Modelling, Control, and Optimization of Fuel Cell Hybrid Trucks

Populärvetenskaplig sammanfattningIdag förväntar vi oss att kunna klicka hem varor med leverans dagen därpå, vilket ställer enorma krav på Sveriges lastbilsflotta.Samtidigt ser vi konsekvenserna av vårt hundraåriga missbruk av fossila bränslen i form av smältande glaciärer och extrema oväder.Med dagens teknik är situationen ohållbar, och därför sker inom transportsektorn en långsam utfasning av fossila bränslen.Målet är en fordonsflotta utan netto-utsläpp, vilket förutspås bli en kombination av förbränningsmotorer med förnybara bränslen och hel-elektriska drivlinor.Hel-elektriska drivlinor har under det senaste decenniet lyckats slå rot i personbilssektorn, både ekonomiskt och kulturellt.Ett motsvarande marknadsgenomslag har inte skett för lastbilar, vilket speglar de särskilda utmaningar som tyngre fordon utsätts för.Lätt lastade och periodiskt använda fordon lämpar sig väl för batteri-baserade drivlinor, då batteriet i sig kan användas som ett bärande element i chassit och då naturliga laddningstillfällen uppstår när fordonet ej är i bruk, såsom när brukaren är på jobbet eller sover.Så är inte fallet för tyngre transportfordon, som mer eller mindre brukas oavbrutet i den möjligaste mån, och där batteriets vikt i yttersta grad försämrar fordonets lastkapacitet och lönsamhet.Jämfört med moderna batterier så har trycksatt vätgas en mycket hög energitäthet.Bränslecellen, en elektrokemisk apparat som spjälkar vätgas till vatten och energi, har därför länge används som ett alternativ till batterier när vikt är kritiskt, till exempel i rymdfarkoster.Däremot så lider bränslecellen av ett antal brister som gör att tekniken hittills aldrig fått ett genombrott i fordonsindustrin.Av största relevans är bränslecellens oförmåga att leverera en dynamisk effekt på ett hållbart sätt.Livslängden av en bränslecell är nämligen starkt beroende av ett mjukt och långsamt skiftande effektuttag, vilket är oförenligt med de påfrestningar som uppstår i vardaglig trafik.Därför anses hybriddrivlinan, kombinationen av både batteri och bränslecell, som en möjlig lösning för tunga fordon.Samtidigt som bränslecellen levererar en jämn effekt för att täcka fordonents medelbehov, kan batteriet ta hand om stora och oregelbundna laster, till exempel då fordonet möts av en brant uppförsbacke.Således används respektive energikälla enligt sina styrkor, vilket gör att hybriddrivlinan som helhet kan uppnå en gentemot dieselmotorn konkurrenskraftig räckvidd och påfyllnadstid.Men oavsett fördelarna med elektrifiering så ser nutidsläget ut så att få lastbilar på vägarna bär elektriska drivlinor, och än färre bränsleceller.Även iii iv Populärvetenskaplig sammanfattning om potentialen för bränslecellshybriden är stor, så måste ett antal tekniska utmaningar lösas innan ett genombrott kan ske.Två av dessa utmaningar avhandlas i denna text: energiallokeringsproblemet och kylningsproblemet.En hybriddrivlina innebär en extra frihetsgrad: det måste finnas ett styrsystem ombord som bestämmer hur mycket effekt som ska levereras av vardera energikälla.Energiallokering är ett inneboende problem för hybriddrivlinor generellt, och har existerat som sitt eget forskningsområde sen 90-talet då kombinationen av batteri och förbränningsmotor slog igenom.Många av de metoder och tekniker som utvecklades då är direkt överförbara till bränslecellshybriden, givet att bränslecellens ovan nämnda styrkor och svagheter iaktas.Kylningsproblemet är någorlunda mer konkret: det är svårt att kyla bränsleceller i varma klimat.En stor del av värmeenergin som utvecklas i dieselmotorn förs bort med avgaserna, vilket minskar bördan för kylsystemet.Samtidigt arbetar motorn på en högre temperatur än vad som är lämpligt för dagens bränslecellsmaterial, vilket underlättar ytterligare, särskilt då omgivningstemperaturen är hög.Följaktligen kräver en bränslecell ett mycket större kylsystem för att producera samma effekt som en dieselmotor, vilket påverkar lönsamheten på fordonet.I avhandlingen angrips energiallokerings och kylningsproblemet med matematiska metoder.Tillvägagångssättet är genomgående modellbaserat: en matematisk modell av ett fordon upprättas och digitala experiment används både för att hitta energi-styrstrategier och för att analysera kylprestanda.Modellbygget, som representerar en väsentlig del av avhandlingen, ligger till grund för alla resultat men är också av vetenskapligt värde i sin egen rätt.Modellerna har lanserats i en enhetlig simuleringsmiljö med öppen källkod vilket, utöver ett antal examensarbeten, har sporrat samarbete med universitet världen över och föranlett en tävling där sex forskarlag bidrog med lösningar till energiallokeringsproblemet.First, a big thank you to my colleagues at the Vehicular Systems Division.Thank you Lars Nielsen and Erik Frisk for steering this ship, and Daniel Jung for being my co-supervisor.Next, thank you Erik Höckerdal at Scania, Jelena Andric and Johan Lindberg at Volvo, Bercelay Niebles Atencio at Epiroc, and particularly Olof Erlandsson at TitanX for all the help you've