Development of an innovative hybrid high-voltage storage concept for fuel cell vehicles with consideration of adequate operating strategies

This master thesis explores the integration of Skeleton SuperBatteries with cylindrical hydrogen tanks within a battery electric vehicle platform as part of a hybrid energy storage system for future fuel cell electric vehicles. The objective is to enhance the FCEV’s high voltage buffer storage’s capacity by optimization of space utilization in the vehicle’s underbody while maintaining safety, performance, and efficiency. The study addresses the challenge of fitting the SuperBatteries in the limited space available alongside hydrogen tanks ensuring effective cooling and mounting. The integration of the SuperBatteries in particular presents significant safety advantages, particularly in mitigating the risk of thermal runaway, making them suitable for proximity to hydrogen storage. The research also develops an operational strategy for managing the power supply from the emerging hybrid high voltage energy storage consisting of Li-ion batteries and SuperBatteries. The findings indicate that the incorporation of SuperBatteries and thus a hybrid high voltage storage enhances system longevity, reduces the load cycles on conventional batteries. Furthermore, the integration improves overall vehicle performance, particularly in demanding driving conditions. The work concludes that such an integration is feasible, offering a promising path toward achieving carbon-neutral transportation solutions, while maintaining high vehicle performance capabilities.

Questa tesi di laurea magistrale esplora l’integrazione delle SuperBattery Skeleton con serbatoi cilindrici di idrogeno all’interno di una piattaforma per veicoli elettrici a batteria, come parte di un sistema ibrido di stoccaggio dell’energia per i futuri veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV). L’obiettivo è quello di potenziare la capacità di accumulo ad alta tensione dei veicoli FCEV ottimizzando l’utilizzo dello spazio nel sottoscocca del veicolo e mantenendo al contempo sicurezza, prestazioni ed efficienza. Lo studio affronta la sfida di inserire le SuperBattery nello spazio limitato disponibile accanto ai serbatoi di idrogeno, garantendo un raffreddamento e un montaggio efficaci. L’integrazione delle SuperBattery, in particolare, presenta significativi vantaggi in termini di sicurezza, soprattutto per quanto riguarda la riduzione del rischio di fuga termica, rendendole adatte alla vicinanza con lo stoccaggio dell’idrogeno. La ricerca sviluppa anche una strategia operativa per gestire l’alimentazione da tecnologie emergenti come l'accumulo ibrido di energia ad alta tensione costituito da batterie agli ioni di litio e SuperBattery. I risultati indicano che l’integrazione delle SuperBattery e quindi di uno stoccaggio ibrido ad alta tensione aumenta la longevità del sistema, riduce i cicli di carico delle batterie convenzionali e migliora le prestazioni complessive del veicolo, soprattutto in condizioni di guida impegnative. Il lavoro conclude che tale integrazione è fattibile e offre un percorso promettente verso il raggiungimento di soluzioni di trasporto a zero emissioni di carbonio, pur mantenendo elevate le prestazioni del veicolo.