Optimization of energy management strategy and sizing for enhanced global efficiency in hybrid electric vehicles

Abstract

Under the banner of sustainable transportation, fuel cell vehicles (FCV) have become a matter of fascination in today’s ever-growing need to save fossil fuels and reduce greenhouse gas emissions (GHG), addressing the 3Es challenges (Efficiency, Economy, and Environment). However, one of the most pressing issues at the moment is determining how to incorporate the optimal sizing and energy management strategy (EMS) into FCVs, additionally one of the big challenges in FC-HEV is the thermal control of PEMFCs stack temperatures always close to 90 °C. Besides that, the biggest challenge of all is how to combine these challenges into a fuel cell hybrid electric vehicle at the same time This work offers a new effective path by energy management strategy optimization and multi-objective optimization simultaneously in a fuel cell hybrid electric vehicle (FCHEV) for achieving the challenges of 3Es (Efficiency, Economy, and Environment). In summary, the following are the work's primary contributions to the literature: To begin with, an in-house optimization code was developed to create an FCHEV application via a MATLAB Softwar16 GUI feature for simulating a FCV using a MOPSO algorithm for minimizing the multi-objective function, which is essentially made up of the in-vestment cost, operating cost, and component weight (FC, battery, and SC). The MOPSO algorithm determined the ideal sizes of the FC, SC, and battery based on driving circumstances and minimized the fitness function. Second, the optimal sizing and best type of battery and supercapacitor were selected for FC-HEV. Thirdly, and this is considered the most important contribution of this paper the effect of the temperature of the fuel cell on the fuel consumption in the electric vehicle was shown, in addition, a thermal controller was created to maintain a fuel cell temperature of 90°C, then we noted its effect on fuel consumption. It should be noted that the addition of the thermal control system will reduce fuel consumption by more than 3.47 % in the Artemis driving cycle of 2077 seconds. Considering driving cycles larger than the Artemis driving cycle, the impact on fuel consumption will be very significant

Sous la bannière du transport durable, les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (FC-HEV) sont devenus un sujet de fascination dans le besoin toujours croissant d'économiser les combustibles fossiles et de réduire les émissions de gaz à effet de serre, répondant aux défis 3E (Efficacité, Économie et Environnement). Cependant, l'un des problèmes les plus urgents à l'heure actuelle est de déterminer comment intégrer la stratégie optimale de dimensionnement et de gestion de l'énergie (EMS) dans les FC-HEV. De plus, l'un des grands défis des véhicules électriques hybrides à pile à combustible est le contrôle thermique de la pile des PEMFC. Températures toujours proches de 90 °C. En plus de cela, le plus grand défi de tous est de savoir comment combiner ces défis dans un véhicule électrique hybride à pile à combustible en même temps. Ce travail présente une nouvelle approche efficace par l'optimisation de la stratégie de gestion de l'énergie et l'optimisation multi-objectifs simultanément dans un FCHEV pour atteindre les défis des 3E (Efficacité, Economie et Environnement). En résumé, voici les principales contributions du travail à la littérature : pour commencer, un code d'optimisation interne a été développé pour créer une application FCHEV via une fonctionnalité d'interface graphique MATLAB Softwar16 pour simuler un véhicule électrique hybride alimenté par pile à combustible à l'aide d'un MOPSO algorithme de minimisation de la fonction multi-objectif, qui est essentiellement composée du coût d'investissement, du coût de fonctionnement et du poids des composants (FC, batterie et SC). L'algorithme MOPSO a déterminé les tailles idéales du FC, du SC et de la batterie en fonction des circonstances de conduite et a minimisé la fonction de fitness. Deuxièmement, le dimensionnement optimal et le meilleur type de batterie et de supercondensateur ont été sélectionnés pour le FC-HEV. Troisièmement, et ceci est considéré comme la contribution la plus importante de cet article, l'effet de la température de la pile à combustible sur la consommation de carburant dans le véhicule électrique a été montré, en plus, un contrôleur thermique a été créé pour maintenir une température de la pile à combustible de 90° C, puis nous avons noté son effet sur la consommation de carburant. Il convient de noter que l'ajout du système de contrôle thermique réduira la consommation de carburant de plus de 3,47 % dans le cycle de conduite Artemis de 2077 secondes. Compte tenu des cycles de conduite plus longs que le cycle de conduite Artemis, l'impact sur la consommation de carburant sera très important

تحت شعار النقل المستدام، أصبحت المركبات الكهربائية الهجينة التي تعمل بخلايا الوقود (FC-HEV) مسألة جذب في الحاجة المتزايدة اليوم لتوفير الوقود الأحفوري وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ومعالجة تحديات الثلاثة (الكفاءة والاقتصاد والبيئة). ومع ذلك، فإن إحدى أكثر القضايا إلحاحًا في الوقت الحالي هي تحديد كيفية دمج استراتيجية إدارة الطاقة والتحجيم الأمثل في السيارة الكهربائية، بالإضافة إلى أن أحد التحديات الكبيرة في السيارات الكهربائية الهجينة بخلايا الوقود هو التحكم الحراري في مكدس. تمثل درجات الحرارة القريبة من 90 درجة مئوية درجة التشغيل المثلى لخلية الوقود، لذلك من التحديات الحفاظ على درجة حرارة المكدس قريبة من 90 درجة مئوية. إلى جانب ذلك، فإن التحدي الأكبر للجميع هو كيفية دمج هذه التحديات في سيارة كهربائية هجينة تعمل بخلايا الوقود في نفس الوقت يقدم هذا العمل نهجًا فعالًا جديدًا من خلال تحسين استراتيجية إدارة الطاقة والتحسين متعدد الأهداف في وقت واحد في السيارة الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود لتحقيق تحديات الثلاثة (الكفاءة والاقتصاد والبيئة). باختصار، فيما يلي مساهمات العمل الأساسية في الأدبيات: بادئ ذي بدء، تم تطوير رمز تحسين داخلي لإنشاء تطبيق عبر ميزة MATLAB Softwar16 GUI لمحاكاة سيارة كهربائية هجينة تعمل بخلايا الوقود باستخدام تقنية سرب الجسيمات MO-PSO لتقليل الوظيفة متعددة الأهداف، والتي تتكون أساسًا من تكلفة الاستثمار، وتكلفة التشغيل، ووزن المكون (خلية الوقود، والبطارية، والمكثف الفائق). حددت خوارزمية MO-PSO الأحجام المثالية لـ خلية الوقود والمكثف الفائق والبطارية بناءً على ظروف القيادة. ثانيًا، تم اختيار الحجم الأمثل وأفضل نوع للبطارية والمكثف الفائق لـ FC للسيارة الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود. ثالثاً، ومن أهم مساهمة هذا البحث تم توضيح تأثير درجة حرارة خلية الوقود على استهلاك الوقود في السيارة الكهربائية، بالإضافة إلى إنشاء جهاز تحكم حراري للحفاظ على درجة حرارة خلية الوقود بمقدار 90 درجة ثم لاحظنا تأثيره على استهلاك الوقود. وتجدر الإشارة إلى أن إضافة نظام التحكم الحراري قلل من استهلاك الوقود بحوالي من 3.47٪ في دورة قيادة أرتميس التي تبلغ 2077 ثانية. بالنظر إلى دورات القيادة الأكبر من دورة قيادة أرتميس، سيكون التأثير على استهلاك الوقود كبيرًا جدًا.