Sizing Stack and Battery of a Fuel Cell Hybrid Distribution Truck Dimensionnement pile et batterie d’un camion hybride à pile à combustible de distribution

• Main Authors: Tazelaar E., Shen Y., Veenhuizen P.A., Hofman T., van den Bosch P.P.J.
• Format: Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 2012-08-01
• Series: Oil & Gas Science and Technology
• Online Access: http://dx.doi.org/10.2516/ogst/2012014
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189

An existing fuel cell hybrid distribution truck, built for demonstration purposes, is used as a case study to investigate the effect of stack (kW) and battery (kW, kWh) sizes on the hydrogen consumption of the vehicle. Three driving cycles, the NEDC for Low Power vehicles, CSC and JE05 cycle, define the driving requirements for the vehicle. The Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) is used for determining the control setpoint for the fuel cell and battery system. It closely approximates the global minimum in fuel consumption, set by Dynamic Programming (DP). Using DP the sizing problem can be solved but ECMS can also be implemented real-time. For the considered vehicle and hardware, all three driving cycles result in optimal sizes for the fuel cell stack of approximately three times the average drive power demand. This demonstrates that sizing the fuel cell stack the average or maximum power demand is not necessarily optimal with respect to a minimum fuel consumption. The battery is sized to deliver the difference between specified stack power and the peak power in the total power demand. The sizing of the battery is dominated by its power handling capabilities. Therefore, a higher maximum C-rate leads to a lower battery weight which in turn leads to a lower hydrogen consumption. The energy storage capacity of the battery only becomes an issue for C-rates over 30. Compared to a Range Extender (RE) configuration, where the stack size is comparable to the average power demand and the stack is operated on a constant power level, optimal stack and battery sizes with ECMS as EnergyManagement Strategy significantly reduce the fuel consumption. Compared to a RE strategy, ECMS makes much better use of the combined power available from the fuel cell stack and the battery, resulting in a lower fuel consumption but also enabling a lower battery weight which consequently leads to improved payload capabilities. <br> Un camion hybride, utilisant une pile à combustible et construit à des fins de démonstration, sert de base à l’étude de l’effet de la taille de la pile (kW) et de la batterie (kW, kWh) sur la consommation d’hydrogène du véhicule. Trois cycles de vitesse définissent les conditions spécifiques de conduite du véhicule : le NEDC pour les véhicules de faible puissance, le CSC et le cycle JE05. L’ECMS (Equivalent Consumption Minimization Strategy) est utilisée pour déterminer les consignes pour la pile à combustible et la batterie. Cette stratégie de commande permet d’atteindre une consommation proche du minimum global, obtenu par la programmation dynamique (DP). Le problème de dimensionnement peut être résolu en utilisant la programmation dynamique et l’ECMS a l’avantage, par rapport à la programmation dynamique, de pouvoir être mise en oeuvre en temps réel. Pour le véhicule et matériels considérés, les trois cycles de conduite permettent d’obtenir les puissances nominales optimales pour la pile à combustible à savoir environ trois fois la puissance moyenne demandée par le conducteur. Cela montre que le dimensionnement de la pile à combustible pour la puissance moyenne ou maximale, n’est pas nécessairement optimale vis-à-vis de la sobriété en carburant. La batterie est dimensionnée pour fournir la différence entre la puissance nominale de la pile à combustible et le pic de puissance dans la demande totale en puissance électrique. Le dimensionnement de la batterie est dominée par ses capacités de tenue en puissance. Par conséquent, un taux plus haut entre kW et kWh cause une diminution du poids de la batterie qui à son tour conduit à une consommation d’hydrogène plus basse. La capacité de stockage d’énergie de la batterie ne devient un problème que pour les taux de C-ratio supérieurs à 30. Par rapport à un prolongateur d’autonomie (RE) où la taille de la pile est comparable à la puissance moyenne et où la pile est exploitée sur un niveau de puissance constant, les tailles optimales de piles et de batteries combinée avec ECMS, réduisent significativement la consommation d’hydrogène. Comparé à une stratégie de type RE, l’ECMS fait un bien meilleur usage de la puissance combinée de la pile à combustible et de la batterie, ce qui conduit à une consommation d’hydrogène plus faible et permet également de réduire le poids de la batterie et donc d’améliorer la charge utile.