Electric Vehicle Efficient Power and Propulsion Systems

Vehicle electrification has been identified as one of the main technology trends in this second decade of the 21st century. Nearly 10% of global car sales in 2021 were electric, and this figure would be 50% by 2030 to reduce the oil import dependency and transport emissions in line with countries’ climate goals. This book addresses the efficient power and propulsion systems which cover essential topics for research and development on EVs, HEVs and fuel cell electric vehicles (FCEV), including: Energy storage systems (battery, fuel cell, supercapacitors, and their hybrid systems); Power electronics devices and converters; Electric machine drive control, optimization, and design; Energy system advanced management methods Primarily intended for professionals and advanced students who are working on EV/HEV/FCEV power and propulsion systems, this edited book surveys state of the art novel control/optimization techniques for different components, as well as for vehicle as a whole system. New readers may also find valuable information on the structure and methodologies in such an interdisciplinary field. Contributed by experienced authors from different research laboratory around the world, these 11 chapters provide balanced materials from theorical background to methodologies and practical implementation to deal with various issues of this challenging technology. This reprint encourages researchers working in this field to stay actualized on the latest developments on electric vehicle efficient power and propulsion systems, for road and rail, both manned and unmanned vehicles

Operating cost comparison of a single-stack and a multi-stack hybrid fuel cell vehicle through an online hierarchical strategy

One of the recently suggested solutions for enhancing the fuel economy and lifetime in a fuel cell (FC) hybrid electric vehicle (HEV) is the use of a multi-stack (MS) structure for the FC system. However, to fully realize the potential of this structure, the design of an appropriate energy management strategy (EMS) is necessary. This paper aims to compare the operating cost, including hydrogen consumption and degradation of the FC, between a single-stack (SS) and an MSFC-HEV. To do so, a hierarchical EMS, composed of two layers, is devised for the MS system. In the first layer, a rule-based strategy determines how many FCs should be ON according to the requested power, battery state of charge (SOC), and FCs degradations. In the second layer, an equivalent consumption minimization strategy (ECMS) is developed to determine the output power of each activated FC according to the cost function and constraints. Regarding the SS structure, ECMS is employed for power distribution. The purpose of this strategy is to decrease fuel consumption and FC system degradation costs in both structures. The performance of the ECMS is compared with dynamic programming (DP) as a global optimization strategy for validation purposes. The obtained results using experimental data show that an FC-HEV with an MS structure reaches less hydrogen and degradation costs than an SS one

Onduleur quasi-Z-source pour un système de traction de véhicules électriques à sources multiples : contrôle et gestion

Abstract: Power electronics play a fundamental role and help to achieve the new goals of the automobiles in terms of energy economy and environment. The power electronic converters are the key elements which interface their power sources to the drivetrain of the electric vehicle (EV). They contribute to obtaining high efficiency and performance in power systems. However, traditional inverters such as voltage-source, current-source inverters and conventional two-stage inverters present some conceptual limitations. Consequently, many research efforts have been focused on developing new power electronic converters suitable for EVs application. In order to develop and enhance the performance of commercial multiple sources EV, this dissertation aims to select and to control the impedance source inverter and to provide management approaches for multiple sources EV traction system. A concise review of the main existing topologies of impedance source inverters has been presented. That enables to select QZSI (quasi-Z-source inverter) topology as promising architectures with better performance and reliability. The comparative study between the bidirectional conventional two-stage inverter and QZSI for EV applications has been presented. Furthermore, comparative study between different powertrain topologies regarding batteries aging index factors for an off-road EV has been explored. These studies permit to prove that QZSI topology represents a good candidate to be used in multi-source EV system. For improving the performance of QZSI applied to EVs, optimized fractional order PI (FOPI) controllers for QZSI is designed with the ant colony optimization algorithm (ACO-NM) to obtain more suitable aging performance index values for the battery. Moreover, this thesis proposes a hybrid energy storage system (HESS) for EVs to allow an efficient energy use of the battery for a longer distance coverage. Optimized FOPI controller and the finite control set model predictive controller (FCS-MPC) for HESS using bidirectional QZSI is applied for the multi-source EV. The flux-weakening controller has been designed to provide a correct operation with the maximum available torque at any speed within current and voltage limits. Simulation investigations are performed to verify the topologies studied and the efficacity of the proposed controller structure with the bidirectional QZSI. Furthermore, Opal-RT-based real-time simulation has been implemented to validate the effectiveness of the proposed HESS control strategy. The results confirm the EV performance enhancement with the addition of supercapacitors using the proposed control configuration, allowing the efficient use of battery energy with the reduction of root-mean-square value, the mean value, and the standard deviation by 57%, 59%, and 27%, respectively, of battery current compared to the battery-only based inverter.L'électronique de puissance joue un rôle fondamental et contribue à atteindre les nouveaux objectifs de l'automobile en termes d'économie d'énergie et d'environnement. Les convertisseurs d’électroniques de puissance sont considérés comme les éléments clés qui interfacent leurs sources d'alimentation avec la chaîne de traction du véhicule électrique (VE). Ils contribuent à obtenir une efficacité et des performances élevées dans les systèmes électriques. Cependant, les onduleurs traditionnels tels que les onduleurs à source de tension, les onduleurs à source de courant et les onduleurs conventionnels à deux étages qui constituent les onduleurs les plus couramment utilisés, présentent certaines limitations conceptuelles. Par conséquent, de nombreux efforts de recherche se sont concentrés sur le développement de nouveaux convertisseurs d’électroniques de puissance adaptés à l'application aux véhicules électriques. Afin de développer et d'améliorer les performances des VEs à sources multiples commerciales, cette thèse vise à sélectionner, contrôler l'onduleur à source impédante et fournit une approche de gestion pour l'application du système de traction du VE à sources multiples. Une revue concise des principales topologies existantes d'onduleur à source impédante a été présentée. Cela a permis de sélectionner la topologie de l’onduleur quasi-Z-source (QZS) comme architectures prometteuses pouvant être utilisées dans les véhicules électriques, avec de meilleures performances et de fiabilité. L'étude comparative entre l'onduleur bidirectionnel conventionnel à deux étages et de celui à QZS pour les applications du VE a été présentée. En outre, une étude comparative entre différentes topologies de groupes motopropulseurs concernant les facteurs d'indice de vieillissement des batteries pour une application du VE hors route a été explorée. Ces études ont permis de prouver que la topologie de l’onduleur QZS représente une bonne topologie candidate à utiliser dans un système de VE à sources multiples. Pour améliorer les performances de l’onduleur QZS appliquées aux véhicules électriques, des contrôleurs PI d'ordre fractionnaire (PIOF) optimisés pour l’onduleur QZS sont conçus avec l'algorithme de colonies de fourmis afin d'obtenir des valeurs d'indice de performance de vieillissement plus appropriées pour la batterie. De plus, cette thèse propose un système de stockage d'énergie hybride (SSEH) pour le VE afin de permettre une utilisation efficace de l'énergie de la batterie pour une couverture de distance plus longue et une extension de son autonomie. L’optimisation du contrôleur PIOF et du contrôleur par modèle prédictif d'ensemble de contrôle fini (CMP-ECF) pour l’onduleur QZS bidirectionnel a été appliqué au VE à sources multiples avec des approches de gestion appuyées par des règles. Le contrôleur d'affaiblissement de flux magnétique du moteur a été conçu pour fournir un fonctionnement correct avec le couple maximal disponible à n'importe quelle vitesse dans les limites de courant et de tension. Des investigations et des simulations sont effectuées pour vérifier les différentes topologies étudiées et l'efficacité de la structure de contrôleur proposée avec l’onduleur QZS bidirectionnel. De plus, une simulation en temps réel basée sur Opal-RT a été mise en œuvre pour valider l'efficacité de la stratégie de contrôle SSEH proposée. Les résultats confirment l'amélioration des performances du VE avec l'ajout d'un supercondensateur utilisant la configuration du contrôle proposée, permettant une utilisation efficace de l'énergie de la batterie avec une réduction de la valeur moyenne quadratique, de la valeur moyenne et de l'écart type de 57%, 59% et 27%, respectivement, du courant de la batterie par rapport à l'onduleur connecté directement à la batterie

Analysis on the potential of novel hydrogen fuel cell vehicle architectures for automotive applications

[ES] Este estudio está enfocado al análisis del potencial de nuevas arquitecturas de vehículos de pila de combustible (FCV) de H2 para incrementar el rendimiento y reducir las emisiones cradle-to-grave de gases de efecto invernadero (GHG-100) y NOx, con respecto a los FCV convencionales. Para ello, se llevarán a cabo tres estudios diferentes, cada uno correspondiente a una publicación distinta. En el primer estudio, se aplicará la metodología del análisis del ciclo de vida (LCA) para evaluar el H2 como combustible para reducir las emisiones GHG-100 y NOx en un proceso cradle-to-grave, comparado frente a vehículos con motor de combustión interna alternativo (ICEV) alimentados por combustibles fósiles y vehículos eléctricos de batería (BEV). Los resultados de este estudio mostrarán como los FCV podrían reducir las emisiones cradle-to-grave comparado con cualquier otra de las opciones consideradas en la actualidad y en el escenario de Europa en 2050, pero de ello depende de la estrategia de producción del H2. En este sentido, se recomienda el H2 azul, obtenido por reformado de gas metano (SMR) con captura de CO2 (CCS), por sus bajas emisiones en el proceso well-to-tank y la posibilidad que ofrece de su uso a gran escala y corto plazo. En el segundo estudio el rendimiento de la nueva arquitectura para vehículos de pasajeros FCREx, que emplea la pila de combustible (FC) como range-extender, se evaluará para diferentes combinaciones de máxima potencia de FC, capacidad de la batería y capacidad del tanque de H2. Para ello, se generarán espacios de diseño en función estos tres parámetros de dimensionamiento que muestren la autonomía, el consumo de energía total y de H2 para cada diseño. Con estos datos, se concluirá que esta arquitectura podría reducir el consumo de energía total hasta un 6.8% y el de H2 de un 16.8% a un 25%, comparada con diseños de FCV comerciales equivalentes en autonomía. El diseño FCREx óptimo debería tener una FC con una potencia máxima ≥80 kW y una capacidad de batería cercana a 30 kWh para minimizar tanto los costes de fabricación como el consumo, aunque el diseño óptimo, sólo en términos de consumo, sugiere que es más adecuado emplear baterías de mayor capacidad. El último estudio es una combinación de los dos primeros. En él se combinarán las metodologías de LCA y dimensionado para entender cómo cambian las emisiones GHG-100 y NOx en un proceso cradle-to-grave emitidas para FCVs con arquitectura FCREx cuando se modifican la potencia máxima de la FC, la capacidad de la batería y la capacidad el tanque de H2. A partir de los resultados de este estudio se concluirá que emplear H2 azul podría reducir las emisiones GHG-100 y NOx en un proceso cradle-to-grave en un 60% y 38% respectivamente, con respecto al H2 negro (obtenido por electrólisis empleando el mix energético europeo actual). El diseño óptimo, en términos de emisiones, es aquel con una capacidad de la batería baja-moderada y una potencia máxima de la FC moderada-alta, en contraste con el diseño óptimo sólo en términos de consumo. Finalmente, se sugiere que con el fin de minimizar las emisiones cradle-to-grave de los vehículos con arquitectura FCREx se debe priorizar la descarbonización del proceso de fabricación de las baterías, considerar el H2 azul como vector energético principal y aumentar la fracción de energía renovable en el mix energético europeo.[EN] This study is focused on analysing the potential of novel architectures for H2-based fuel cell vehicles (FCV) to improve the performance and cradle-to-grave greenhouse gases (GHG-100) and NOx emissions of conventional FCVs. To do so, three different studies will be carried out, each one corresponding to a different paper. In the first study, the life cycle assessment (LCA) methodology will be applied to evaluate H2 as a fuel to decrease cradle-to-grave GHG-100 and NOx emissions compared against hydrocarbon-fueld conventional internal combustion engine vehicles (ICEV) and battery electric vehicles (BEV). This study will show how FCV may decrease cradle-to-grave emissions compared to any of the other options in both the current and the EU 2050 scenarios, but it depends on the H2 production pathway. Blue H2, obtained from steam methane reforming (SMR) with carbon capture and storage (CCS), is recommended for its low well-to-tank emissions and the short-term massive application possibility. In the second study, the performance of the novel architecture for passenger vehicles FCREx, that uses the FC as a range-extender, will be evaluated for different combinations of FC maximum power, battery capacity and H2 tank capacity. Design spaces will be generated as a function of these sizing parameters to show the range, H2 consumption and total energy consumption of each design. In this study, it is concluded that this architecture could provide an overall energy saving consumption up to 6.8% and H2 consumption saving ranging from 16.8% to 25% compared to equivalent-in-range commercial FCV. The optimum FCREx design should have a FC maximum power of ≥80 kW and a battery capacity of ~30 kWh to minimize both manufacturing costs and consumption, although the optimum design, only in terms of consumption, suggested high battery capacity. The last study is a combination of the first and the second study. The LCA and sizing methodologies will be combined to understand how the cradle-to-grave GHG-100 and NOx emissions of the FCREx architecture change when the FC maximum power, the battery capacity and the H2 tank capacity change. From this study, it is concluded that considering blue H2 could decrease cradle-to-grave GHG-100 and NOx emissions by 60% and 38% with respect to black H2 (obtained through electrolysis from the current European electricity mix). The optimum design, in terms of emissions, is found to be with low-moderate battery capacity and moderate-high FC maximum power, in contrast to the optimum design in terms of performance only. Finally, with the produced data, it is suggested to prioritize the decarbonization of the battery manufacturing process, considering blue H2 as the main energy carrier and the increase in the renewable energy share in the EU electricity mix to minimize the cradle-to-grave emissions of FCREx vehicles.López Juárez, M. (2021). Analysis on the potential of novel hydrogen fuel cell vehicle architectures for automotive applications. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/175053TFG