d   a   m o to r - v e h icle  m o d el  as th e  lo ad .     2 . 1 .     H i g h - f idelity   mo del   T h e   h i g h - f i d e l i t y   m o d e l   i s   a   d y n a m i c   a p p r o a c h   c h a r a c t e r i z ed   b y   h i g h   a c c u r a c y ,   a s   i t   i n c o r p o r a t e s   t h e   i n t e r n a l   c h a r a ct e r is t i cs   o f   e a c h   c o m p o n e n t .   T h i s   m o d e l   is   c o m m o n l y   e m p l o y e d   t o   t e s t   c o n t r o l l e r   p e r f o r m a n c e   i n   s i m u l at i o n   e n v i r o n m e n t s   a n d   to   v a l i d a t e   b l ac k - b o x   m o d e l s .   N u m e r o u s   s t u d i e s   o n   H PS   c o n t r o l l e r   d e s i g n   u t i li z e  h i g h - f i d e l i t y   m o d e ls .   F o r   i n s t an c e ,   r e s ea r c h   [ 1 4 ]   d e v e l o p e d   a  r e a l - t i m e  n o n l i n e a r   c o n t r o l l e r   f o r   B a tt - SC   s y s t e m s   i n   e l e c t r ic   v e h i c l es   b as e d   o n   a   h i g h - f i d e l i t y   m o d e l .   T h is   m o d e l   i n t e g r a t es   d e ta i l e d   i n t e r n a l   ch a r a c t e r is t i cs   o f   t h e  B a tt - SC ,   i n c l u d i n g   s e r i e s - p a r all e l   r e s i s ta n c e ,   c a p a c it a n c e ,   a n d   t h e   n u m b e r   o f   c e l l s   u s e d .   S im i l a r l y ,   t h e   DC - DC   c o n v e r t e r   m o d e l   a c c o u n t s   f o r   e l e m e n ts   s u c h   a s   i n d u c t o r   r e s is t a n c e     a n d   s w i t c h - o n   r e s i s t a n c e    .   T h e   s t a te  v a r i a b l e s   a n d   c o n t r o l   s i g n a ls   i n   t h e   h i g h - f i d e l i t y   m o d e l   a r e   d e f i n e d   a s   s h o w n   i n   ( 1 )   a n d   ( 2 ) :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d el  a n d   co n tr o l str a teg ies o f b a tter y - s u p erca p a c ito r   h yb r id   p o w er   …   ( A d n a n   R a fi A l Ta h ta w i )   697   = [ 1 2 3 4 5   ] ∗ = [     ] ∗   ( 1 )     = [ 1 2 ] ∗ = [ 1 3 ] ∗   ( 2 )     w i t h     a n d      a r e   b a t t e r y   a n d   s u p er c a p a c i t o r   v o l ta g e s ,     a n d      a r e   b a t t e r y   a n d   s u p e r c a p a c it o r   c u r r en t s ,     a s   t h e   DC   b u s   v o lt a g e ,   1   a n d   3   a r e   d u t y   c y c le s   f o r   t h e   DC - DC   co n v e r t e r   t h a t  i s   a ct i v e l y   c o n n e c t e d   t o   t h e   B a tt - S C   H PS .   B a s e d   o n   t h es e   s t a t e   v a r i a b l e s ,   t h e   n o n l i n e a r   d y n a m i c   m o d e l   c a n   b e   o b t a i n e d   as   ( 3 ) - ( 7 ) :      = − 1 − 1 +  ,   ( 3 )       = − 1   − 1   +  ,      ( 4 )      = 1 1 − 1 +  2 1 − 1 1 +  2 −  1 1 1 + 1 1 1   ( 5 )       = 1 2  − 2 +  4 2  − 1 2 +  4 −  3 2  3 + 1 2 3   ( 6 )       = 1  + 1   − 1  1 − 1   3 − 1      ( 7 )     w i t h   ,  ,   a n d    ,   r e s p e c ti v e l y ,   a r e  b a t t e r y   r es is t a n c e ,   b a t t e r y   c a p a ci t a n c e ,   a n d   b at t e r y   o p e n - c i r c u i t  v o l t a g e ,    ,   ,   a n d    ,    r e s p e c t i v el y ,   a r e   s u p e r c a p a c i t o r   r e s i s t a n c e ,   s u p e r c a p ac i t o r   c a p a c i ta n c e ,   a n d   s u p e r c ap a c i t o r   o p e n - c i r c u i t   v o l t a g e ,     a n d      a r e   r e s is t a n c e   o n   t h e   i n d u c t o r   a n d   s w it c h i n g   d u r i n g   t h e   O N   p e r i o d ,   a n d     a s   m o t o r   c u r r e n t .   B y   a d o p t i n g   t h is   a p p r o a c h ,   a n   a c c u r a t e   d y n a m ic   m o d e l   o f   B a tt - SC   as   a n   H PS   c a n   b e   a c h i e v e d .           F i g u r e   1 .   T y p i c a l   d y n a m i c   m o d e l   o f   B a tt - SC   as   H PS   f o r   a n   e le c t r i c   v e h i cl e       2 . 2 .     Co ntr o l - o rient ed  mo del   T h e  co n tr o l - o r ien ted   m o d el  is   a  d y n a m ic  m o d el  d esig n e d   s p e cif ically   f o r   co n tr o ller   d e v elo p m en t a n d   p r ac tical  im p lem en tatio n .   U n lik e  th e  h ig h - f id elity   m o d el,   it  is   d er iv ed   b y   s im p lify in g   th e  s y s tem   an d   n e g lectin g   th e  in ter n al   ch ar ac te r is tics   o f   ea ch   co m p o n en t,   wh ile  s till   r etain in g   ess en tial  p ar am ete r s .   T h is   m o d elin g   ap p r o ac h   is   wid ely   u s ed   i n   B att - SC   co n tr o ller   d esig n   [ 1 5 ] - [ 1 9 ] .   I n   co n tr ast  to   th e   h ig h - f id elity   m o d el,   th e   co n tr o l - o r ien ted   m o d el   tr ea ts   th e  B att - SC   s y s tem   as  a  co n s tan t  v o ltag e  s o u r ce   i n   th e   HPS  co n f ig u r atio n .   Ad d itio n ally ,   t h e  DC - DC   co n v er ter   m o d el  i n   th is   a p p r o ac h   ex clu d es    an d    .   C o n s eq u en tly ,   th e  n o n lin ea r   d y n am ic  e q u atio n s   f o r   th e  c o n tr o l - o r ien ted   m o d el,   g o v er n in g     an d    ,   ar e  d ef in ed   as sh o wn   i n   ( 8 )   a n d   ( 9 ) :        = 1 − 1 1 + 1 1 1   ( 8 )       =  2 − 1 2 + 1 2 3   ( 9 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   6 9 5 - 7 0 9   698   w h e r e     a n d      r e p r e s e n t s   t h e   B a t t - S C   v o l t a g e s ,   w h i c h   a r e   a s s u m e d   t o   r e m a i n   c o n s t a n t .   T o   i n c o r p o r a t e   t h e   d i r e c t i o n   o f   t h e   r e g e n e r a t i v e   c u r r e n t ,   t h e   a v e r a g e d   d y n a m i c   e q u a t i o n   i s   d e r i v e d   a n d   p r e s e n t e d   a s   s h o w n   i n   ( 1 0 ) - ( 1 2 ) :      = 1 − 1 1   ( 10 )       =  2 − 1 2    ( 1 1 )       = 1 + 1   − 1   ( 1 2 )     wh er e    an d      ar e  av er ag in g   d u t y   cy cles f o r   B att - SC ,   wh ich   s atis f y   th e  f o llo win g   ( 1 3 )   an d   ( 1 4 ) .     = { 1 − 1 , _ > 0 2 , _ < 0   ( 1 3 )      = { 1 − 3 ,  _ > 0 4 ,  _ < 0   ( 1 4 )     T h is   d u ty   cy cle  c o n f ig u r atio n   also   ap p lies   to   h ig h - f id elity   m o d els with   b id ir ec tio n al  DC - D C   co n v er ter s .     2 . 3 .     I nte g ra t ed  dy na m ic  m o del   T h e  in teg r ated   d y n a m ic  m o d el   co m b in es th e  d y n am ics o f   t h e   B att - SC   s y s tem   as a n   HP S wi th   a  d r iv e   s y s tem   co m p r is in g   a   DC - DC   co n v er ter ,   an   elec tr ic  m o to r ,   a n d   a  v e h icle  d y n am ics  m o d el.   S ev er al  s tu d ies  h av e  ex p lo r ed   th is   ap p r o ac h ,   in teg r a tin g   th e  B att - SC   s y s te m   w ith   an   in d u ctio n   m o to r   [ 1 6 ] ,   s witch ed   r elu ctan ce   m o to r   ( SR M)   m o d el  [ 1 7 ] ,   an d   th e  p e r m an en t  m ag n et  s y n ch r o n o u s   m o to r   ( PMSM)   m o d el  [ 2 7 ] .   R eg ar d in g   in te g r atio n   with   th e  v eh icle’ s   lo n g itu d in al  d y n a m ics,  an   in teg r ate d   b atter y - elec tr ic  v e h icle  ( I B E V )   m o d el  h as   b ee n   d ev elo p e d   [ 2 0 ] ,   alth o u g h   it d i d   n o t  in c o r p o r ate  a   s u p er ca p ac ito r   as  an   ad d itio n al   p o wer   s o u r ce .   C o n s eq u en tly ,   d ev elo p in g   a  c o m p r eh en s iv e  i n teg r ated   m o d el  t h at  in clu d es  B att - S C ,   DC - DC   co n v er ter s ,   e lectr ic  m o to r s ,   a n d   v eh icle  lo n g itu d in al  d y n a m ics  r em ain s   a  p r o m is in g   ar ea   f o r   f u tu r e  r esear ch .   T h e  v eh icle  lo n g itu d in al  d y n am ics   m o d el  b ased   o n   Fig u r e  2   ca n   b e  wr itten   as in   ( 1 5 ) :     = + + +   ( 1 5 )     wh er e    is   th e  tr ac tio n   f o r ce   r e q u ir ed   b y   th e  v eh icle,     is   th e  ac ce ler atio n   o f   t h e  v eh icle,     is   th e  f r ictio n   f o r ce   o f   th e  wh ee ls ,     is   th e  ae r o d y n a m ic  f o r ce   o f   th e   v eh icle,   an d     is   th e  f o r ce   o f   g r a v ity .           F i g u r e   2 .   L o n g i t u d i n a l   d y n a m ic s   o n   v e h i c l e       Fro m   ( 1 5 ) ,   th e  v eh icle  lo n g itu d i n al  s p ee d   ( ) ,   m o to r   s p ee d   ( ) ,   an d   m o to r   cu r r en t  ( )   ca n   b e  d ef in ed   as a d d itio n al  s tate  v ar iab les as sh o wn   in   ( 1 6 ) - ( 1 8 ) :       = . − 1 2 2 − ( c os + s in )   ( 1 6 )       = −   ( 1 7 )      = 1 − −   ( 18 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d el  a n d   co n tr o l str a teg ies o f b a tter y - s u p erca p a c ito r   h yb r id   p o w er   …   ( A d n a n   R a fi A l Ta h ta w i )   699   wh er e    is   m o to r   to r q u e  co n s tan t,    is   wh ee l  r ad iu s ,     is   m ass   o f   v eh icle,     is   r o ad   r esis tiv e  co ef f icien t,    is   ae r o d y n am ic  d r ag   co e f f icie n t,    is   f r o n t  cr o s s - s ec tio n al  ar ea ,     is   air   d en s ity   co n s tan t,  is   g r av ity   co n s tan t,    is   s lo p e  o f   t h e  r o ad ,     is   th e  m o m en t  o f   in er tia,     is   f r ictio n   co ef f icien t,    is   m o to r   r esis tan ce ,     is   m o to r   in d u ctan ce ,   an d     is   m o to r   b ac k - em f   co n s tan t.  T h ese  ad d itio n al  s tate  v ar iab les  ca n   b e  in co r p o r ated   in t o   th e   h ig h - f i d elity   m o d els d is cu s s ed   ea r lier ,   allo win g   th e   co m p lete   s tate  v ar iab les to   b e  ex p r ess ed   as sh o wn   in   ( 1 9 ) .     = [ 1 2 3 4 5 6 7 8 ] ∗ = [   ] ∗   ( 19 )       3.   CO NT RO L   ST R AT E G I E S  O F   B AT T - SC H P S F O R  E L E CT RIC V E H I C L E S   Fig u r e  3   p r esen ts   th e  g en er al  co n tr o l stra teg y   o f   th e  B att - SC   HPS,  o u tlin in g   th e  co n tr o l stru ctu r e  an d   class if icatio n   o f   th e  co n tr o ller   ty p es.  Fig u r e  3 ( a)   illu s tr ates  th e  b lo ck   d iag r a m   o f   t h e  B att - SC   co n tr o l  s tr u ctu r e   as  an   HPS.  T h is   co n f ig u r atio n   g en e r ally   in v o l v es  two   lev els  o f   co n tr o l.  T h e  h ig h - le v el  co n tr o l  u tili ze s   in f o r m atio n   s u ch   as  lo ad   ( r e p r esen ted   b y   cu r r en t  d e m an d ) ,   r o ad   s lo p e  an g les,  o r   ex te r n al  en v ir o n m en tal   co n d itio n s   to   d eter m in e  th e  HPS  r ef er en ce   cu r r en t.  Su b s eq u en tly ,   th e  lo w - lev el  c o n tr o l  en s u r es  th at  th e  r ef er en ce   cu r r en t  is   ac h iev ed .   T h e  s p ec if ic  o b jectiv es  an d   r o les  o f   th ese  two   co n tr o l  lev els  d if f er   an d   will  b e  elab o r ated   in   t h e  f o llo win g   s ec tio n .     Fu r th er m o r e ,   th e   co n t r o ller   m eth o d s   ap p licab le  to   th ese  co n tr o l  lev els  ar e   ca teg o r ize d   in   Fig u r e  3 ( b ) .   Hig h - lev el  co n tr o l  is   d iv id ed   i n to   f o u r   ty p es:  r u le - b ased ,   f ilter - b ased ,   o p tim izatio n - b ased ,   an d   lear n in g - b ased .   L o w - lev el  co n tr o l  is   class if ied   in to   th r ee   ty p es:  class ical  co n tr o l,  o p tim al  co n tr o l,  a n d   r o b u s t  co n tr o l.  A  d etailed   ex p lan atio n   o f   b o th   co n tr o l le v els an d   th eir   r esp ec tiv e   m eth o d s   will b e  p r o v id ed   i n   th is   s ec tio n .           ( a)   ( b )     Fig u r e  3 .   B att - SC   c o n tr o l   s t r at eg i es:   ( a)   c o n t r o ll er   s t r u ct u r e   a n d   ( b )   cl ass i f ic ati o n   o f   B att - S C   c o n tr o l   s t r at e g ies       3 . 1 .     H i g h - lev el   co ntr o l   Hig h - lev el  co n tr o l,  o f ten   r e f er r ed   to   as  E MS,   is   d esig n ed   to   g e n er ate  th e  r e f er en ce   cu r r e n t  f o r   th e  HPS.  T h is   lev el  o f   c o n tr o l   em p l o y s   a  p o we r   d is tr ib u tio n   al g o r i th m   b ased   o n   in p u t  v ar iab le s   s u ch   as  r eso u r ce   co n d itio n s   an d   lo a d   cu r r en t  r eq u ir em en ts .   T h e  E MS  o p tim izes  en er g y   allo ca tio n   b etwe e n   p o wer   s o u r ce s   to   en s u r e  ef f icien t  o p er atio n ,   m in im ize  lo s s es,  an d   ex ten d   th e  lif esp an   o f   t h e  s y s tem   co m p o n en ts .   B y   co n tin u o u s ly   m o n ito r in g   th e  s tate  o f   ea ch   p o wer   s o u r ce   an d   t h e  o v er all  s y s tem   d em an d ,   th e  E MS  d y n a m ical ly   ad ju s ts   th e   r ef er en ce   c u r r en ts   to   a d ap t  th e   v ar y in g   d r i v in g   c o n d itio n s   an d   lo ad   p r o f iles .       3 . 1 . 1 .   Rule - ba s ed   E M S   T h e  r u le - b ased   E MS  is   th e  s i m p lest   ap p r o ac h ,   as  it  d o es  n o t  r eq u ir e  a  d y n am ic  m o d el  f o r   its   d esig n ,   m ak in g   it  co m p u tatio n ally   ef f icien t  an d   ea s ier   to   im p lem e n t .   T h ese   c o n tr o l  s ch em es  r ely   o n   p r ed ef i n ed   r u les  an d   th r esh o ld s   to   m an a g e  en er g y   d is tr ib u tio n   am o n g   th e  p o w er   s o u r ce s ,   p r o v id in g   s tr aig h tf o r war d   an d   r eliab le   p er f o r m an ce .   R u le - b ased   co n t r o l  s ch em es  ca n   b e  d e v elo p ed   u s in g   f u zz y   lo g ic   [ 2 8 ] - [ 3 0 ]   a n d   a  s tate  m ac h i n e   alg o r ith m   [ 2 3 ] .   Fu zz y   l o g ic  o f f er s   a  f lex i b le  f r am ewo r k   f o r   h a n d lin g   u n ce r tain ties   an d   n o n - li n ea r ities   in   s y s tem   b eh av io r ,   wh ile  s tate  m ac h in e  alg o r ith m s   p r o v id e  a  s tr u ct u r ed   ap p r o ac h   f o r   tr an s itio n i n g   b etwe en   d is cr ete   o p er atin g   s tates  b ased   o n   s p ec if ic  co n d itio n s .   T h is   s im p licity   m ak es  r u le - b ased   E MS   h ig h ly   s u itab le  f o r   r ea l - tim e  ap p licatio n s   an d   s y s tem s   with   lim ited   co m p u tatio n al  r eso u r ce s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   6 9 5 - 7 0 9   700   3 . 1 . 2 .   F ilte r - ba s ed  E M S   T h e  f ilter - b ased   E MS  em p lo y s   a  lo w - p ass   f ilter   ( L PF )   to   allo ca te  p o wer   b etwe en   t h e  b atte r y   an d   th e   s u p er ca p ac ito r   b ased   o n   t h e  f r eq u en cy   ch ar ac te r is tics   o f   th e   lo ad   d em an d .   T h is   m eth o d   ef f ec tiv ely   s ep ar ates   th e  p o wer   d em a n d s   in to   h ig h - f r e q u en c y   an d   lo w - f r eq u en cy   c o m p o n en ts ,   e n ab lin g   ef f icien t   en er g y   m an ag em en t.   T h e   s u p er ca p a cito r ,   with   its   h ig h - p o wer   d en s ity   an d   r ap id   ch ar g e - d is ch ar g e  ca p ab ilit ies,   ad d r ess es  h ig h - f r e q u en c y   p o w er   d em an d s ,   s u ch   as  th o s e  ca u s ed   b y   s u d d e n   ac ce ler atio n s   o r   tr an s ien t  lo ad s .   I n   co n tr ast,  th e   b atter y ,   k n o wn   f o r   its   h ig h   en e r g y   d e n s ity ,   m an a g es  lo w - f r e q u en c y   p o wer   c h an g es,  s u ch   as   s tead y - s tate  d r iv in g   o r   g r a d u al  s p ee d   v ar iatio n s   [ 2 7 ] ,   [ 3 1 ] - [ 3 3 ] .     3 . 1 . 3 .   O ptim iza t io n - ba s ed  E M S   T h e  o p tim izatio n - b ased   E MS  i s   f u r th er   d iv i d ed   in to   o f f lin e   a n d   o n lin e  m eth o d s ,   ea ch   o f f er i n g   d is tin ct   ad v an tag es  d ep e n d in g   o n   th e   ap p licatio n   r eq u ir e m en ts .   Of f lin e  o p tim izatio n   tech n i q u e s ,   s u ch   as  g en etic   alg o r ith m s   [ 3 4 ]   an d   d y n a m ic  p r o g r am m in g   [ 3 5 ] ,   p r o v id e  p r e - co m p u ted   s o lu tio n s   b y   an aly zin g   all  p o s s ib le  s ce n ar io s   b ef o r eh a n d .   T h ese   m eth o d s   ar e  p ar ticu lar ly   e f f ec tiv e  f o r   s y s tem s   with   wel l - d ef in ed   o p er atin g   co n d itio n s ,   as   th ey   m in im ize  c o m p u tatio n al   d em a n d s   d u r in g   o p er atio n .   On   th e  o th er   h an d ,   o n lin e   o p tim izatio n   m eth o d s ,   lik e   m o d el  p r e d ictiv e   co n tr o l   ( MPC ) ,   d y n am ically   g en er ate  r ef er e n ce   cu r r en ts   f o r   th e  B att - SC   s y s tem   in   r ea l - tim e.   B y   co n tin u o u s ly   o p tim izin g   in p u t  v ar iab les  s u ch   as  lo ad   cu r r e n t,  B att - SC   v o ltag e,   an d   DC   b u s   v o ltag e,   MPC   en s u r es  th at  th e   s y s tem   ad ap ts   to   v ar y in g   co n d itio n s   an d   m ain tain s   o p ti m al   p er f o r m a n ce   [ 3 6 ] ,   [ 3 7 ] .   T h is   r ea l - tim e  ad ap tab ili ty   m ak es  o n lin e  o p tim izatio n   p ar ticu lar ly   s u itab le  f o r   a p p lic atio n s   with   h ig h ly   d y n am ic  a n d   u n p r e d ictab le  o p er atin g   en v i r o n m e n ts .     3 . 1 . 4 .   L ea rning - ba s ed   E M S   T h e  lear n in g - b ased   E MS  le v er ag es  ad v an ce s   in   m ac h in e  lear n in g   to   ac h iev e  s u p e r i o r   co n tr o l  p er f o r m an ce   an d   ad ap ta b ilit y .   T h is   ca teg o r y   in cl u d es  r ein f o r ce m en t  lear n in g   ( R L )   alg o r ith m s   [ 3 8 ] ,   d ee p   lear n in g   [ 3 9 ] ,   an d   a r tific ial  n eu r al  n etwo r k   ( ANN)   [ 4 0 ] .   T h e s e  m eth o d s   en ab le  th e  E MS  to   lear n   an d   o p tim iz e   co n tr o l  s tr ateg ies  in d ep en d en t ly ,   allo win g   f o r   p r ec is e  r eg u latio n   o f   B att - SC   cu r r en ts   b ased   o n   r ea l - tim e  tr av e l   s ce n ar io s   an d   s y s tem   d em an d s .   L ea r n in g - b ased   E MS  ap p r o ac h es  e x ce l  in   h an d lin g   co m p lex ,   n o n - lin ea r   s y s tem s   an d   u n p r ed ictab le  o p er atin g   c o n d itio n s ,   o f f e r in g   p o ten tial  f o r   im p r o v ed   e f f i cien cy   an d   s y s tem   lo n g ev ity .   Ho wev er ,   th eir   i m p lem en tatio n   p o s es  s ig n if i ca n t  ch allen g es,  i n clu d in g   t h e  n ee d   f o r   r o b u s t  co m p u tatio n al   r eso u r ce s   a n d   r eliab le,   also   h ig h - q u ality   d atasets   f o r   tr ain i n g .   T h e  lac k   o f   r e ad ily   av ailab le  d ata   an d   th e  in cr ea s ed   co m p lex ity   i n   alg o r ith m   d esig n   an d   v alid atio n   ca n   lim it  th eir   p r ac tical  d e p lo y m en t.  Desp ite   th ese  ch allen g es,  th e  p r o m is e  o f   s u p er io r   ad a p tab ilit y   an d   c o n tr o l  p e r f o r m an ce   m a k es  lear n in g - b ased   E MS  a   co m p ellin g   ar ea   o f   r esear ch   an d   d ev elo p m en t.     3 . 2 .     L o w - lev el  c o ntr o l   L o w - lev el  co n tr o l in   th e  B att - SC   HP S sy s tem   g en er ally   aim s   to   tr ac k   th e  r ef er e n ce   cu r r en t   g en er ated   b y   th e  E MS.   R ef er r in g   to   [ 2 1 ] ,   th e  m ain   o b jectiv es o f   th e   lo w - lev el  co n tr o ller   a r e  s u m m ar ized   as f o llo ws :   −   Acc u r ately   tr ac k in g   th e  tim e - v ar y in g   r ef er en ce   cu r r e n t sig n al   f o r   th e   B att - SC   p o wer   s o u r ce s .   −   Pre cisely   m ain tain in g   a  co n s tan t D C   b u s   v o ltag e  u n d er   l o ad   f lu ctu atio n s .   −   E n s u r in g   th e  s y s tem   r em ain s   asy m p to tically   s tab le  d esp ite  ex ter n al  d is tu r b an ce s   an d   p a r am e ter   v ar iatio n s .   I n   g en er al,   th r ee   ty p es  o f   co n tr o l  s y s tem s   ca n   b e  ap p lied   to   th e  B att - S C   HP S  s y s tem ,   n am ely   class ical   s in g le - in p u t  s in g le - o u tp u t  ( SI SO)   co n tr o l,   o p tim al  c o n tr o l,   an d   r o b u s t  co n tr o l.   T h is   s ec tio n   will  elab o r ate  a n d   d is cu s s   th ese  th r ee   ty p es  o f   lo w - lev el  co n tr o ller s .   T h e  class ical  SISO  co n tr o ller   co n s is ts   o f   a  p r o p o r ti o n al - in teg r al  ( PI )   [ 2 7 ] ,  [ 4 1 ]   an d   h y s ter esis   co n tr o ller   [ 3 6 ] ,   o p tim al  co n tr o l  c o n s is ts   o f   lin ea r   q u ad r atic  co n tr o l  [ 1 8 ] ,  [ 1 9 ] ,   [ 4 2 ] ,   MPC   [ 3 1 ] ,   [ 4 3 ] ,   an d   lin ea r   m atr i x   in eq u ality   ( L M I ) - b ased   o p tim izatio n   c o n tr o ll er   [ 1 4 ] ,   wh ile  r o b u s t   co n tr o l  co n s is ts   o f   H ∞   co n tr o ller   [ 4 4 ] ,   L 2 - g ai n   p ass iv e - b ased   co n tr o l  [ 4 5 ] ,   b ac k - s tep p in g   co n tr o l  [ 4 6 ] ,   an d   s lid in g   m o d e  c o n tr o l  ( SMC )   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] ,   [ 4 7 ] - [ 5 1 ] .     3 . 2 . 1 .   Cla s s ica l SI SO   co ntr o ller   T h e  class ical  SIS O  co n tr o ller   r ep r esen ts   th e  s im p lest   ap p r o ac h   to   co n tr o l  s y s tem   d esig n   an d   im p lem en tatio n .   I ts   s im p licity   lies   in   th e   in d ep e n d en t   d esig n   f o r   ea c h   I /O  in   m u lti - in p u t  m u lti - o u tp u t   ( MI MO )   s y s tem ,   d is r eg ar d in g   th e  in ter ac tio n s   b etwe en   d if f er en t  I /Os .   T h is   d ec o u p led   co n f ig u r atio n ,   as  d ep icted   i n   Fig u r e  4 ,   is   s tr aig h tf o r war d   y e t e f f ec tiv e  f o r   b asic c o n tr o l ta s k s .   Am o n g   th e  SISO  c o n tr o lle r s   ap p licab le  to   th e   B att - S C   HPS,  th e  PI  co n tr o ller   an d   h y s ter esis   co n tr o l  ar e  wi d ely   u tili ze d   d u e   to   th eir   ea s e  o f   im p lem en tatio n   an d   r eliab le  p e r f o r m an ce .   T h e   PI   c o n tr o l le r   is   a   li n e ar   c o n tr o l   m et h o d   w id el y   u s e d   t o   ac c u r at el y   t r a ck   th e   r e f e r e n c e   cu r r e n ts   o f   B att - SC   HPS  s y s t em .   I ts   i m p le m e n ta ti o n   is   o f te n   co m b i n e d   w ith   n o n li n e a r   c o n t r o lle r s   t o   r eg u late   DC   b u s   v o l ta g e   an d   g e n e r a te   r e f e r e n c e   l o a d   c u r r en ts   [ 2 7 ] .   T h is   h y b r id   ap p r o a ch   e n h an ce s   DC   b u s   v o lta g e  r eg u l ati o n ,   r e d u c es   d e p e n d e n c y   o n   s y s te m   p ar am ete r s ,   an d   s i m p li f i es   c o n tr o l le r   t u n in g .   Fo r   ex am p l e,   in   t h e   s t u d y   [ 4 1 ] ,   a   P I   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d el  a n d   co n tr o l str a teg ies o f b a tter y - s u p erca p a c ito r   h yb r id   p o w er   …   ( A d n a n   R a fi A l Ta h ta w i )   701   co n t r o ll er   w as   e m p l o y e d   t o   t r a ck   B a tt - SC   c u r r en t   r ef er e n ce s   g e n e r a te d   v ia   f u z zy   s u p e r v is o r y   c o n t r o l.   W h il e   t h e   PI  c o n t r o lle r   d em o n s t r at ed   t h e  ab i lit y   t o   tr ac k   r e f e r e n ce   cu r r e n ts   i n   b o t h   s i m u la ti o n s   a n d   e x p er i m e n ts ,   t h e  r es u lts   wer e  n o t e n ti r el y   s atis f a ct o r y .   T h e  l im i tat io n s   o f   th e  P I   co n t r o l m e th o d   in cl u d e  its   r e lia n c e  o n   p r ec is e  t u n i n g   o f   th e   Kp   a n d   K i   c o n s ta n ts   an d   i ts   i n ab ilit y   t o   ac c o u n t   f o r   t h e   d y n am ic   i n t er ac t io n s   b e twe en   en er g y   s o u r c es   i n   a   MI M O  s y s te m .   Fu r t h e r m o r e,   i t  d o es   n o t   g u ar an tee   s ta b i lit y   o r   r o b u s t n ess   u n d er   d is t u r b an c es.  I n   s y s te m s   w it h   in h e r e n t ly   c o u p l e d   d y n a m i cs,   PI  c o n t r o l  t r e ats  th e  f u ll y   a c tiv e  t o p o lo g y   as   tw o   i n d e p e n d e n t  S I SO   s y s te m s ,   p o te n ti all y   d e g r ad i n g   t h e   c lo s ed - l o o p   d y n am i c  p er f o r m a n ce .   D es p it e  i ts   s i m p li cit y   a n d   e a s e  o f   d esi g n ,   t h es e   d r aw b a ck s   l im i t i ts   ef f e cti v en e s s   f o r   co m p le x   h y b r i d   p o we r   s y s te m s .   I n   h y s ter esis   co n tr o l,  th e  c u r r en t  o s cillates  with in   a  d ef in e d   h y s ter esis   b an d   ar o u n d   t h e   r ef er en ce   cu r r en t   ( I r e f ) .   Sp ec if ically ,   th e   cu r r e n t f l u ctu ates b etwe en   an   u p p er   lim it ( I r ef   +  u p p er   b o u n d   an d   a   lo wer   lim it  ( I r ef   −  lo wer   b o u n d ) ,   m ain tai n in g   clo s e  p r o x im ity   to   t h e  d esire d   r ef er en ce .   T h is   co n tr o l   m eth o d   h as  b ee n   ap p lied   in   r esear ch   [ 3 6 ]   to   r eg u late  th e  HPS  r ef er e n ce   c u r r en t  d er iv ed   f r o m   an   MPC   s tr ateg y .   Alth o u g h   s im u latio n s   an d   ex p er im en ts   h av e  d em o n s tr ated   th e  ca p a b ilit y   o f   h y s ter esis   co n tr o l  to   ef f ec t iv ely   tr ac k   ch an g es  in   lo ad   cu r r en t,   th e   r esu ltin g   tr ac k in g   r esp o n s e   ten d s   to   lack   s m o o th n ess ,   wh ic h   m a y   af f ec t   s y s tem   p er f o r m a n ce   in   ap p licatio n s   r eq u ir in g   h ig h   p r ec is io n .     3 . 2 . 2 .   O ptim a l c o ntr o l   Op t im al   c o n t r o l   is   a   m o d er n   c o n tr o l   s tr ate g y   w ell - s u ite d   f o r   MI M O  s y s t em s ,   o f f e r i n g   a   s o p h is ti ca t e d   ap p r o ac h   to   m an a g i n g   t h e  d y n am i c  i n t er ac t i o n s   b etw ee n   m u lti p le   s u b s y s te m s .   I n   t h e  c o n te x t  o f   B a tt - SC   HPS   s y s te m s ,   tw o   p r o m i n e n t   o p ti m al   c o n t r o lle r s   a r e   wi d e l y   ap p l ie d :   l in ea r   q u ad r ati c   c o n tr o l   a n d   MPC .   A d d iti o n a ll y ,   s tate - f e ed b a c k   c o n t r o l   d esi g n e d   u s i n g   a   L MI - b as ed   o p ti m i za t io n   a p p r o ac h   h as   a ls o   b ee n   e x p lo r e d .   As   il lu s tr ate d   in   Fi g u r e   5 ,   t h e   o p ti m al   c o n t r o lle r s   i n v o l v e   d er i v i n g   s t ate - f ee d b ac k   g ai n   th r o u g h   a n   o p ti m i z ati o n   p r o ce s s .   T h is   p r o ce s s   m i n i m i ze s   a   p r ed ef in e d   p er f o r m a n c e  in d ex   f u n cti o n   ,   t y p ic all y   e x p r ess e d   as s h o w n   in   ( 2 0 ) :     ( , ) = ∫ ( ∗  + ∗  + 2 ∗  ) ∞ 0    ( 2 0 )     wh er e    is   a  s tate  v ar iab le ,    is   t h e  co n tr o l sig n al,   ,  ,   an d     ar e  c o n s tan t p o s itiv e  d ef in ite  m atr ices.   L in ea r   q u ad r atic  co n tr o ller ,   o r   k n o wn   as  L QR /LQ I ,   is   an   o p tim al  co n tr o l  tech n iq u e  d esig n e d   f o r   lin ea r   s y s tem s .   T h e  p r im ar y   o b jectiv e  o f   L QR /LQ I   i s   to   m in im ize  a   co s t  f u n ctio n   th at  b alan ce s   tw o   co m p etin g   g o als:   r ed u cin g   s y s tem   er r o r   an d   m i n im izin g   co n tr o l  e f f o r t.  T h is   d u al  f o cu s   m a k es  it  a  p o p u lar   c h o ice  f o r   m an a g in g   tr ad e - o f f s   b etwe en   p e r f o r m a n ce   an d   ef f icien cy   wh ile  en s u r in g   s y s tem   s tab ilit y   f o r   l in ea r   ap p licatio n s .   L QR /LQ I   h as b ee n   wid ely   ap p lied   in   t h e  co n tex t o f   B att - SC   HPS s y s tem s .   Fo r   in s tan ce ,   r e s ea r ch   [ 1 8 ]   u tili ze d   L QI   as  a  lo w - lev el  co n tr o ller   f o r   a  B att - SC   s y s tem   u n d er   r esis tiv e  lo ad in g   co n d itio n s .   T h e  lin ea r ized   m o d el  o f   th e  DC - DC   co n v er ter   s er v ed   as  th e  b asis   f o r   d e r iv in g   s tate  f ee d b ac k   g ain s .   T o   e n h an ce   s et - p o in t  tr ac k in g ,   an   in teg r ato r   was  in co r p o r ate d   in to   th e  er r o r   s ec tio n .   T h e  s tu d y   d em o n s tr ated   th at  L QI   co u ld   ac h iev e  g o o d   p er f o r m an ce   with   m in im al  c o n tr o l  ef f o r t  b y   a p p r o p r iately   weig h tin g   th e   R   m atr ix   in   th e  co s t  f u n ctio n .   I n   an o th er   a p p licatio n ,   a  r u le - b a s ed   L QR   was  p r o p o s ed   to   m a n ag e  p o wer   f lo w  wi th in   th e  H PS   [ 1 9 ] ,   [ 4 2 ] .   T h is   ap p r o ac h   aim e d   to   r ed u ce   b atter y   s tr ess   d u r i n g   h ig h - d em an d   ev en ts   b y   lim itin g   b atter y   c u r r en t to   a  p r ed ef i n ed   m ax im u m   v alu e  ac r o s s   d if f er en t  d r iv in g   cy cles.  T h e  im p lem en tatio n   o f   L QR   n o t  o n ly   im p r o v e d   b atter y   lif e   an d   s tab ilit y   o f   en er g y   s to r a g e  d ev ices  b u t   also   en a b led   b a tter y   d o wn s izin g ,   co n tr ib u tin g   to   o v er all  s y s tem   ef f icien cy .   Ho wev e r ,   th e  L QR   m eth o d   h as  lim itatio n s ,   p ar ticu lar ly   in   its   ass u m p tio n   o f   lin e ar   s y s tem   b eh av io r .   B y   n eg lectin g   th e  n o n lin ea r   ch ar ac ter is tics   in h er en t  in   B att - SC   H PS   s y s t em s ,   th e  ap p r o ac h   ca n n o t  g u ar an te e   s tab ilit y   u n d er   all  o p e r atin g   c o n d itio n s .   T h is   lim itatio n   u n d er s co r es  th e  n ee d   f o r   a d v an ce d   co n t r o l  s tr ateg ies   ca p ab le  o f   a d d r ess in g   s y s tem   n o n lin ea r ity   w h ile  m ain tain in g   r o b u s t p er f o r m an ce .   Mo d el  p r ed ictiv e  c o n tr o l  ( MP C )   is   am o n g   th e   m o s t  wid el y   u s ed   o p tim al  co n tr o l  s tr ateg ie s   f o r   HPS,  p ar ticu lar ly   in   a p p licatio n s   in v o lv in g   B att - SC   s y s tem s .   MPC   o p er ates  b y   p r ed ictin g   f u tu r e   p o wer   r e q u ir em e n ts   b ased   o n   cu r r e n t  s y s tem   co n d itio n s   an d   d esig n in g   c o n tr o l   s tr ateg ies  to   o p tim ize  en er g y   u s e.   T h is   in clu d es   m in im izin g   en er g y   co s ts   o r   lo s s es,  ex ten d in g   b atter y   life tim e,   an d   en s u r in g   s y s tem   s tab ilit y ,   wh ile  ac co u n tin g   f o r   th e  p h y s ical  lim itatio n s   o f   t h e  B att - SC   s y s tem .   MPC   is   p r i m ar ily   u tili ze d   as  a  h ig h - l ev el  co n tr o l  m ec h an is m   to   g en er ate  r ef e r en ce   cu r r en ts   f o r   th e  HPS.  Fo r   in s tan ce ,   s tu d ies   [ 3 6 ] ,   [ 5 2 ] - [ 5 5 ]   d em o n s tr ate  its   ef f ec tiv en ess   in   th is   r o le.   T h ese  s tu d ies  h ig h lig h t  MPC ' s   ab il ity   to   h an d le  d y n am ic  o p er atin g   co n d itio n s   an d   o p tim ize  th e   p o wer   d is tr ib u tio n   b etwe en   b a tter y   an d   s u p er ca p ac ito r ,   im p r o v in g   o v er all  s y s tem   p er f o r m a n ce .   An   alter n ativ e  ap p licati o n   o f   MPC   is   its   u s e  as  a  lo w - lev el  co n tr o ller .   R esear ch   [ 3 1 ]   im p lem en ted   MPC   to   co n tr o l  B att - SC   cu r r en ts   g en e r ated   f r o m   a  f il ter in g - b ased   E MS.   I n   th is   ca s e,   en u m er atio n - b ased   MPC   was  em p lo y ed   to   d eter m in e  th e   o p tim al  s witch in g   s eq u en ce s   ac r o s s   a  p r e d i ctiv e  h o r izo n ,   e n ab lin g   p r ec i s e  cu r r en t  tr ac k in g .   Similar ly ,   s tu d y  [ 4 3 ]   u tili ze d   MPC   at  th e  en er g y   m an ag em e n t  lev el  to   o p tim ize  p o wer   f lo w  with in   th e   h y b r id   en er g y   s to r a g e  s y s tem   r ath er   t h an   f o c u s in g   o n   p o wer   elec tr o n ics  co n tr o l.  T h is   ap p r o ac h   d e m o n s tr ates  MPC 's   v er s atility   in   ad d r ess in g   b o t h   h ig h - lev el  en e r g y   m a n ag em e n t  an d   lo w - lev el  p o wer   co n tr o l  ch allen g es.  Ho wev er ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   6 9 5 - 7 0 9   702   a  n o tab le   lim itatio n   o f   MPC   is   its   h ig h   co m p u tatio n al   d e m an d .   R ea l - tim e  o p tim izatio n   r eq u i r es  s ig n if ican t   p r o ce s s in g   p o wer ,   m ak in g   im p lem en tatio n   ch allen g in g   i n   s y s tem s   with   lim ited   co m p u tatio n al  r eso u r ce s .             Fig u r e  4 .   C lass ical  SISO  co n tr o ller   f o r     B att - S C   HPS  s y s tem     Fig u r e  5 .   Op tim al  c o n tr o ller   f o r     B att - S C   HPS  s y s tem       An   L MI - b ased   o p tim izatio n   s t ate - f ee d b ac k   co n tr o ller   r e p r esen ts   a  s o p h is ticated   ap p r o ac h   to   co n tr o l   s y s tem   d esig n ,   p ar ticu lar ly   f o r   co m p lex   s y s tem s   lik e  B att - SC   HP S.  T h is   m eth o d   lev er a g es  a  s et  o f   L MI s   to   f o r m u late  co n tr o l  p r o b lem s   as  co n s tr ain ed   o p tim izatio n   task s ,   en ab lin g   th e   s y s tem atic  d esig n   o f   co n tr o ller s   th at  m ee t  s p ec if ied   p er f o r m an ce   an d   s tab ilit y   cr iter ia.   L MI s   p r o v id e  a   p o wer f u l  m ath em atica l  f r am ewo r k   to   a d d r ess   m u ltip le  o b jectiv es  s im u ltan eo u s ly ,   in clu d in g   s tab ilit y ,   p er f o r m an ce ,   a n d   r o b u s tn ess   a g ain s t  d is tu r b an ce s   an d   u n ce r tain ties .   T h e  c o r e  p r in ci p le  o f   t h is   ap p r o ac h   lies   in   ex p r ess in g   co n s tr ain ts   an d   p er f o r m an ce   m ea s u r es  as   L MI s ,   wh ich   ar e  t h en   s o l v ed   u s in g   ef f icien t   co n v ex   o p tim izat io n   alg o r ith m s .   T h is   r esu lts   in   a  co n tr o ller   ca p ab le  o f   h an d li n g   b o th   lin ea r   a n d   ce r tain   n o n lin ea r   s y s tem   d y n am ic s .   Mo r eo v er ,   it  allo ws  f o r   t h e  in clu s io n   o f   p r ac tical   co n s id er atio n s   s u ch   as  co n tr o l   s ig n al  s atu r atio n   an d   s tate  co n s tr ain ts .   A  n o tab le  ap p licatio n   o f   th e  L MI - b ased   s tate - f ee d b ac k   co n tr o ller   is   d em o n s tr ate d   in   th e  r esear ch   [ 1 4 ] .   I n   t h eir   s tu d y ,   th e  co n tr o ller   is   d esig n ed   to   ac h iev e  r o b u s t  tr ac k in g   an d   e n s u r e  s m o o th   tr a n s itio n s   in   th e  B att - SC   HPS.  T h e  m eth o d o l o g y   is   r o o ted   in   th e   L y ap u n o v   f u n ctio n   a n d   s et  in v ar ian ce   th eo r ies,  p r o v id in g   a  r ig o r o u s   f o u n d atio n   f o r   ad d r ess in g   s y s tem   s tab ilit y   an d   in p u t  c o n s tr ain ts .   T h e   s tu d y   in tr o d u ce s   a  n ew   s tate - s p ac e  m o d el   f o r   th e   f u lly   ac tiv e  t o p o lo g y   o f   B att - SC   s y s tem s ,   as  s h o wn   in   ( 2 1 ) .   T h is   m o d el  s er v es  as  th e  b asis   f o r   d esig n i n g   th e   s tate - f ee d b ac k   co n tr o ller ,   wh e r e   th e  L MI   ap p r o ac h   is   em p lo y e d   to   o p tim ize  p er f o r m an ce   wh ile  co n s id er in g   c o n tr o l sig n al  s atu r atio n :     ̇ ( ) = ( 0 + 1 1 + 2 2 ) ( ) +   ( 2 1 )     w h er e  0 ,  1 ,  2 ,   an d     a r e   c o n s ta n t   m atr ices   f r o m   s y s t em   p a r a m e te r s ,   1   a n d   2   a r e  B a tt - SC   d u t y   cy cl e s   f o r   a  b i d ir ec ti o n al  DC - DC   c o n v e r te r ,   a n d     is   t h e  B a tt - SC   v o l t ag e  v e ct o r .   T h is   m o d el  s er v e s   as  t h e  b asis   f o r   d esi g n i n g   t h e   s t ate - f e ed b ac k   c o n tr o l le r ,   wh er e   t h e   L M I   a p p r o a ch   is   e m p lo y ed   to   o p ti m i ze   p e r f o r m a n c e   w h ile   co n s i d e r i n g   co n t r o l  s ig n al  s at u r at io n .   H o w ev e r ,   th is   m et h o d   h as  o n ly   b ee n   test ed   at   c o n s ta n t   lo a d   c u r r e n ts ,   s o   its   p e r f o r m a n c e  n e ed s   t o   b e  v ali d ate d   f o r   t im e - v a r y i n g   cu r r e n ts .     4 . 2 . 3 .   Ro bu s t   co ntr o l   R o b u s t  co n tr o l   is   a  co n t r o l  m et h o d o lo g y   d esig n ed   to   m ai n tain   s y s tem   p er f o r m an ce   an d   s tab ilit y   in   th e   p r esen ce   o f   d is tu r b an ce s ,   p ar a m eter   u n ce r tai n ties ,   an d   m o d e lin g   er r o r s .   T h is   ap p r o ac h   en s u r es r eliab ilit y   ev en   wh en   o p er atin g   co n d itio n s   d e v iate  f r o m   n o m in al  v alu es.  R o b u s t  co n tr o l  ca n   b e   im p lem en ted   b y   ex p licitly   in co r p o r atin g   th e  s y s tem   s en s itiv ity   f u n ctio n   in to   th e  co n tr o ller   d esig n .   Fo r   ex am p le,   th e  H ∞   co n tr o lle r   m in im izes  th e  wo r s t - ca s e  g ain   f r o m   d is tu r b an ce   i n p u ts   to   s y s tem   o u tp u ts ,   th er eb y   im p r o v in g   d is tu r b an ce   r ejec tio n .   Similar ly ,   th e  L 2 - g ain   p ass iv ity - b ased   co n tr o l  lev er ag es  p ass iv ity   p r o p er ties   to   en s u r e  s y s tem   s tab ilit y   an d   r o b u s tn ess   ag ain s t  ex ter n al  d is tu r b an ce s .   I n   ad d itio n   to   th ese  s en s i tiv ity - b ased   ap p r o ac h es,  ce r tain   n o n lin ea r   co n tr o ller s   ex h ib it  i n h er en t   r o b u s tn ess   d esp ite  n o t  ex p licitly   u tili zin g   th e   s en s itiv ity   f u n ctio n .   Fo r   in s tan ce ,   b ac k - s tep p i n g   co n tr o l  s y s tem atica lly   d esig n s   a  L y ap u n o v   f u n ctio n   t o   ac h i ev e   s tab ilit y   an d   r o b u s tn ess   f o r   n o n lin ea r   s y s tem s .   T h e  d esig n   m eth o d o lo g y   in v o lv e s   d ec o m p o s in g   th e  o v er all  s y s tem   in to   s im p ler   s u b s y s tem s .   E ac h   s u b s y s tem   is   s eq u en tially   co n tr o lled ,   with   th e  s tab ilit y   o f   e ac h   s tag e  co n tr ib u tin g   to   th e   o v er all  s y s tem   s tab ilit y .   T h is   s tep - by - s tep   a p p r o ac h   m a k es  b a ck - s tep p in g   c o n tr o l  h ig h ly   ef f e ctiv e  f o r   m a n ag in g   n o n lin ea r ity   a n d   ad d r ess in g   m o d el  u n ce r tain ties .   Sli d in g   m o d e  co n t r o l  ( SMC ) ,   an o th e r   r o b u s t  n o n lin ea r   tech n iq u e,   e n f o r ce s   s y s tem   d y n am ics  alo n g   a  s lid in g   s u r f ac e,   m ak in g   it  h i g h ly   ef f ec tiv e  ag ain s t  m atch ed   u n ce r tain ties   an d   d is tu r b a n ce s .   T h ese  r o b u s t  c o n tr o l   s tr ateg ies  ar e  p ar ticu lar l y   ad v an tag e o u s   f o r   ap p licatio n s   s u ch   as  B att - S C   H PS ,   wh er e  d is tu r b an ce s   an d   u n ce r tai n ties   ar e  co m m o n   d u e  to   f lu ct u atin g   lo ad   d em an d s   an d   v ar y in g   en v ir o n m e n tal  co n d iti o n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d el  a n d   co n tr o l str a teg ies o f b a tter y - s u p erca p a c ito r   h yb r id   p o w er   …   ( A d n a n   R a fi A l Ta h ta w i )   703   I n   th e  co n tex t  o f   B att - SC   h y b r id   p o wer   s y s tem s ,   r esear ch   co n d u cte d   b y   [ 4 4 ]   d e v elo p ed   an   H ∞   co n tr o ller   to   r eg u late  B att - SC   cu r r en ts   u s in g   a  s im p lifie d   s e co n d - o r d er   m o d el.   T h e  s tu d y   in v o lv ed   d esig n in g   two   H ∞   co n tr o ller s :  o n e  f o r   m o to r in g   an d   a n o th e r   f o r   r eg en er atin g   s u p e r ca p ac ito r   c u r r en ts ,   b ased   o n   t h e   r ef er en ce   cu r r en ts   g en er ated   b y   a  b asic  E MS.   E x p er im en tal  r esu lts   d em o n s tr ated   th at   th e  H ∞   co n tr o ller   ac h iev ed   m o r e  r o b u s t  tr ac k in g   p er f o r m a n ce   co m p a r ed   to   tr ad itio n al  PID   co n tr o ller s ,   h ig h lig h tin g   its   ca p ab ilit y   to   m an ag e  u n ce r tain ties   an d   d is tu r b an ce s   in   th e  s y s tem .   Ho wev er ,   th e  l im itatio n   o f   th is   ap p r o ac h   lies   in   it s   ap p licatio n   to   SISO  m o d els,  r estrictin g   its   ab ilit y   to   a d d r e s s   th e  in ter ac tio n s   an d   co m p lex ities   o f   MI MO   s y s tem s   ty p ically   f o u n d   in   f u ll y   ac tiv e  B att - SC   co n f ig u r atio n s .   R esear ch   [ 4 5 ]   ap p lied   a  p ass iv ity - b ased   co n tr o ller   to   a  f u ll y   ac tiv e  B att - SC   HPS  d es ig n ed   f o r   elec tr ic  v eh icles.  T h e  s tu d y   d em o n s tr a ted   th at  th is   co n tr o ller   ef f ec tiv ely   en s u r es  th e  asy m p to tic  co n v er g en ce   o f   s y s tem   s tates  an d   r o b u s t  tr ac k in g   o f   r ef er en ce   cu r r en ts   with in   th e  H PS   f r am ewo r k .   T h e  c o n tr o ller ’ s   ab ilit y   to   h an d le   d is tu r b an ce s   an d   m ain tain   s tab ilit y   u n d e r   v a r y in g   co n d itio n s   was  a  k ey   h ig h lig h t  o f   th e   r esear ch   f i n d in g s .   Ho wev er ,   d esp ite  its   ad v a n tag es,  th e  p ass iv ity - b ased   L 2 - g ai n   co n tr o ller   f ac es  ch allen g es  in   a p p licatio n   to   h ig h ly   co m p lex   o r   n o n lin ea r   s y s tem s .   I d en tif y in g   p ass iv e  ele m en ts   in   s u c h   s y s tem s   ca n   b e  d if f icu lt,  a n d   th e   co m p u tatio n al  c o m p lex ity   o f   t h e  d esig n   p r o ce s s   m ay   in cr ea s e  with   s y s tem   in tr icac y .   T h ese  lim itatio n s   h ig h lig h t  th e  n ee d   f o r   f u r th e r   r es ea r ch   to   s im p lify   im p lem en tatio n   an d   ex p an d   its   ap p licab ilit y   to   b r o a d er   s y s tem   co n f ig u r atio n s .   R esear ch   [ 4 6 ]   d em o n s tr ates  th e  p r ac tical  u tili ty   o f   b ac k - s tep p in g   co n tr o l  in   th e  co n tex t  o f   B att - SC   HPS.  I n   th is   s tu d y ,   a  ca s ca d e  PI  co n tr o ller   is   co m b in ed   with   b ac k - s tep p in g   co n tr o l  t o   en h an ce   s y s tem   p er f o r m an ce .   T h e  PI  co n tr o lle r   r eg u lates th e  DC   b u s   v o ltag e ,   wh ile  b ack - s tep p in g   co n t r o l t r ac k s   th e  r ef er e n ce   cu r r en t   g en e r ated   b y   th e   PI  co n tr o ller .   Simu latio n   a n d   ex p e r im en tal  r esu lts   v alid ate   th e  p r o p o s ed   co n tr o ller ' s   r o b u s tn ess   ag ain s t  tr an s ien ts   a n d   its   ef f ec tiv en ess   in   m ain tain in g   th e  DC   b u s   v o ltag e  with in   d esire d   p a r am eter s .   Desp ite  its   ad v an tag es,  b ac k - s tep p in g   co n tr o l' s   d esig n   co m p lex ity   an d   r elian ce   o n   p r e cise  s y s tem   m o d els  r em ain   s ig n if ican t   ch allen g es.   T h ese  lim itatio n s   u n d er s co r e   th e  n ee d   f o r   f u r th e r   r esear ch   to   s tr ea m lin e  th e   d esig n   p r o c ess   an d   en h a n ce   its   ad a p tab ilit y   to   d y n am ic  a n d   u n ce r tain   en v i r o n m e n ts .   L astl y ,   SMC   i s   wid ely   r ec o g n ized   as  o n e  o f   t h e  m o s t  r o b u s t  n o n lin ea r   c o n tr o l  s tr ateg ies,  p ar ticu lar ly   s u ited   f o r   s y s tem s   ex p er ien c in g   u n ce r tain ties   an d   d is tu r b an ce s .   I ts   r o b u s tn ess ,   s tab ilit y ,   an d   d is tu r b an ce   r ejec tio n   ca p a b ilit ies  m ak e  S MC  an   ex ce llen t   ch o ice   f o r   m an ag in g   B att - SC   HPS.  T h e  p r i m ar y   m ec h an is m   o f   SMC   in v o lv es  d r iv i n g   th e  s y s tem   s tates  to war d   a  p r ed ef i n ed   s lid in g   s u r f ac e   an d   en s u r i n g   th at   th e   s y s tem   r em ain s   o n   th is   s u r f ac e  r e g ar d less   o f   ex ter n al  d is tu r b a n ce s   o r   s y s tem   p ar am eter   v ar iatio n s .   SMC   ac h iev es   r o b u s t  tr ac k in g   b y   lev e r ag in g   v ar io u s   ty p es  o f   s lid in g   s u r f ac es,  wh ich   d ictate  th e  s y s tem ’ s   d y n am ic  b e h av io r   o n ce   it  r ea ch es  th e   s lid in g   s u r f ac e.   T h ese  ty p es  o f   s lid in g   s u r f ac es  ( i.e .   in teg r al  an d   ter m in al  s lid in g   s u r f ac es)   f u lf ill th e  f o llo win g   ( 2 2 )   an d   ( 2 3 ) ,   r esp ec tiv el y .     ( ) = + ∫ ( ) 0    ( 2 2 )     ( ) = + ( ∫ ( ) 0  ) /   ( 2 3 )     W h er e  ( ) is   th e  tr ac k in g   er r o r ,   ,  ,   an d     ar e  co n tr o ller   co n s tan ts .   E ac h   ty p e   o f   s lid in g   s u r f ac e   c an   b e   u s ed   ac co r d in g   to   th e  c h ar ac ter is tics   o f   th e  d y n am ic  m o d el  an d   th e  co n tr o l  o b jectiv es.   T h e  ad ap tiv e  ter m in al   SMC   is   d esig n ed   to   ac h iev e   r o b u s t  tr ac k in g   p er f o r m an ce   o f   HPS  cu r r en ts   wh ile   m ain tain in g   a  s tab le  DC   b u s   v o ltag e,   ev en   in   th e  p r esen ce   o f   u n ce r tain ties   an d   d is tu r b an ce s .   R esear ch   [ 1 5 ]   p r o p o s ed   an   ad a p tiv e  ter m in al  SMC   th at  in co r p o r ates  a   p r o jectio n   o p e r ato r   ad ap tiv e   law  to   d y n am ically   esti m ate  an d   b o u n d   u n k n o w n   p ar am eter s   in   th e  HPS  m o d el.   T h is   ad ap tiv e  m ec h a n i s m   en s u r es  r eliab le   p er f o r m an ce   u n d er   p ar am eter   u n ce r tain ties   an d   en h an ce s   t h e  s y s tem ' s   r o b u s tn ess .   B u ild in g   u p o n   th is   ap p r o ac h ,   s tu d y   [ 1 6 ]   ap p lied   ad ap tiv e  ter m in al  SMC   to   a  u n if ied   m ath em atica l  m o d el  o f   a  h y b r id   elec tr ic  v eh icle  ( HE V) .   T h e  co n tr o ller   n o t  o n ly   m an a g ed   HPS  cu r r en t  an d   DC   b u s   v o ltag e  b u t  also   d em o n s tr ated   th e  ca p ab ilit y   to   ac cu r ately   tr ac k   v eh icle  s p ee d   in   ac co r d an ce   with   th e   E u r o p ea n   e x tr a - u r b an   d r iv in g   cy cle  ( E UDC)  p r o f ile.   T h ese  s tu d ies  h ig h lig h t  th e  v er s atility   an d   ef f ec tiv en ess   o f   ad ap tiv e  ter m in al  SMC   in   ad d r ess in g   b o th   en er g y   m an ag em en t a n d   v eh icu lar   d y n am ics,  en s u r in g   r eliab le  an d   r o b u s t c o n t r o l in   c o m p lex   s y s t em s .     T o   ac h ie v e  s etp o in t   tr ac k in g   a n d   DC   b u s   v o ltag e  r e g u latio n   in   B att - SC   HPS,  r esear ch   [ 5 0 ]   p r o p o s ed   a  SMC   co m b in ed   with   a  L y ap u n o v   f u n ctio n - b ased   a p p r o a ch .   T h is   co n f ig u r atio n   e n s u r e s   r o b u s t  tr ac k in g   o f   v ar io u s   v ar iab les  ac r o s s   a   wid e  r an g e   o f   HPS  p ar am ete r s .   B u ild in g   o n   ad v a n ce d   SMC   tec h n iq u es,  s tu d y   [ 4 7 ]   in tr o d u ce d   an   a d ap tiv e  SMC   with   a  d is tu r b an ce   o b s er v e r   s p ec if ically   f o r   elec tr ic  v eh icle   ap p licatio n s .   T h is   m eth o d   ef f ec tiv ely   esti m ates  m is m atch ed   an d   m atch e d   u n c er tain ties ,   av o id s   d if f er en tial  e x p lo s io n   is s u es,  an d   en s u r es  s em i - g lo b ally   u n if o r m   b o u n d ed n ess   o f   clo s ed - lo o p   s ig n als.  E x p er im e n tal  v alid atio n s   co n f ir m ed   its   f ast  r esp o n s e,   r ed u ce d   er r o r ,   an d   r o b u s t stab ilit y   u n d er   h y b r id   d r iv in g   co n d itio n s .   I n   ad d itio n ,   a n   in teg r al  b ac k - s tep p in g   SMC   ( I B SM C )   was  d esig n ed   to   ac cu r ately   tr ac k   th e  E UDC   s p ee d   p r o f ile,   B att - SC   cu r r en ts ,   an d   m ain tain   DC   b u s   v o ltag e  f o r   a  u n if ied   h y b r id   elec tr ic  v eh icle  m o d el  [ 4 8 ] .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   6 9 5 - 7 0 9   704   Me an wh ile,   a  s u p er - twis tin g   SMC   ( STSM C )   f o r   B att - SC   HPS  was  d ev elo p ed ,   wh ich   en s u r es  g lo b al  s tab ilit y   u s in g   L y ap u n o v   c r iter ia  [ 5 1 ] .   T h is   co n tr o ller   d em o n s tr ated   s u p er io r ity   o v er   co n v en tio n a l  SMC   an d   in teg r al  SMC   in   v ar io u s   p er f o r m a n ce   asp ec ts .   L astl y ,   a d v an ce d   S MC  tech n iq u es  in cl u d in g   I B SMC ,   s u p er - twis tin g   ad ap tiv e  SMC   ( STASM C ) ,   an d   r ea l - twis tin g   ad ap tiv e  SMC   ( R T ASMC)  wer e   co m p ar ed   b y   [ 4 9 ] ,   h ig h lig h tin g   th eir   r elativ e  ef f ec tiv en ess   an d   p er f o r m a n ce   in   h y b r id   elec tr ic  v eh icle  s y s tem s .   T h ese  ad v an ce m en ts   em p h asize  th e  p o ten tial  o f   SMC   m eth o d o lo g ies  to   en h a n ce   r o b u s tn ess ,   s tab ilit y ,   an d   tr ac k i n g   ac c u r ac y   in   HPS  s y s tem s   u n d er   d y n a m ic  an d   u n ce r ta in   co n d itio n s .     3 . 2 . 4 .   L o w - lev el  co ntr o l per f o rm a nce  co m pa riso n   R o b u s t  tr ac k in g   co n tr o l  is   o n e   o f   th e   m o s t  wid ely   ad o p ted   o b j ec tiv es  in   lo w - lev el   co n tr o l,  p a r ticu lar ly   f o r   B att - SC   HPS  in   elec tr ic  v eh icles.  Oth er   lo w - lev el   co n t r o l  o b jectiv es,  s u c h   as  DC   b u s   v o ltag e   r eg u latio n ,   h an d lin g   p ar am eter   u n ce r tain ti es,  an d   en s u r in g   s y s tem   s tab ilit y ,   ar e  also   co m m o n   f o ca l  p o in ts   in   th is   r esear ch .   T ab le  1   p r esen ts   a  co m p ar is o n   o f   th e   ad v a n tag es  an d   lim it atio n s   o f   v ar i o u s   co n tr o ller s   u s ed   f o r   l o w - lev el   co n tr o l.  B ased   o n   th is   co m p a r is o n ,   SMC   em er g es  as  th e  m o s t  r o b u s t  an d   p o wer f u l  co n tr o l   m eth o d   d u e  to   its   in h er en t r o b u s tn ess ,   co m p atib ilit y   with   n o n lin ea r   s y s tem s ,   an d   ab ilit y   to   g u ar an tee  s y s tem   s tab ilit y .   Ho wev er ,   SMC   d o es  h av e  s o m e  lim ita tio n s ,   s u ch   as  th e  ch atter in g   p h en o m e n o n   an d   th e  r eq u i r em en t  f o r   p r ec is e  d eter m in atio n   o f   co n tr o l  p ar a m eter s .   Desp ite  th ese  ch allen g es,  n u m er o u s   ad v an ce d   SMC   d esig n s   h av e  b ee n   p r o p o s ed   to   ad d r ess   th ese  lim itatio n s ,   f u r th er   en h a n cin g   th ei r   ap p licab ilit y   an d   ef f ec tiv e n e s s   in   HPS  s y s tem s .       T ab le  1 .   Per f o r m an ce   co m p a r is o n   o f   B att - SC   lo w - lev el  co n tr o l stra teg y   f o r   elec tr ic  v eh icle s   Lo w - l e v e l   c o n t r o l   t y p e s   C o n t r o l   st r a t e g i e s   A d v a n t a g e s   Li mi t a t i o n s   R e f e r e n c e s   C l a s si c a l   S I S O   c o n t r o l   P I   c o n t r o l l e r   Ea sy   d e si g n   a n d   i mp l e m e n t a t i o n ,   a c c u r a t e   t r a c k i n g   O n l y   f o r   t h e   S I S O   mo d e l ,   i g n o r e   t h e   i n t e r a c t i o n   b e t w e e n   B a t t - S C   a n d   c o n v e r t e r   [ 2 7 ] ,   [ 4 1 ]   H y st e r e si s   c o n t r o l   S i mp l e   d e si g n ,   c o n t r o l   si g n a l   g e n e r a t e d   a s PW M   Tr a c k i n g   i s   n o t   sm o o t h ,   v e r y   n o i sy   d u e   t o   sw i t c h i n g   b e h a v i o r   [ 3 6 ]   O p t i mal   c o n t r o l   Li n e a r   q u a d r a t i c   c o n t r o l   R e s u l t i n g   i n   o p t i ma l   c o n t r o l ,   c a n   mi n i mi z e   t h e   c o n t r o l   si g n a l   N o t   s u i t a b l e   f o r   n o n l i n e a r   mo d e l   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] ,   [ 2 1 ] ,   [ 4 2 ]   M o d e l   p r e d i c t i v e   c o n t r o l   G o o d   p e r f o r ma n c e ,   i n v o l v i n g   sy st e m  c o n st r a i n t     H i g h   c o m p u t a t i o n a l   c o s t ,   n e e d   a n   a c c u r a t e   m o d e l   [ 3 1 ] ,  [ 4 3 ]   S t a t e - f e e d b a c k   ( L M I ) - b a s e d   o p t i mi z a t i o n   En s u r e   s y st e m s t a b i l i t y ,   g o o d   c o n t r o l l e r   p e r f o r m a n c e   H i g h   c o m p l e x i t y   c o m p u t a t i o n ,   n e e d   t o   d e t e r mi n e   ma n y   p a r a m e t e r s   [ 1 4 ]   R o b u st   c o n t r o l   H ∞   c o n t r o l l e r   I n c l u d e   s e n si t i v i t y   f u n c t i o n ,   g u a r a n t e e   s y st e m r o b u s t n e ss   R e l a t i v e l y   d i f f i c u l t   i mp l e m e n t a t i o n   [ 4 4 ]   L 2 - g a i n   p a ssi v i t y - b a s e d   c o n t r o l   R o b u st   t r a c k i n g ,   c a n   h a n d l e   p a r a m e t e r   u n c e r t a i n t y   V e r y   c o m p l e x   d e si g n   p r o c e ss   [ 4 5 ]   B a c k - st e p p i n g   c o n t r o l l e r   R o b u st   t r a c k i n g ,   e n su r e s  g l o b a l   a s y m p t o t i c   st a b i l i t y   R e q u i r e   v e r y   a c c u r a t e   n o n l i n e a r   mo d e l   [ 4 6 ]   S l i d i n g   mo d e   c o n t r o l   S t r o n g   r o b u s t n e ss,   e n su r e s  st a b i l i t y ,   p e r f o r m i n g   v e r y   g o o d   t r a c k i n g ,   r e l a t i v e l y   si mp l e   d e si g n   P r o d u c e   c h a t t e r i n g   b e h a v i o r ,   n e e d   t o   d e c i d e   c o n t r o l l e r   p a r a met e r s   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] ,   [ 4 7 ] -   [ 5 1 ]       4.   DC  B US V O L T AG E   R E G U L AT I O N  P RO B L E M   T h e  B att - SC   HPS  s y s tem   ca n   b e  class if ied   as  an   u n d er - ac t u ated   s y s tem   b ec au s e  it  h as  o n l y   t wo   co n tr o l   s ig n als  ( th e  d u ty   cy cles  f o r   ea ch   co n v e r ter   co n n ec ted   to   th e  b atter y   an d   s u p e r ca p ac it o r )   r esp o n s ib le  f o r   co n tr o llin g   th r ee   o u tp u ts : b att er y   c u r r en t,   s u p er ca p ac ito r   cu r r en t,  a n d   D C   b u s   v o ltag e  [ 5 6 ] .   Am o n g   th e   co n tr o l   o b jectiv es,  r eg u latin g   th e  DC   b u s   v o ltag e  is   cr itical  f o r   en s u r i n g   th e  s tab le  o p e r atio n   o f   th e  B att - SC   HP S.  B a s ed   o n   th e  r ev iew,   th er e  a r e  two   m ain   s tr ateg ies  f o r   ac h iev in g   DC   b u s   v o ltag e  r eg u latio n   in   B att - SC   H PS   f o r   elec tr ic  v eh icles,  as  illu s tr ated   in   Fig u r e  6 .   T h e   f ir s t  s tr ateg y   in v o l v es  th e  ca s ca d e  SISO  co n tr o l  a p p r o ac h   [ 3 6 ] ,   [ 4 6 ] ,  [ 5 0 ]   as  d ep icted   in   Fig u r e  6 ( a) .   T h e  s ec o n d   s tr ateg y   em p l o y s   a  MI MO   co n tr o l  ap p r o ac h   [ 5 7 ] ,   [ 5 8 ]   as  s h o wn   in   Fig u r e  6 ( b ) .     4 . 1 .     Ca s ca de  SI SO   co ntr o l a pp ro a ch   T h is   ap p r o ac h   s ep ar ates  th e  DC   b u s   v o ltag e  co n tr o l  lo o p   f r o m   th e  B att - SC   cu r r en t  co n tr o l  lo o p ,   allo win g   th e  DC   b u s   v o ltag e  t o   b e  in d ep en d en tly   c o n tr o lled   b ased   o n   its   r ef e r en ce .   A   class ic  SISO  co n tr o ller ,   s u ch   as a   PI  c o n tr o ller ,   ca n   b e  u s ed   f o r   th is   p u r p o s e  [ 3 6 ] ,   [ 4 6 ] .   W h ile  th e  PI  c o n tr o ller   is   s im p le  to   im p lem en t,   it  h as  n o tab le  lim itatio n s   as  m en tio n ed   p r ev io u s ly .   T o   ad d r e s s   s tab il ity   co n ce r n s ,   th e  DC   b u s   v o ltag e  ca n   also   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.