Advanced control and online monitoring of fuel cell systems

Abstract

This dissertation aims to investigate smart ways to control and monitor polymer electrolytemembrane fuel cell (PEMFC) systems, focusing on their use in automotive applications. The main goal is to make sure fuel cell vehicles operate safely and efficiently. The first part of the research addresses the delivering of dynamic power demands of areal fuel cell vehicle, dealing with fast transients in the internal states of the fuel cell. Using successive linearization based model predictive control (SLMPC), the resulting work not only delivers the power demand but also enforces safety constraints, reducing the hydrogen consumption compared to a reference vehicle. In the second part, a real-time capable reference governor superordinate model predictive controller (RG-MPC) for fuel cell control in automotive applications is introduced. This novel approach provides reference trajectories for subordinate controllers, offering the possibility to adapt multivariable control systems and constraint handling. The use of successive linearization ensures real-time feasibility, essentially offering an upgrade to existing control schemes without requiring a complete system redesign. The dissertation concludes with the third part, focusing on online monitoring of fuel cell systems. For this purpose, a reduced-dimensionality nonlinear distributed-parameter observer is introduced to efficiently detect internal phenomena such as reactants’ starvation and membrane dryout/flooding. Using virtual sensing and a high-order distributed parameter model, the observer algorithm efficiently corrects predicted internal state distributions, demonstrating computational efficiency and robust performance throughdetailed simulations. This extended research provides a framework for advancing the control and monitoring of PEMFC systems in automotive applications. The strategies presented here hold the promise of increasing efficiency, safety, and overall performance of fuel cell vehicles.

Diese Dissertation untersucht intelligente Methoden zur Steuerung und Überwachung von Brennstoffzellensystemen mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEMFC), wobei der Schwerpunkt auf deren Einsatz in Fahrzeuganwendungen liegt. Das Hauptziel ist, den sicheren und effizienten Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen zu gewährleisten. Im ersten Teil der Arbeit wird die Bereitstellung dynamischer Leistungsanforderungen eines realen Brennstoffzellenfahrzeugs behandelt. Dabei geht es insbesondere um schnelle Änderungen der inneren Zustände der Brennstoffzelle. Mithilfe einer modellprädiktiven Regelung basierend auf sukzessiver Linearisierung (SLMPC) wird nicht nur die benötigte Leistung bereitgestellt, sondern es werden auch Sicherheitsgrenzen eingehalten und der Wasserstoffverbrauch im Vergleich zu einem Referenzfahrzeug reduziert. Im zweiten Teil wird ein echtzeitfähiger modellprädiktiver Referenzregler (RG-MPC) für die Steuerung von Brennstoffzellen in Fahrzeuganwendungen vorgestellt. Dieser neue Ansatz bietet Referenztrajektorien für untergeordnete Regler und ermöglicht die Anpassung von Mehrgrößensystemen sowie die Handhabung von Einschränkungen. Durch die sukzessive Linearisierung wird die Echtzeitfähigkeit gewährleistet, was im Wesentlichen ein Upgrade bestehender Regelungskonzepte darstellt, ohne dass ein vollständiges Systemdesign erforderlich ist. Der dritte Teil der Dissertation konzentriert sich auf die Online-Überwachung von Brennstoffzellensystemen. Hierfür wird ein nichtlinearer Beobachter mit reduzierter Dimensionalität und verteilten Parametern eingeführt, der interne Phänomene wie Reaktantenmangel und Membrantrocknung/-flutung effizient erkennen kann. Mithilfe virtueller Sensorik und eines hochauflösenden Modells mit verteilten Parametern korrigiert der Beobachteralgorithmus effizient die vorhergesagten Zustandsverteilungen und zeigt in detaillierten Simulationen eine hohe Rechenleistung und robuste Leistung. Diese umfangreiche Forschung bietet einen Rahmen für die Weiterentwicklung der Steuerung und Überwachung von PEMFC-Systemen in Fahrzeuganwendungen. Die hier vorgestellten Strategien versprechen eine Steigerung der Effizienz, Sicherheit und Gesamtleistung von Brennstoffzellenfahrzeugen.