Assessment and optimization of highly transient fuel cell system operating strategies for hybrid electric vehicle powertrains

Abstract

Automotive propulsion systems using polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) in combination with sustainably produced hydrogen are considered as a promising approach for defossilized mobility outside urban areas. Compared to pure battery electric drives, vehicles with a fuel cell system (FCS) have advantages in terms of range and refueling. However, the PEMFC has high requirements for the supply of air and fuel gas (e.g., pressure, temperature and humidity), which must be adapted appropriately to the respective operating point. In particular, the highly transient load changes typical for automotive powertrains represent a major challenge for the FCS and the powertrain’s energy management strategy (EMS). Stress factors such as the local undersupply of hydrogen and oxygen can occur. In addition to a temporary decrease in cell voltage, these also lead to permanent damage and, thus, a reduction in the lifetime of the PEMFC. Therefore, with a view to the commercial breakthrough of PEMFC technology as an energy converter in automotive propulsion systems, it is essential that the FCS and its functionality, as well as the powertrain concepts and their EMS, are verified and validated under transient conditions as early as possible in the development process. In this context, this dissertation aims at optimizing the operation of automotive fuel cell systems under highly transient conditions. Another objective of this work is to establish a systematic approach for a cost- and time-efficient development process of the powertrain concept and the EMS for fuel cell hybrid electric vehicles (FCHEVs). A comprehensive methodological approach is applied to achieve these two research objectives, consisting of an experimental part with an FCS test stand and a numerical part based on longitudinal dynamics simulation. With the FCS test stand, the influence of various operating parameters (e.g., pressure, temperature and mass flow) on the dynamic behavior of the FC stack is investigated, and measures for optimal operation under highly transient conditions are derived. Furthermore, a mass spectrometer is implemented at the anode side of the FCS to analyze the gas composition and used to experimentally develop FCS operating strategies concerning efficiency and ensure optimal dynamic operation of the FCS. The comprehensive longitudinal dynamics model of an FCHEV is finally used to design, assess and optimize different powertrain concepts as well as EMSs for the fuel cell hybrid electric powertrain in the worldwide harmonized light vehicles test cycle (WLTC). The results are evaluated on the FCS test stand in the Fuel-Cell-in-the-Loop operation. In summary, the present work significantly contributes to the future operation of FCSs and the efficient development of powertrains and EMSs for FCHEVs.

Fahrzeugantriebe mit Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMBZ) in Kombination mit nachhaltig erzeugtem Wasserstoff gelten als möglicher Ansatz für eine defossilisierte Mobilität außerhalb urbaner Gebiete. Im Vergleich zu rein batterieelektrischen Antrieben haben Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem (BZS) Vorteile in Bezug auf Reichweite und Betankung. Allerdings stellt die PEMBZ hohe Anforderungen an die Luft- und die Brenngasversorgung (z.B. Druck, Temperatur und Feuchtigkeit), die entsprechend an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst werden müssen. Insbesondere die für automobilen Antriebsstränge typischen hochtransienten Lastwechsel stellen eine große Herausforderung für das BZS und die Energiemanagementstrategie (EMS) des Antriebsstrangs dar. Hier können Stressfaktoren wie die lokale Unterversorgung mit Wasserstoff und Sauerstoff auftreten. Diese führen neben einem temporären Abfall der Zellspannung auch zu einer dauerhaften Schädigung und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer der PEMBZ. Im Hinblick auf den kommerziellen Durchbruch der PEMBZ-Technologie als Energiewandler in automobilen Antriebssystemen ist es daher unabdingbar, dass das BZS und seine Funktionalität sowie die Antriebsstrangkonzepte und deren EMS so früh wie möglich im Entwicklungsprozess unter transienten Bedingungen verifiziert und validiert werden. In diesem Zusammenhang zielt diese Dissertation darauf ab, den Betrieb von automobilen Brennstoffzellensystemen unter hochdynamischen Bedingungen zu optimieren. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, einen systematischen Ansatz für einen kosten- und zeiteffizienten Entwicklungsprozess des Antriebsstrangkonzepts und der EMS für Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles (FCHEVs) zu etablieren. Um diese beiden Forschungsziele zu erreichen, wird ein umfassender methodischer Ansatz verwendet, der aus einem experimentellen Teil mit einem BZS-Prüfstand und einem numerischen Teil mittels Längsdynamiksimulation besteht. Mit dem BZS-Prüfstand wird der Einfluss verschiedener Betriebsparameter (z.B. Druck, Temperatur und Massenstrom) auf das dynamische Verhalten des BZ-Stacks untersucht und es werden Maßnahmen für einen optimalen Betrieb unter hochtransienten Bedingungen abgeleitet. Darüber hinaus wird ein Massenspektrometer an der Anodenseite des BZS zur Analyse der Gaszusammensetzung implementiert sowie zur experimentellen Entwicklung von BZS-Betriebsstrategien hinsichtlich der Effizienz und der Sicherstellung eines optimalen, dynamischen Betriebs des BZS eingesetzt. Das umfassende Längsdynamikmodell eines FCHEV wird schließlich verwendet, um verschiedene Antriebsstrangkonzepte sowie Energiemanagementstrategien des Brennstoffzellen-Hybrid-Elektroantriebsstrangs im Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle (WLTC) zu entwickeln, zu bewerten und zu optimieren. Die Ergebnisse werden auf dem BZS-Prüfstand im Fuel-Cell-in-the-Loop-Betrieb evaluiert. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag zum zukünftigen Betrieb von BZ-Systemen und zur effizienten Entwicklung von Antriebssträngen sowie Energiemanagementstrategien für FCHEVs leistet.