Development of an Energy Management Strategy for Fuel Cell Electric Vehicles considering Efficiency and Degradation of the Fuel Cell Stack

Abstract

Der gesellschaftliche Ruf nach einer Entschleunigung des Klimawandels wird immer lauter. Mit nachhaltig hergestelltem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge bieten eine Möglichkeit, Treibhausgas-Emissionen im Transportsektor zu reduzieren, da sie im Betrieb keine Emissionen freisetzen. Sie stehen im Fokus aktueller Forschungsarbeiten, um ihre Kundenakzeptanz durch Kostensenkung, Systemvereinfachung, sowie längere Lebensdauern zu erhöhen.Diese Arbeit präsentiert ein längsdynamik Simulaionsmodell eines Brennstoffzellen Hybridfahrzeugs, entwickelt in der Softwareumgebung AVL Cruise M. Zur Parametrierung und Validierung der Submodelle dienen Messdaten des Toyota Mirai der ersten Generation am IFA/TU Wien Rollenprüfstand und des IFA/TU Wien Brennstoffzellensystemprüfstands. Ein Alterungsmodell für Brennstoffzellen wird basierend auf den Ergebnissen einer Literaturrecherche erstellt und in das Fahrzeugmodell eingebunden. Die für das Modell entwickelte Betriebsstrategie beinhaltet parametergesteuerte Funktionen zur Lastpunktverschiebung und zur Phlegmatisierung der Leistungsanforderung an den Polymerelektrolyt-Membran Brennstoffzellenstack.Das Fahrzeugmodell wird mittels des WLTC-3b Fahrzyklus untersucht, um die unter Beibehaltung möglichst hoher Kraftstoffeffizienz erzielbare Milderung der Brennstoffzellenalterung qualitativ zu bewerten. Die numerische Parameteroptimierung der Betriebsstrategie liefert Referenzwerte für minimalen Kraftstoffverbrauch und minimale Brennstoffzellenalterung des gegebenen Systems. Darüber hinaus wird das Trade-off Verhalten zwischen diesen beiden Referenzwerten untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine große mögliche Reduktion der Alterung hin, während dafür nur ein geringfügig höherer Kraftstoffverbrauch in Kauf genommen werden muss. Außerdem bietet das vorgestellte Alterungsmodell für Brennstoffzellen die Möglichkeit, die Ergebnisse künftiger Forschungsarbeiten einzupflegen und damit andere Brennstoffzellensysteme zu untersuchen. Das validierte Fahrzeugmodell kann überdies zur weiteren Entwicklung und Bewertung von alternativen Betriebsstrategieansätzen verwendet werden.

A reaction to the society’s call for mitigation of the climate change could be the use of renewably produced hydrogen in Fuel cell hybrid electric vehicles (FCHEVs) as emission free means of transportation. They are being heavily investigated, from system architectures in general, to improvements of their components. The ambition is to reach broad customer acceptance due to lowered costs, more convenient and robust operation, and longer lifetime.In this work a longitudinal dynamics simulation model of a fuel cell (FC) hybrid electric vehicle is set up in the software environment AVL Cruise M. It is parametrised and validated with measurement results of a first generation Toyota Mirai on the Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA)/TU Wien chassis dynamometer and a standalone fuel cell system on the IFA/TU Wien fuel cell system test stand. The vehicle model incorporates a fuel cell degradation model, which is developed from the results of a literature survey. An energy management strategy (EMS) is developed, which comprises parameter-controlled functions for load shifting and phlegmatisation of the proton-exchange-membrane fuel cell stack’s power demand.The vehicle model is studied in the WLTC-3b driving cycle to qualitatively identify potential gains in fuel cell lifetime, while preserving high fuel efficiency. The EMS’s parameters are numerically optimised in several runs, to obtain a minimum fuel consumption benchmark case, a minimum fuel cell degradation case, and to elaborate the trade-off behaviour between these two benchmarks.The results point towards attractive gains in potential fuel cell lifetime at the cost of only a minor increase in fuel consumption. Furthermore, this work presents a parametrisable fuel cell degradation evaluation tool, which can easily be updated with future research findings to investigate other fuel cell systems. Besides that, the validated vehicle model can be used for future assessments of other EMS’s basic structures.