Dynamic simulation of hybrid fuel cell-battery model with operating mode energy management system for application in passenger vehicles

Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles are growing to be an increasingly popular choice to combat the environmental crisis, while, at the same time, paving the road towards a hydrogen economy. Their high efficiency, high power density, low operating temperatures (<100 degree C), high flexibility in operation and modularity are making them an attractive alternative to both automotive makers and customers alike. Thus, a comprehensive design and assessment of the vehicle, which includes transient behavior and energy distribution gains prime importance in research. In this technological context, numerical modelling becomes an important, cost effective tool in investigating the effect of design parameters on the energy sources and their efficient operation and life cycle assessment. This work presents the development of a Fuel Cell – Battery Hybrid electric model with particular focus on the Energy Management strategy. The model of each energy source is validated with experimental data and the performance based on major physical phenomena is assessed. A comprehensive system simulation is conducted and validated using drive cycles to optimize the EMS parameters and evaluate their effects on the operation of each of the energy sources in order to propose the strategy that results in the best system performance.

I veicoli elettrici ibridi a celle a combustibile stanno diventando una scelta sempre più popolare per combattere la crisi ambientale, mentre, allo stesso tempo, spianano la strada verso un'economia dell'idrogeno. La loro alta efficienza, alta densità di potenza, bassa temperatura operativa (<100 °C), elevata flessibilità di funzionamento e modularità li rendono un'alternativa interessante sia per i produttori di autoveicoli che per i clienti. Pertanto, una progettazione e una valutazione completa del veicolo, che includa il comportamento transitorio e la distribuzione dell'energia, acquisisce un'importanza primaria nella ricerca. In questo contesto tecnologico, la modellazione numerica diventa uno strumento importante ed economico per studiare l'effetto dei parametri di progettazione sulle fonti di energia e il loro funzionamento efficiente e la valutazione del ciclo di vita. Questo lavoro presenta lo sviluppo di un modello elettrico ibrido con cella a combustibile con particolare attenzione al sistema di gestione dell’energia. Il modello di ciascuna fonte energetica viene validato con dati sperimentali e vengono valutate le prestazioni basate sui principali fenomeni fisici. Viene condotta e convalidata una simulazione completa del sistema utilizzando cicli di guida per ottimizzare i parametri EMS e valutare i loro effetti sul funzionamento di ciascuna delle fonti di energia al fine di proporre la strategia che permette di avere le migliori prestazioni del sistema.