Model-based nonlinear multivariate control of a dynamic fuel cell stack test bed

Abstract

In ihrem Bestreben, schadstoffarme Fahrzeugsysteme zu entwickeln, interessieren sich Automobilhersteller zunehmend für Brennstoffzellen-Technologien. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) gehören zu den vielversprechendsten Technologien, um ein geräuschloses und schadstofffreies Antriebssystem bereitzustellen. Eine PEMFC wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische und thermische Energie um. Im Automobilbereich wird der Brennstoffzellenstapel unter hochdynamischen Bedingungen betrieben, so dass sich die Sollwerte im laufenden Betrieb kontinuierlich ändern. Um das Brennstoffzellensystem erfolgreich in den elektrischen Antriebsstrang zu integrieren, ist transientes Testen während der Entwicklung von besonderem Interesse. Die Luftzufuhr ist einer der wichtigsten Faktoren für die Leistung eines Brennstoffzellensystems. Daher wird in dieser Arbeit ein neuer Ansatz für ein Hardware- und Regelungskonzept der Gaskonditionierung eines dynamischen Prüfstandes für PEMFC Stapel vorgestellt. Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapel-Einlasses mit einströmendem Gasmassenstrom, Gastemperatur, relativer Feuchte des einströmenden Gases und der Gewährleistung des Stapel Druckes werden unterschiedliche Hardwarekonzepte getestet und ausgewertet. Basierend auf der Auswertung wird ein modularer Testprüfstand aufgebaut. Da der entworfene Prüfstand ein nichtlineares Verhalten aufweist, ein Mehrgrößensystem darstellt und die zu regelnden thermodynamischen Größen auf verschiedene Arten miteinander gekoppelt sind, können lineare Regelungsverfahren nicht angewendet werden, um eine ausreichende transiente Regelung sicherzustellen. Deshalb wird ein dynamisches nichtlineares Modell des Prüfstandes hergeleitet und mit Messungen auf dem Prüfstand parametriert. Das Systemmodell beinhaltet die wesentlichen dynamischen Eigenschaften, Nichtlinearitäten und thermodynamischen Kopplungen des Systems. Um eine ausreichende Regelung während transienten Betriebszuständen zu gewährleisten, müssen die Kopplungen und Nichtlinearitäten des Prüfstandes vom Regler berücksichtigt werden. Daher wird ein modellbasiertes nichtlineares Mehrgrößenregelungskonzept entworfen, das auf exakter Eingangs-Ausgangs Linearisierung basiert und die Systemausgänge ent- koppelt sowie die Anwendung eines Zwei-Freiheitsgrad-Reglers (2 DoF) für jedes Teilsystem ermöglicht. Die Leistungsfähigkeit des realisierten Hardwarekonzepts und des angewendeten nichtlinearen Regelungskonzeptes wird anhand von Messungen am Prüfstand demonstriert. Der entworfene nichtlineare Regler gewährleistet einen akkuraten Trajektorienverlauf während dynamischer Sollwertänderungen. Ferner kann die entwickelte modellbasierte Vorsteuerung auf eine lineare Regelung angewendet werden, die selbst zur Regelung des nichtlinear gekoppelten Systems nicht ausreichend ist. Die Erweiterung der linearen Reglerstruktur mit zusätzlicher modellbasierter Vorsteuerung verbessert die Performance erheblich.

In their strive of developing low pollution vehicle systems automotive manufacturers are more and more interested in fuel cell technologies. Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are among the most promising technologies to provide a noise free and pollution free propulsion system. A PEMFC converts hydrogen and oxygen to water, electrical and thermal energy. In automotive applications, the fuel cell stack is operated under highly dynamic conditions, which means that the set points are changing continuously during operation. In order to successfully integrate the fuel cell system into the electric power train, transient testing during development is of particular interest. The air supply is one of the most crucial factors for the performance of a fuel cell system. Therefore, in this thesis a novel approach for a hardware and control design of the gas conditioning system of a dynamic test bed for PEMFC stack testing is proposed. Different hardware concepts are tested and evaluated in order to supply the fuel cell stack inlet with inflowing gas mass flow, gas temperature, relative humidity of the inflowing gas and stack pressure. Based on the evaluation, a modular test setup is constructed. Since the designed test bed is nonlinear, multivariate and the governing thermodynamic quantities are coupled in various ways, linear control methods can not be applied to provide a sufficient transient control. Therefore, a dynamic nonlinear model of the test bed is derived and parameterised with measurements from the test bed. The system model incorporates the essential dynamic properties, nonlinearities and thermodynamic couplings of the system. To provide adequate control during transients, the couplings and nonlinearities of the test bed have to be accounted for by the controller. Therefore, a model-based nonlinear multivariate control concept based on exact input-output linearisation is designed, which decouples the system outputs and enables the applications of a Two-Degree-of-Freedom (2 DoF) controller for each subsystem. The performance of the realised hardware concept and applied nonlinear control concept is demonstrated with measurements on the test bed. The designed nonlinear controller ensures accurate trajectory tracking during dynamic set point changes. Further, the developed model-based feedforward control can be applied to a standard linear controller, which, itself, is insufficient for controlling the nonlinear coupled system. The extension of the linear control structure with additional model-based feedforward control significantly improves the performance.