Optimal sizing of an energy storage system for a hybrid vehicle applied to an off-road application

International audienceThis paper aims at comparing three different configurations of energy storage systems (ESS) for a fuel cell hybrid vehicle. This study is applied on an off-road vehicle, a new concept of hybrid electric mini-excavator. The power supply system (PSS) is composed of a predefined fuel cell system and one or two energy storage systems. In this paper, the sizing and the configuration of energy storage components is explored and cost considerations are taken into account for optimal design

Methods and Tools to Ease the Electrification of Off-Highway Vehicles and Machinery Produced by Small and Medium-Sized Companies

Sostenibilità ambientale, emissione di gas serra, e inquinamento atmosferico sono tra i grandi driver dell’elettrificazione dei trasporti. Da questo punto di vista, l’elettrificazione dei consumi è evidente nel automotive, ma lo stesso è iniziato anche per l’industria Off-Highway. Questo passaggio è importante per lo sviluppo di nuove tecnologie, ma comporta nuove sfide. Per esempio, facilita l’insorgere di architetture e lo sviluppo di tecnologie evolutive e rivoluzionarie, favorendo la nascita di nuovi macchinari e aziende. A tal proposito, sia il mondo industriale che quello accademico hanno iniziato lo sviluppo di soluzioni elettrificate, ma con alti costi. Per le aziende medio-piccole, più sensibili al cambiamento, le risorse richieste da questo processo possono essere molto sfidanti. Molte lavorano come integratori di sistemi, cioè comprano dai fornitori componenti e sistemi stock. Al contrario, le aziende leader del mercato possono puntare su prodotti ottimizzati basati su componenti custom, rientrando dell’investimento iniziale grazie all’economia di scala. Modellistica e simulazione possono aiutare molto la progettazione a livello sistemico, ma lo sviluppo di un modello matematico non è banale. Questo processo può tuttavia essere semplificato da software di modellistica indirizzati all’ambiente industriale, specialmente per i produttori più piccoli. Modellistica e simulazione consentono il passaggio dall’approccio steady-state a transient-state, fondamentale per studiare i vantaggi dell’elettrificazione: nuove strategie di controllo, minori consumi energetici, maggior produttività, ecc. Dopo un’iniziale presentazione dell’industria, della sua storia, e delle sfide, sono presentati i componenti e le architetture principali. Sono anche mostrati i macchinari più interessanti per capire le tendenze di industria e ambiente accademico. Per esempio, si capisce che il retrofitting dei macchinari è importante per questa fase di transizione, seppur vero che possono essere applicate diverse migliorie. Per investigare quanto un software di modellistica di tipo industry-oriented sia in grado di aiutare le piccole-medie aziende del settore, un sollevatore idraulico elettrificato è creato usando Simscape. È mostrata la modellizzazione dei quattro sottosistemi principali, e i movimenti principali della macchina comparati con i dati sperimentali. Se ci si concentra sul focus di questo lavoro, simulazione e prove reali sono abbastanza vicini. Infatti, pur riconoscendo che modelli più dettagliati siano necessari per analisi più accurate, è evidente che questa tipologia di software può già essere usata per modellare sistemi complessi e prendere confidenza con alcuni risultati. Infine, due diversi approcci sono analizzati simulando il modello su un ciclo di lavoro. Innanzitutto, senza alcun cambiamento al sistema di controllo, viene proposto un valore di velocità che bilanci consumo di energia e produttività della macchina. A questo proposito, lo storico e le osservazioni empiriche del costruttore confermano tale risultato, evidenziando la buona applicabilità del modello. In secondo luogo, è implementata e simulata una nuova strategia per il controllo della velocità del motore elettrico, e i risultati mostrano una diminuzione del consumo energetico. Tuttavia, per migliorare l’accuratezza della previsione e diminuire di più i consumi, è necessario approfondire ulteriormente alcune componenti. I risultati ottenuti testimoniano quanto il sistema attuale possa essere migliorato senza cambiare alcun componente, basandosi solamente su un design di tipo transient-state, e sfruttando i vantaggi dell’elettrificazione. Inoltre, è dimostrato quanto un software di modellistica industry-oriented possa essere utile ai produttori più piccoli per affrontare meglio questa importante transizione.Environmental sustainability, greenhouse emissions, and air pollution reduction are among the major drivers for the electrification of the transport and mobility sector. Indeed, the electrification of the consumptions for the automotive industry is in broad daylight, but the same process has just started for the off-highway industry. This process enables new technologies, but it comes also with new challenges and objectives. For instance, it facilitates new off-highway architectures and the development of both incremental and disruptive technology, enabling the emergence of completely new machinery and companies too. In this regard, industry and academia have already started developing electrified solutions, but they come with high development costs. Small and medium-sized companies can be particularly sensitive to changes, and the expertise, cost, and timeframe related to this process can be extremely challenging. Many of these companies usually work as system integrators, relying on the integration and tuning of off-the-shelf components and systems. On the contrary, leading off-highway manufacturers can design more optimized machinery thanks to custom-made products, relying on the economy of scale to return on investments. Modeling and simulation can greatly help system-level design but building the mathematical model of an entire machinery is not trivial. In this regard, using industry-oriented modeling software like Simscape can simplify it, especially for small manufacturers. Indeed, modeling and simulation shift the design from steady-state design to dynamic and transient-state design, which is an essential step to investigate the potential of electrification: new control strategies, lower energy consumption, higher productivity, better forecast of the machinery hour rate, etc. After an overview of the industry, its history, and the new challenges, the main components and architectures typical of the electrification process are presented. The most interesting electrified machinery are also shown to understand the general trends of both industry and academia. In fact, this analysis shows how much retrofitting can be important for this transition to more electrified machinery, but also how many improvements can be applied. To investigate how much an industry-oriented modeling software can help small and medium-sized companies, an electrified material handler is modeled using Simscape. The modeling of the main four subsystems is presented (energy storage, electric motor, mechanics, and hydraulics), and the most important movements are compared with experimental data. While focusing on the real objectives of this work, simulation and real-world testing show a good match. Indeed, even if the modeling of other subsystems is needed for more in-depth and accurate analysis, it is shown how industry-oriented software can be used to model complex subsystems and to get sensible results. Lastly, two different approaches are analyzed by simulating the model over a personalized and realistic duty cycle. First, without changing anything of the current control strategy of the machinery, one reference velocity is proposed to balance energy consumption and productivity. The empirical results of the manufacturer of the hydraulic material handler confirm this trend, highlighting the good applicability of the model. Second, a new strategy based on the control of the electric motor speed is proposed and simulated. The results show the possibility of reducing energy consumption, but some components need to be modeled more in-depth to reach better accuracy and even lower results. Nonetheless, it proves how much the system can be improved without changing any component, by relying on transient-state design and using the additional control variables enabled by electrification. Furthermore, it is shown how much an industry-oriented modeling software can help SMEs during this important phase

Hierarchical power management in vehicle systems

This dissertation presents a hierarchical model predictive control (MPC) framework for energy management onboard vehicle systems. High performance vehicle systems such as commercial and military aircraft, on- and off-road vehicles, and ships present a unique control challenge, where maximizing performance requires optimizing the generation, storage, distribution, and utilization of energy throughout the entire system and over the duration of operation. The proposed hierarchical approach decomposes control of the vehicle among multiple controllers operating at each level of the hierarchy. Each controller has a model of a corresponding portion of the system for predicting future behavior based on current and future control decisions and known disturbances. To capture the energy storage and power flow throughout the vehicle, a graph-based modeling framework is proposed, where vertices represent capacitive elements that store energy and edges represent paths for power flow between these capacitive elements. For systems with a general nonlinear form of power flow, closed-loop stability is established through local subsystem analysis based on passivity. The ability to assess system-wide stability from local subsystem analysis follows from the particular structure of the interconnections between each subsystem, their corresponding controller, and neighboring subsystems. For systems with a linear form of power flow, robust feasibility of state and actuator constraints is achieved using a constraint tightening approach when formulating each MPC controller. Finally, the hierarchical control framework is applied to an example thermal fluid system that represents the fuel thermal management system of an aircraft. Simulation and experimental results clearly demonstrate the benefits of the proposed hierarchical control approach and the practical applicability to real physical systems with nonlinear dynamics, unknown disturbances, and actuator delays

Dimensionamiento, modelado e implementación de sistemas de distribución de potencia aplicados a vehículos eléctricos híbridos basados en pilas de combustible

El creciente problema medioambiental que se sufre a nivel global, que se manifiesta a través de la contaminación atmosférica, partículas en suspensión, contaminación acústica, efecto invernadero, y calentamiento global, junto con el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, exige un cambio tecnológico que alcance a todos los sectores de la industria. Se prevé que el parque automovilístico mundial se duplicará entre el año 2015 y el año 2030, pasando de 800 millones a 1600 millones de vehículos, lo que pone de manifiesto la necesidad de que el cambio tecnológico alcance al campo de la automoción para asegurar una movilidad sostenible a largo plazo. Los principales fabricantes de vehículos, entre ellos Toyota, Renault, BMW, Peugeot y Nissan, han dado un primer paso hacia el vehículo limpio y energéticamente eficiente introduciendo en el mercado vehículos híbridos que combinan motores de combustión interna con baterías, como son los automóviles ActiveHybrid5, 3008 Hybrid4 y Toyota Prius, y vehículos eléctricos propulsados únicamente por baterías como pueden ser el Twizy, Fluence Ze, iOn, o Leaf. A pesar de que se estima una cuota de mercado en ventas de vehículos eléctricos del 2% en 2020 y entre el 11% y el 30% en 2030, aún quedan barreras tecnológicas por vencer, que impiden la sustitución definitiva de los vehículos de combustión interna. Los vehículos propulsados por pilas de combustible empiezan a ser considerados como una alternativa firme a los vehículos puramente eléctricos, a pesar de la necesidad de mejorar aspectos tecnológicos relacionados con el almacenamiento del hidrógeno, la creación de redes de distribución de hidrógeno, reducción de costes del vehículo, etc. Honda ya ha presentado el primer vehículo propulsado por una pila de combustible de fabricación en serie, el modelo FCX Clarity, con una autonomía de 460km y velocidad máxima de 160km/h. De momento se fabrica en Japón y se comercializa en Japón y en California, con una previsión de comercialización en Europa en 2015. Por su parte, Hyundai ha iniciado la producción en serie del modelo ix35 FCEV en Corea del Sur, con un objetivo de producción de 10.000 unidades en 2015. De hecho, se han establecido diferentes alianzas entre grupos automovilísticos, que investigan de forma conjunta en el desarrollo del sistema de propulsión de vehículos basados en pilas de combustible, con objeto de llegar al mercado de masas lo antes posible. El sistema de distribución de potencia de un vehículo eléctrico propulsado por pilas de combustible está formado por una pila de combustible como fuente de energía principal, un conjunto de convertidores de potencia, unidireccionales o bidireccionales, y por sistemas acumuladores de energía, que suelen ser baterías y/o supercondensadores. En función del número, ubicación y naturaleza de los convertidores de potencia y de los sistemas acumuladores de energía, existen multitud de posibilidades en cuanto al diseño de una arquitectura de distribución de potencia, aún más si se tienen en cuenta la estrategia de control, la gestión de la potencia y el almacenamiento de la energía procedente del frenado regenerativo. Debido a la complejidad inherente a este tipo de sistemas, es necesario el uso de herramientas de simulación que permitan llevar a cabo un diseño y análisis óptimos del sistema de distribución de potencia eléctrica completo, para lo que resulta imprescindible disponer de modelos dinámicos de todos los subsistemas que integran una arquitectura de distribución de potencia, desde la pila de combustible hasta el propio vehículo. Por otro lado, tanto el dimensionamiento como la selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para un vehículo es una tarea compleja y con grandes repercusiones sobre la masa, volumen, coste, eficiencia, consumo y autonomía del vehículo. En este ámbito, las propuestas presentadas en esta tesis doctoral están relacionadas con el proceso de dimensionamiento, análisis, y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica más adecuado para una aplicación específica. Se proponen dos modelos de pila de combustible, uno para pilas con respuesta temporal sobreamortiguada, y otro para pilas con respuesta temporal impulsional-sobreamortiguada. Ambos modelos aportan simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y gran precisión en su comportamiento. Por otra parte, se propone un método de dimensionamiento óptimo para un sistema de propulsión completo, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible. Además, se presenta un mapa de soluciones en el que es fácilmente identificable cuál es la configuración del sistema de propulsión más adecuada, desde el punto de vista del coste, masa y volumen global, en función de la máxima potencia que entregue la pila de combustible. Y finalmente se demuestra cómo una adecuada gestión de la energía permite reducir el consumo de hidrógeno de la pila de combustible, habiendo realizado tanto un dimensionamiento óptimo como inadecuado de todos los subsistemas del sistema de propulsión. La descripción en detalle de todas las aportaciones se ofrece a lo largo del documento, que se estructura tal y como se describe a continuación. El primer capítulo ofrece una visión global del papel de la automoción, y más en concreto de los vehículos propulsados por pilas de combustible, baterías y supercondensadores, en el empeño y necesidad de migrar hacia el uso de energías respetuosas con el medio ambiente. En el segundo capítulo se hace una revisión del estado de la técnica de todos los subsistemas que forman un sistema de distribución de potencia eléctrica. En primer lugar se exploran las diferentes topologías de sistemas de propulsión que se han presentado en la literatura, así como las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. A continuación se estudian los diferentes modelos y técnicas de identificación de parámetros que existen para la pila de combustible, baterías y supercondensadores. En cuanto a los convertidores de potencia, se resumen brevemente las topologías más adecuadas para este tipo de arquitecturas de distribución de potencia, sus ventajas e inconvenientes. Posteriormente se describe qué tipos de motores de tracción pueden resultar más atractivos para aplicaciones de automoción. Y finalmente se analizan en detalle los procedimientos de dimensionamiento que existen para los diferentes sistemas de propulsión, así como las distintas técnicas que se pueden aplicar para alcanzar una adecuada gestión de la energía. El tercer capítulo detalla, una vez realizada la revisión del estado del arte e identificados los aspectos en los que se pueden ofrecer contribuciones a la técnica, cuáles son los objetivos y principales aportaciones que persigue esta tesis doctoral: dos modelos de pila de combustible para simulación a nivel de sistema, sencillos, fáciles de parametrizar y precisos; un procedimiento sencillo de dimensionamiento óptimo de sistemas de distribución de potencia eléctrica en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo mapa de soluciones en cuanto a qué sistema de distribución de potencia eléctrica resulta más adecuado implementar en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible; un completo análisis de los principales factores que influyen directamente sobre el dimensionamiento y selección del sistema de distribución de potencia eléctrica óptimo; y finalmente el análisis y comprobación de la necesidad de aplicar estrategias de gestión de la energía con el propósito de minimizar el consumo de hidrógeno de la pila de combustible. En el cuarto capítulo se describe el marco de aplicación de los sistemas de propulsión. En primer lugar se concretan las características básicas de los convertidores de potencia, sistemas acumuladores de energía, y pila de combustible. Además, se describen los perfiles de conducción que se van a aplicar al vehículo. Por último, se presentan las diez arquitecturas de distribución de potencia sobre las que se aplica el procedimiento de dimensionamiento óptimo propuesto. El capítulo quinto se dedica por completo a la descripción detallada del procedimiento de dimensionamiento óptimo que se aplica a los sistemas de distribución de potencia eléctrica basados en pilas de combustible, baterías y supercondensadores, y constituye una de las aportaciones originales de esta tesis doctoral. Mediante la aplicación de este método de dimensionamiento se ha podido identificar en qué rangos de la potencia máxima entregada por la pila de combustible resulta más adecuado el uso de baterías, supercondensadores, o ambos a la vez. No sólo se han establecido tres rangos diferentes de potencia, sino que además se han identificado cuáles son los valores limítrofes de potencia que minimizan la masa, volumen y coste globales de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Atendiendo a los límites de potencia de diseño, todos los sistemas de distribución de potencia eléctrica analizados se han clasificado de forma natural atendiendo al tipo de sistema acumulador de energía que implementan. Finalmente, el resultado final del proceso de dimensionamiento es un mapa de soluciones en el que se puede identificar qué tipo de sistema de distribución de potencia eléctrica es el más adecuado, junto con qué tecnología de sistema de acumulación de energía, en función de la máxima potencia que pueda entregar la pila de combustible, desde el punto de vista de la masa, volumen y coste global del sistema de propulsión. El capítulo sexto estudia detenidamente cuáles son las repercusiones, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, de aplicar diferentes perfiles de conducción sobre el vehículo: urbano, inter-urbano y de carretera. También se analiza la influencia de utilizar diferentes tecnologías de baterías, así como el impacto de extraer mayor o menor cantidad de energía de los sistemas acumuladores, tanto de las baterías como de los supercondensadores. Del mismo modo, se ha estudiado el efecto que ejerce sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, los diferentes valores de potencia mínima que deba entregar la pila de combustible. También se ha evaluado de qué manera afecta la máxima energía que deben suministrar las fuentes de energía secundarias en cada ciclo de conducción, respetando la especificación de tensión del bus de corriente continua, sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica. Finalmente, se ha analizado la repercusión sobre la masa, volumen y coste, así como sobre el mapa de soluciones, de que los sistemas acumuladores entreguen, ciclo a ciclo, una energía neta negativa, es decir, que la energía que entregan durante cada ciclo sea menor que la recibida del frenado regenerativo en dicho ciclo. En todos estos análisis, no sólo se han considerado las repercusiones sobre la masa, volumen y coste global de los sistemas de distribución de potencia eléctrica, sino que también se ha analizado cómo se ven modificados los rangos de potencia en los que se recomienda diseñar cada grupo de arquitecturas. El capítulo se cierra con un breve análisis de sensibilidad de costes. Con objeto de validar mediante simulación el procedimiento de dimensionamiento óptimo descrito, en el capítulo séptimo se describe el modelado de cada uno de los subsistemas que forman el tren de potencia de un vehículo propulsado por pilas de combustible, baterías y supercondensadores. Los dos modelos que se proponen de la pila de combustible son aportación original de este trabajo. Cada modelo reproduce uno de los dos tipos de respuesta transitoria específica que presentan las pilas de combustible. Sendos modelos se caracterizan por su simplicidad en la identificación de sus parámetros, implementación sencilla y precisión en su comportamiento. También destaca la descripción detallada que se efectúa sobre el modelado del conjunto driver-motor-vehículo, desde las ecuaciones eléctricas y mecánicas que describen su comportamiento, hasta la obtención del modelo de pequeña señal para diseñar los lazos de control, y el modelo de simulación eléctrica implementado en la herramienta de simulación. Una vez desarrollados los modelos de todos y cada uno de los subsistemas que forman las arquitecturas de distribución de potencia, el capítulo octavo se centra en el análisis mediante simulación eléctrica del comportamiento de un total de cuatro sistemas de distribución de potencia eléctrica, gobernados con lazos de control en modo corriente y en modo tensión. Cada sistema de distribución de potencia eléctrica se ha dimensionado de acuerdo al rango de potencia óptimo en el que se sugiere su diseño. Las simulaciones con lazos de control en modo corriente y en modo tensión se muestran para un único ciclo de conducción. Además, con el objetivo de verificar que el dimensionamiento de los sistemas de distribución de potencia eléctrica llevado a cabo es correcto, se presentan simulaciones de una jornada de funcionamiento del vehículo de ocho horas de duración. La validación experimental de los sistemas de distribución de potencia eléctrica se aborda en el capítulo noveno. En primer lugar se describe el diseño e implementación física de los convertidores de potencia y de los circuitos de control, que junto a las baterías y supercondensadores constituyen cada uno de los sistemas de distribución de potencia eléctrica que se implementan. A continuación, se presentan el conjunto de pruebas y medidas experimentales que se han llevado a cabo, y que dan veracidad al método de dimensionamiento presentado. En el capítulo décimo se analiza la repercusión de aplicar estrategias de gestión de la energía sobre los sistemas de propulsión. Para ello, se analiza y compara el comportamiento de las fuentes de energía (pila de combustible y batería) de un sistema de distribución de potencia eléctrica cuando está sujeto o no a la acción de este tipo de técnicas. Las conclusiones que se extraen de este capítulo se centran en el consumo de combustible (hidrógeno) a lo largo de una jornada laboral, y por tanto en el coste diario del hidrógeno consumido, y en el coste diario de la electricidad necesaria para recargar las baterías al final del día. El capítulo undécimo resume las conclusiones obtenidas a lo largo del documento, así como las aportaciones originales de este trabajo, y propone un conjunto de posibles trabajos futuros.Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Gabriel Garcerá Sanfelíu.- Vocal: Pedro Alou Cerver