Advanced control strategies for the cathode module of automotive hydrogen fuel cell systems

Abstract

(English) This industrial thesis work tackles primarily the challenges associated with the development of the cathode module and auxiliary cooling module for fuel cell electric vehicle applications. The development process itself consists of four main phases, each of which is addressed and discussed in detail in this thesis document. The first phase of the development process covered in this thesis is the creation of a simulation platform using Matlab/Simulink that was used to evaluate the performance of the system, safely and efficiently test different control strategies. A simulation-oriented modeling methodology for the cathode module and the auxiliary cooling circuit is proposed and discussed. The modeling done considered the nonlinear dynamic behavior of the components which is crucial for the development of control strategies. A state-space representation of the entire subsystem was derived. The model was eventually included in a larger scale simulation of the entire fuel celt system. The second phase of the development process involves the construction of the test benches that were used for model validation and rapid control prototyping. Two different test benches were developed. A step-by-step model validation procedure was followed to obtain certain model parameters and fit the simulation results to the experimental results. lt was shown from the comparisons done that the simulation models precisely emulate the behavior of the hardware. The validated models were used for preliminary testing of control strategies. The test benches were then used to verify the credibility and finally evaluate the performance of the developed control strategies under more realistic settings. ln the third phase, advanced control strategies for the cathode module and auxiliary cooling circuit where developed, simulated and tested. Each of the proposed control strategies was aimed at solving some of issues encountered due to the complex system dynamics. To control the mass flow rate and pressure while coping with the rate-limitations of the actuators, two control strategies were developed. The first is an adaptive Pl-controller with a robust switching-type anti-windup strategy. Results obtained using this control strategy clearly suggest it as being a viable option for the cathode module. lt can be implemented on automotive microcontrollers and require little knowledge of the system dynamics. A second control strategy proposed for the mass flow rate and pressure is a robust model predictive controller. The model predictive controller was able to outperform the developed adaptive Pl-controller in several aspects. The third control strategy developed was an optlmization-based control strategy meant for the auxiliary cooling circuit. When compared to linear Pl-controllers, the proposed controller was able to resolve issues resulting from the saturation of the actuators due to ineficient operation. For the fourth and final phase of the development process, the cathode module and cooling circuit were treated as packaged subsystems with their own respective local controllers. Focus was given to the interactions the subsystems have with an upper-layer supervisory controller that coordinates all modules of the automotive fuel cell systems for proper start-up, shutdown and efficient production the required electric power. Software functions such as state{ransition, fault detection and error reporting were implemented. This was done as per the requirements defined by the supervisory controller. These software functions were tested successfully both in simulation and finally in prototype vehicle. The results obtained from the tests done with prototype vehicle showed successful operation of the cathode and cooling modules in addition to proper communication with the supervisory controller. Ultimately, the fuel cell system succeeded in provided electric power demanded by the vehicle, such that the vehicle was able to run solely on hydrogen.

(Català) Aquest treball de tesi industrial aborda principalment els reptes associats al desenvolupament del mòdul de càtode i mòdul de refrigeració auxiliar per a aplicacions de vehicles elèctrics de piles de combustible. El procés de desenvolupament en si consta de quatre fases principals, cadascuna de les quals s'aborda i es discuteix amb detall en aquest document de tesi. La primera fase del procés de desenvolupament que tracta aquesta tesi és la creació d'una plataforma de simulació utilitzant Matlab/Simulink que s'ha utilitzat per avaluar el rendiment del sistema, provar de manera segura i eficient diferents estratègies de control. Es proposa i es discuteix una metodologia de modelització orientada a la simulació per al mòdul càtode i el circuit de refrigeració auxiliar. Es va obtenir una representació de l'espai d'estats de tot el subsistema. Finalment, el model es va incloure en una simulació a més gran escala de tot el sistema de pila de combustible. La segona fase del procés de desenvolupament consisteix en la construcció dels bancs de proves que es van utilitzar per a la validació de models i prototipatge de control ràpid. Es va seguir un procediment de validació del model pas a pas per obtenir determinats paràmetres del model i ajustar els resultats de la simulació als resultats experimentals. A partir de les comparacions realitzades, es va demostrar que els models de simulació emulen amb precisió el comportament del maquinari. Els models validats es van utilitzar per a la prova preliminar d'estratègies de control. A continuació, es van utilitzar els bancs de proves per verificar la credibilitat i finalment avaluar el rendiment de les estratègies de control desenvolupades en entorns més realistes. En la tercera fase, es van desenvolupar, simular i provar estratègies avançades de control del mòdul càtode i del circuit auxiliar de refrigeració. Per controlar el cabal massiu i la pressió mentre s'enfronten a les limitacions de velocitat dels actuadors, es van desenvolupar dues estratègies de control. El primer és un controlador PI adaptatiu amb una robusta estratègia anti-windup de tipus de commutació. Els resultats obtinguts amb aquesta estratègia de control suggereixen clarament que és una opció viable per al mòdul càtode. Una segona estratègia de control proposada per al cabal i la pressió de massa és un controlador predictiu de model robust que va superar el controlador PI adaptatiu desenvolupat en diversos aspectes. La tercera estratègia de control desenvolupada va ser una estratègia de control basada en l'optimització destinada al circuit de refrigeració auxiliar. En comparació amb els controladors PI lineals, el controlador proposat va ser capaç de resoldre problemes derivats de la saturació dels actuadors a causa d'un funcionament ineficient. Per a la quarta i última fase del procés de desenvolupament, el mòdul càtode i el circuit de refrigeració es van tractar com a subsistemes empaquetats amb els seus respectius controladors locals. Es va centrar en les interaccions que tenen els subsistemes amb un controlador de supervisió de la capa superior que coordina tots els mòduls dels sistemes de pila de combustible d'automòbils per a l'arrencada, l'aturada i la producció eficient de l'energia elèctrica necessària. Es van implementar funcions de programari com ara la transició d'estat, la detecció d'errors i l'informe d'errors. Aquestes funcions del programari es van provar amb èxit tant en simulació com finalment en vehicle prototip. Els resultats obtinguts a partir de les proves realitzades amb el vehicle prototip van mostrar un bon funcionament del càtode i dels mòduls de refrigeració, a més d'una comunicació adequada amb el controlador de supervisió. En última instància, el sistema de pila de combustible va aconseguir proporcionar l'energia elèctrica que demanava el vehicle, de manera que el vehicle només podia funcionar amb hidrogen.