Protect - Advanced Control for Efficient Fuel Cell Operation

Projektbeschreibung

In diesem Projekt wird ein echtzeitfähiges Brennstoffzellen-Stack-Modell und eine modellbasierte Steuerung für den Einsatz im Automobilbereich entwickelt und untersucht. Das Modell besteht aus mehreren Domänen: Kathode, Anode, Membran, Elektrochemie und Kompressor. Es ist nulldimensional, transient, nichtlinear und in seiner Zustandsraumdarstellung geschrieben.

Projektbild Vrlic

© E325

Quelle: Vrlić, M.; Ritzberger, D.; Jakubek, S. Safe and Efficient Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Control Using Successive Linearization Based Model Predictive Control Validated on Real Vehicle Data. Energies 2020, 13, 5353. https://doi.org/10.339

Ziel der Steuerung ist es, den Leistungsbedarf zu decken und gleichzeitig Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten. Der sichere Betrieb gilt als erfüllt, wenn das System jederzeit ausreichend mit Sauerstoff und Wasserstoff versorgt wird, wenn die Kathoden-/Anodendrücke die vorgeschriebenen gefährlichen Werte nicht überschreiten, wenn die Druckdifferenz über der Membran innerhalb definierter Grenzen liegt und wenn die Der Kompressor arbeitet weit entfernt von seinen Pump- und Drosselleitungen. Die Effizienz wird maximiert, indem die Kompressorleistung nach Möglichkeit reduziert und das System mit niedrigeren Strömen betrieben wird, wodurch der Wasserstoffverbrauch minimiert wird.

Da einige der genannten Ziele widersprüchlich sind und Sicherheitsauflagen eingehalten werden müssen, wird die modellprädiktive Regelung (MPC) zur Regelung des Systems eingesetzt. Das MPC verwendet das Modell, um zukünftige Ereignisse vorherzusagen und so optimal zu entscheiden, wie es auf das System einwirkt und alle Einschränkungen respektiert. Die lineare MPC hat ihre Grenzen aufgrund der nichtlinearen Natur des FCS und arbeitet nur in einem kleinen Betriebsbereich gut. MPC mit sukzessiver Linearisierung (SLMPC) wird daher verwendet, um den gesamten Betriebsbereich zu steuern. Das Konzept wird mit der Leistung einer bereits bestehenden Proportional-Integral (PI)-basierten Steuerungsarchitektur eines realen Fahrzeugs verglichen. Darüber hinaus wird der SLMPC auch als Referenzregler verwendet, der Referenzen zu den zugrunde liegenden PI-Controllern bereitstellt, anstatt sie zu ersetzen. Schließlich wird der SLMPC im Start-up- und Shut-down-Betrieb des FCS verwendet.

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PROTECT - Advanced Control for Efficient Fuel Cell Operation

Publikationen

Vrlić, M.; Ritzberger, D.; Jakubek, S. Safe and Efficient Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Control Using Successive Linearization Based Model Predictive Control Validated on Real Vehicle Data. Energies 2020, 13, 5353

Vrlić, M.; Ritzberger, D.; Jakubek, S. Efficient and life preserving power tracking control of a proton exchange membrane fuel cell using model predictive control. SICE ISCS 2020, 77-84

Vrlić, M.; Ritzberger, D.; Jakubek, S. Model-Predictive-Control-Based Reference Governor for Fuel Cells in Automotive Application Compared with Performance from a Real Vehicle. Energies 2021, 14, 2206

Vrlić, M.; Jakubek, S. Degradation Avoiding Start Up and Shut Down of Fuel Cell Stacks for Automotive Application Using Two Plant Model Predictive Control. 2021 6th International Conference on Smart and Sustainable Technologies (SpliTech)

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