A COMPUTATIONALLY EFFICIENT ENERGY MANAGEMENT STRATEGY FOR A PLUG-IN FUEL-CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE COMPOSED OF A MULTI-INPUT CONVERTER

Abstract

Fuel cell vehicle technology has drawn wide attention because of the environmental and economic issues related to excessive usage of fossil fuels. Fuel cells are known for their unidirectional environmental friendly operation; however, they have low power density and suffer from slow dynamics. Therefore, a sole fuel cell system cannot meet the requirements of an electric vehicle whose power demand is quite dynamic. In a way of hybridizing a fuel cell with energy storage devices, it can be possible to overcome aforementioned problems. A plug-in fuel cell hybrid electric vehicle system, equipped with a battery and an ultra-capacitor, is proposed in this work. In this system, a single multi-input converter is utilized to control source energies. Moreover, this work develops a computationally efficient energy management strategy which is essentially a frequency decoupling method basically taking the advantage of easily applicable low pass filters. In this strategy, a polynomial scales the fuel cell and battery power levels to regulate ultra-capacitor voltage. The whole system is tested via a simulation model after the detailed analysis of the multi-input converter.

Keywords

• Fuel cell
• battery
• ultra-capacitor
• electric vehicles
• multi-input converter
• energy management

ÇOK GİRİŞLİ DÖNÜŞTÜRÜCÜDEN OLUŞAN ŞARJ EDİLEBİLİR YAKIT HÜCRELİ BİR HİBRİT ELEKTRİKLİ ARAÇ İÇİN HESAPLAYICI VERİMLİ BİR ENERJİ YÖNETİM YÖNTEMİ

Abstract

Fosil yakıtların aşırı kullanımının oluşturduğu çevresel ve ekonomik kaygılardan dolayı, yakıt hücreli araç teknolojisi oldukça ilgi çekmektedir. Yakıt hücresisistemleri tek yönlü çevre dostu işletimleriyle bilinmektedir, ancak güç yoğunlukları düşük ve tepki süreleri yavaştır. Dolayısıyla, bir yakıt hücresi sistemi, güç talebi oldukça dinamik olan bir elektrikli aracın ihtiyacına tek başına cevap verememektedir Yakıt hücresi sistemlerini enerji depolama sistemleri ile birlikte kullanarak bahsedilen problemlerin üstesinden gelinebilir. Bu çalışmada batarya ve ultra kapasitör içeren şarj edilebilir yakıt hücreli bir hibrit elektrikli araç sistemi sunulmaktadır. Bu sistemde, bir adet çok-girişli dönüştürücü kullanılarak kaynak enerjileri kontrol edilmektedir. Ayrıca, bu çalışma hesaplayıcı verimli bir enerji yönetim stratejisi geliştirmektedir. Temelde bu strateji kolay uygulanabilen alçak geçiren filtrelerden yararlanan bir frekans ayırma yöntemidir. Bu stratejide, bir polinom yakıt hücresi ve batarya güçlerini ölçeklendirerek ultra-kapasitör gerilimini regüle etmektedir. Tüm sistemin çalışması, çok girişli dönüştürücün detaylı analizinden sonra, bir benzetim çalışması ile test edilmektedir. 

Keywords

• Yakıt hücresi
• batarya
• ultra-kapasitör
• elektrikli araçlar
• çok-girişli dönüştürücü
• enerji yönetimi

References

1. Kelouwani, S., Agbossou, K., Dubé, Y., and Boulon, L., “Fuel cell plug-in hybrid electric vehicle anticipatory and real-time blended-mode energy management for battery life preservation”, Journal of Power Sources, 221, 406-418, 2013.
2. Salisbury, S., “Understanding fuel cell plug-in hybrid electric vehicle use, design, and functionality” Diss. Colorado State University. Libraries, 2014.
3. Marchesoni, M., and Camillo, V., New DC–DC converter for energy storage system interfacing in fuel cell hybrid electric vehicles” , IEEE Transactions on Power Electronics, 22, 1,301-308, 2007.
4. Nejabatkhah, F., Danyali, S., Hosseini, S. H., Sabahi, M., and Niapour, S. M., "Modeling and control of a new three-input DC–DC boost converter for hybrid PV/FC/battery power system." IEEE Transactions on Power Electronics, 27, 5, 2309-2324, 2012.
5. Wai, R. J., Lin, C. Y., Liaw, J. J., and Chang, Y. R., "Newly designed ZVS multi-input converter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58, 2, 555-566, 2011.
6. Bauman, J., and Kazerani, M, “A comparative study of fuel-cell–battery, fuel-cell–ultracapacitor, and fuel-cell–battery–ultracapacitor vehicles”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 57, 2, 760-769, 2008.
7. Hu, X., Johannesson, L., Murgovski, N., and Egardt, B., “Longevity-conscious dimensioning and power management of the hybrid energy storage system in a fuel cell hybrid electric bus”, Applied Energy, 137, 913-924, 2015.
8. García, P., Torreglosa, J. P., Fernández, L. M., and Jurado, F., “Control strategies for high-power electric vehicles powered by hydrogen fuel cell, battery and supercapacitor”, Expert Systems with Applications, 40, 12, 4791-4804, 2013.

9. Akar, F., Tavlasoglu, Y., and Vural, B., "Analysis and experimental verification of a multi-input converter for DC microgrid applications.", IET Power Electronics, 11,6, 1009-1017, 2014.
10. Akar, F.. "A Bidirectional 3-Input DC-DC Converter for Electrical Vehicles."İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 5, 2, 2016.
11. Zhang, X., Mi, C. C., Masrur, A., and Daniszewski, D., "Wavelet-transform-based power management of hybrid vehicles with multiple on-board energy sources including fuel cell, battery and ultracapacitor", Journal of Power Sources, 185, 2, 1533-1543, 2007.
12. Melero-Pérez, A., Gao, W., & Fernández-Lozano, J. J., "Fuzzy logic energy management strategy for fuel cell/ultracapacitor/battery hybrid vehicle with multiple-input DC/DC converter", Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009.
13. Campanari, S., Manzolini, G., and De la Iglesia, F. G., "Energy analysis of electric vehicles using batteries or fuel cells through well-to-wheel driving cycle simulations", Journal of Power Sources, 186, 2, 464-477, 2009.
14. .