Du, Z. P. (2023). Holistic design workflow for fuel cell concentration observers [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2023.111365
design of experiments; design workflow; experimental validation; fuel cells; Kalman filter; mass spectrometer; observer; parameter sensitivity analysis; parametrization; PEMFC
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Abstract:
Die vorliegende Abschlussarbeit präsentiert einen ganzheitlichen Design-Workflow für Konzentrationsbeobachter von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). Letztere sind ein aussichtsreicher Kandidat um Verbrennungsmotoren in mobilen Anwendungen zu ersetzen. Dennoch gibt es einige Herausforderungen, die für eine Marktetablierung gelöst werden müssen, z. B. Kostenreduzierung, Lebensdauerverlängerung und Ausschöpfung der ungenutzten Effizienzpotenziale. Modellbasierte Beobachter helfen bei der Lösung dieser Probleme, indem sie die Anzahl der physischen Sensoren zur Kostensenkung reduzieren, die Lebensdauer durch Online-Diagnose erhöhen und die Voraussetzungen für eine modellbasierte Regelung zur Effizienzsteigerung schaffen. Die Beobachterleistung hängt in hohem Maße vom Design-Workflow ab. Daher wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Workflow für die Beobachterauslegung vorgestellt, welcher Modellierung, Versuchsplanung (DOE) und Parametrisierung umfasst. Die Modellierung basiert auf physikalischen Prinzipien, um ein aussagekräftiges Modellverhalten und -zustände zu erhalten. Der Fokus der Modellierung liegt hier auf Wassereffekte, da diese einen großen Einfluss auf Effizienz und Degradation haben. Auf der Grundlage des Modells wird eine DOE-Methodik präsentiert, wodurch die erforderliche Anzahl und Länge von Experimenten im Vergleich zu nicht speziell entworfenen Pendants reduziert werden kann, um eine zufriedenstellende Parametrisierung und Validierung zu erhalten. Zu diesem Zweck wird das Parameterempfindlichkeitsmaß Fisher-Information für stationäre Betriebspunkte und einzelne Parameter individuell optimiert. Anschließend wird das Modell mit den Messungen der entworfenen Experimente parametriert. Dieser Schritt ist notwendig, um eine zufriedenstellende Replikation des Systemverhaltens durch das Modell zu erhalten. Die Parametrisierung wird durch die Aufteilung des Modells und die Durchführung von Parameterempfindlichkeitsanalysen vereinfacht, um den beträchtlichen Lösungsraum erheblich zu reduzieren. Schließlich wird ein Beobachter entworfen und experimentell validiert. Der Entwurfsablauf wird mit einem erweiterten Kalman-Filter an einem 30 kW PEMFC-Systemprüfstand demonstriert, und die validierte Konzentrationsschätzungsleistung ist hervorragend. Einzigartig in der Literatur für PEMFCs sind die physikalisch motivierte Wassermodellierung, die modellbasierte DOE im stationären Zustand, der effiziente Parametrisierungsansatz, die experimentelle Konzentrationsvalidierung inklusive im dynamischen Betrieb und der Design-Workflow selbst.
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The present thesis provides a holistic concentration observer design workflow for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The latter is a candidate with good prospects to replace internal combustion engines in mobile applications due to its many advantages. Nevertheless, some challenges must be resolved for widespread use, such as cost reduction, lifetime extension, and exploiting unused efficiency potentials. Model-based observers support resolving these issues by reducing the number of physical sensors to minimize cost, increase lifetime through online diagnosis, and provide the prerequisites for model-based control to increase efficiency. The performance of observes highly depends on the design workflow. Thus, this work introduces a holistic observer design workflow, including modeling, design of experiments (DOE), and parametrization. The modeling is based on physical principles to obtain a meaningful model behavior and states essential for diagnosis. The modeling focuses on water effects because they highly influence efficiency and degradation. Based on the model, a DOE methodology is introduced. DOE can reduce the required number and length of experiments to obtain a proper parametrization and validation result compared to non-specifically designed ones, saving limited budget and resources. In order to do so, the parameter sensitivity measure Fisher information is optimized for steady-state operation points and single parameters individually. Subsequently, the model is fitted to the measurements of the designed experiments. This step is necessary to get a satisfying replication of the system behavior by the model, which is required for a decent model-based observer and controller performance. The parameterization is simplified by subdividing the model and conducting parameter sensitivity analyses to significantly reduce the considerable solution space. Finally, an observer is designed and experimentally validated. The design workflow is demonstrated with an extended Kalman filter on a 30 kW PEMFC system test stand, and the validated concentration estimation performance is outstanding. Unique in the literature for PEMFCs are the physically motivated water modeling, the model-based DOE in steady-state, the efficient parametrization approach, the experimental concentration validation including dynamic operation, and the design workflow itself. Of course, the workflow is not limited to the presented model and observer. The workflow is easily adjustable for different application cases, and the methods can be applied stand-alone.
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Additional information:
Zusammenfassung in deutscher Sprache Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Kumulative Dissertation aus drei Artikeln