Predictive control of fuel cell hybrid construction machines

Abstract: Sedan industriella revolutionen har hastigheten av global uppvärmning och föroreningar i miljön ökat betydligt. Företag i fordonsindustrin arbetar aktivt för att göra sina produkter mer hållbara genom att bland annat minska utsläppen, minimera användningen av icke-förnybara resurser samt att återvinna. En batteridriven elbil (BEV) är en möjlig lösning för renare transport och marknaden har ökat signifikant. Men med den nuvarande batteriteknologin skulle stora byggmaskiner som grävmaskiner behöva tunga batterier för att möta sina energibehov, vilket ökar den totala vikten. Bränslecellshybriddrivna fordon (FCHEV) med vätgas är en potentiell lösning för medelstora och stora byggmaskiner som kombinerar bränsleceller och batterier för att tillhandahålla energin. Byggmaskiner har en växlande effekt och utför vanligtvis upprepande arbetsmönster, men en bränslecell reagerar långsammare på grund av den kemiska processen. Därför behövs ett effektivt energihanteringssystem för att möta effektbehovet, uppfylla systembegränsningar, minska vätgasförbrukningen samt att begränsa bränslecell- och batteridegraderingen. Syftet med denna avhandling är att utveckla en kontrollenhet och ett estimeringsinstrument för maskinbelastning för ett sådant FCHEV system. En ny energihanteringsstrategi föreslås genom att formulera den som ett optimeringsproblem och använda modellprediktiv reglering (MPC) för att minimera målfunktionen som involverar vätgasförbrukning och hastighetsbegränsningar. Kontrollenheten ger en optimal fördelning av bränslecell- och batterikraft över en tidsperiod som uppfyller det efterfrågade effektbehovet och följer systembegränsningarna. Maskinbelastningsestimeringen är baserad på autokorrelation och integreras med kontrollenheten. Estimeringsinstrumentet fungerar som en ingång till kontrollenheten som optimerar fördelningen av kraften mellan batteriet och bränslecellen. Jämfört med den tidigare realtidsfördelningsfunktionen för effekt som användes av Volvo Construction Equipment AB (Volvo CE) visade det sig att MPC kombinerat med autokorrelationsbaserad belastningsestimering främst använde ett mycket smalare fönster för batteriets laddningstillstånd (SoC), vilket öppnar upp möjligheten att minska batteristorleken i maskinen. Transienter i bränslecellens effekt minskar också, vilket minskar dess nedbrytning och förbättrar livslängden.