Modelling and optimization of a controller for a fuel cell with application in electric vehicles

Abstract

Nowadays, the transportation sector is reaching a decisive point. The electric vehicles are supporting the reduction of CO2 emissions, but advanced technologies must emerge to have a boost in the transition to fully emission-free vehicles. Fuel cells are considered the next big evolution due to their efficiency and low environmental impact, achieving high power density which is a key feature of the automotive industry that always tries to save up space and weight for other necessary components. This dissertation intends to study all the working principle of the fuel cell and the required components to make it work in the case of vehicle applications. For this, the starting point is to collect information and test data from a low-volume production vehicle that has an FC System. These data will be analyzed to develop a simulation model that can replicate the behavior of the FC System. Thus, the Simulink Design Optimization was used to estimate the model parameter values that meet the design requirements and increase the model accuracy, using two nonlinear least square optimization methods (Trust Region Reflective and Levenberg Marquardt). The method that presented the best results allowed to study and develop a model that incorporates all the control of the FC System. This second model, the Fuel Cell Control Unit model, involved two versions: one based on a classical control algorithm (based on equations) and another with an Artificial Neural Network control algorithm. Several tests were performed on the FC System model and the controller model, evaluating their output and determining the error between the model response and the corresponding data of the production vehicle. In addition, the tests took into account the comparison between the two versions of the fuel cell control unit with the selection of the version that showed the lowest RMSE value. The results achieved for the FC System and for the controller are satisfactory, presenting similar behavior. By comparing the obtained results to the verified on the available data of the production fuel cell electric vehicle, they reflect the fuel cell stack voltage and resistance, under the same working conditions.

Atualmente, o setor de transportes está a chegar a um ponto decisivo. Os veículos elétricos estão a apoiar a redução das emissões de CO2, mas tecnologias mais avançadas devem surgir para impulsionar a transição para veículos totalmente livres de emissões de gases poluentes. As células de combustível a hidrogénio são consideradas a próxima grande evolução devido à sua eficiência e baixo impacto ambiental, alcançando alta densidade de potência, que é uma característica fundamental da indústria automóvel, que tenta sempre reduzir espaço e peso para outros componentes necessários. Nesta dissertação é estudado todo o princípio de funcionamento da célula de combustível a hidrogénio e os componentes necessários para o seu funcionamento no caso de aplicações em veículos. Para isso, o ponto de partida é coletar informações e dados de teste de um veículo de baixo volume de produção que possui um sistema de célula de combustível a hidrogénio. Estes dados são analisados para desenvolver um modelo de simulação que possa replicar o comportamento do sistema de célula de combustível a hidrogénio. Assim, foi utilizado o Simulink Design Optimization para estimar os valores dos parâmetros do modelo atendendo aos requisitos de projeto e que aumentem a precisão do modelo, utilizando dois métodos de otimização por mínimos quadrados (Trust Region Reflective e Levenberg Marquardt). O método que apresentou melhores resultados, permitiu estudar e desenvolver um segundo modelo que inclui todo o controlo da célula de combustível e os seus componentes. Este segundo modelo, possui duas versões, com um algoritmo de controlo clássico (baseado em equações) e com um algoritmo de controlo que recorre a uma rede neural artificial. Foram realizados vários testes ao modelo do sistema da célula de combustível e ao seu controlador, avaliando os seus outputs e o erro entre a resposta do modelo e os respetivos dados do veículo de produção. Além disso, os testes levaram em consideração a comparação entre as duas versões da unidade de controlo de célula de combustível, selecionando a versão que apresentou o menor valor de RMSE. Os resultados obtidos para o sistema de célula de combustível a hidrogénio e para o controlador são satisfatórios, apresentando comportamento semelhante. Comparando os resultados obtidos com os verificados nos dados disponíveis do veículo em estudo, eles refletem a tensão e a resistência da célula de combustível, sob as mesmas condições de funcionamento.