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Design and simulation of a fuel cell hybrid emergency power system for a more electric aircraft : evaluation of energy management schemes

Njoya Motapon, Souleman (2013). Design and simulation of a fuel cell hybrid emergency power system for a more electric aircraft : evaluation of energy management schemes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

As the aircraft industries are moving toward more electric aircraft (MEA), the electrical peak load seen by the main and emergency generators becomes higher than in conventional aircraft. Consequently, there is a major concern regarding the aircraft emergency system, which consists of a ram air turbine (RAT) or air driven generator (ADG), to fulfill the load demand during critical situations; particularly at low aircraft speed where the output power is very low. A potential solution under study by most aircraft manufacturers is to replace the air turbine by a fuel cell hybrid system, consisting of fuel cell combined with other high power density sources such as supercapacitors or lithium-ion batteries.

To ensure the fuel cell hybrid system will be able to meet the load demand, it must be properly designed and an effective energy management strategy must be tested with real situations load profile. This work aims at designing a fuel cell emergency power system of a more electric aircraft and comparing different energy management schemes (EMS); with the goal to ensure the load demand is fully satisfied within the constraints of each energy source. The fuel cell hybrid system considered in this study consists of fuel cell, lithium-ion batteries and supercapacitors, along with associated DC-DC and DC-AC converters. The energy management schemes addressed are state-of-the-art, most commonly used energy management techniques in fuel cell vehicle applications and include: the state machine control strategy, the rule based fuzzy logic strategy, the classical PI control strategy, the frequency decoupling/fuzzy logic control strategy and the equivalent consumption minimization strategy (ECMS). Moreover, a new optimal scheme based on maximizing the instantaneous energy of batteries/supercapacitors, to improve the fuel economy is proposed. An off-line optimization based scheme is also developed to ascertain the validity of the proposed strategy in terms of fuel consumption.

The energy management schemes are compared based on the following criteria: the hydrogen consumption, the state of charges of the batteries and supercapacitors and the overall system efficiency. Moreover the stress on each energy source, which impacts their life cycle, are measured using a new approach based on the wavelet transform of their instantaneous power. A simulation model and an experimental test bench are developed to validate all analysis and performances.

The main results obtained are as follows: the state machine control scheme provided a slightly better efficiency and stresses on the batteries and supercapacitors. The classical PI control and the proposed scheme had the lowest fuel consumption and more use of the battery energy. As expected, the lowest fuel cell stress and lowest use of the battery energy was achieved with the frequency decoupling and fuzzy logic scheme, but at the expense of more fuel consumption and lower overall efficiency. The DC bus or supercapacitor voltage was maintained nearly constant for all the schemes. Also, the proposed strategy performed slightly better than the ECMS in terms of efficiency and fuel consumption, with an increase in fuel economy by 3 %.

The energy management scheme suitable for a MEA emergency system should be a multischeme EMS such that each scheme is chosen based on a specific criterion to prioritize. As an example, depending on the operating life of each energy source, the energy management strategy can be chosen to either minimise the stress on the fuel cell system, the battery system or supercapacitor system, hence maximizing the life cycle of the hybrid power system. Also if the target is to reduce the fuel consumption, the proposed or the classical PI strategies are better alternatives.

Titre traduit

Conception et simulation d'un système d'alimentation de secours pour un avion plus électrique: évaluation des systèmes de gestion d'énergie

Résumé traduit

Dans le but de réduire la consommation de combustibles fossiles et les coûts liés à la maintenance, l’industrie aéronautique vise à remplacer la plupart des systèmes hydrauliques et pneumatiques des avions conventionnels par des systèmes électriques. Ces nouveaux avions du futur sont appelés « avion plus électrique ». Dans ces avions plus électrique, l’augmentation de la demande électrique rend l’utilisation du système de secours actuel basé sur une éolienne traditionnelle impossible. Surtout lors des atterrissages et décollages où la puissance fournie par celle-ci est presque nulle. L’une des solutions considérée par les avionneurs est de remplacer l’éolienne par un système hybride basé sur une pile à hydrogène, assistée par les batteries et/ou les super condensateurs.

Afin de s’assurer que le système hybride pourra satisfaire à la demande, il doit être correctement conçu et une stratégie efficace de gestion d’énergie doit être testée avec un vrai profil de vol. Ce travail vise à concevoir un système d’alimentation de secours basé sur une pile à hydrogène pour un avion plus électrique, et à comparer différentes stratégies de gestion d’énergie; avec pour but de s’assurer que la demande en situation d’urgence est entièrement satisfaite, et ce, dans les limites de chaque source d’énergie. Le système hybride considéré est constitué d’une pile à hydrogène, d’un bac de batteries aux ions de lithium et de super condensateurs, ainsi que leur convertisseurs CC-CC et CC-CA associés. Les stratégies de gestion d’énergie considérées sont les plus courantes de l’état de l’art, utilisées dans les véhicules hybrides, à savoir: la stratégie de commande par état de la machine, la stratégie basée sur la logique floue, la stratégie de commande par régulateur PI, la stratégie de commande basée sur le découplage de la fréquence et la stratégie de minimisation de la consommation équivalente (ECMS). D’autre part, une nouvelle stratégie optimale basée sur la maximisation de l’énergie instantanée des batteries/super condensateurs, est proposée afin d’en améliorer l’économie en hydrogène. En plus, un algorithme basé sur l’optimisation hors-ligne a été également développé afin de valider la stratégie proposée.

Les critères principaux de comparaison des différentes stratégies sont les suivants: la consommation d’hydrogène, l’état de charge des batteries/super condensateurs et l’efficacité globale du système. En plus, le niveau de sollicitations de chaque source d’énergie, qui influence énormément leur cycle de vie, est mesuré avec une nouvelle approche basée sur la transformée en ondelettes de leur puissance instantanée.

Un modèle de simulation et un banc d’essai expérimental ont été développés pour valider toutes les analyses et les différentes performances. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : la stratégie de commande par état de la machine a fourni une performance légèrement meilleure en termes d’efficacité globale et du niveau de sollicitations des batteries et des super condensateurs. La stratégie de commande par régulateur PI et celle proposée ont eu la plus basse consommation d’hydrogène, mais avec un taux d’utilisation de l’énergie des batteries plus élevé. Comme prévu, le plus bas niveau de sollicitations de la pile à hydrogène ainsi que le plus bas taux d’utilisation de l’énergie des batteries ont été réalisés avec la stratégie de commande basée sur le découplage de la fréquence, mais aux dépens d’une consommation d’hydrogène plus élevée et d’une efficacité globale plus faible. Pour toutes les stratégies, la tension du bus DC ou des super condensateurs est presque maintenue constante. En outre, la stratégie proposée a été légèrement meilleure comparée à l’ECMS en termes de consommation d’hydrogène et d’efficacité globale avec une augmentation sur l’économie en hydrogène de 3 %.

La stratégie de gestion d’énergie appropriée au système de secours des avions plus électrique devrait être de type multi-stratégies telle que chaque stratégie est choisie basée sur un critère spécifique prioritaire. Par exemple, selon la durée de fonctionnement de chaque source d’énergie, la stratégie de gestion d’énergie peut être choisie avec pour but de réduire au minimum le niveau de sollicitations du système de pile à hydrogène, des batteries ou des super condensateurs, ainsi augmentant le cycle de vie du système d’alimentation hybride. Par ailleurs, si la cible est de réduire la consommation d’hydrogène, la stratégie proposée ou celle classique par régulateur PI sont de meilleurs candidats.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy" Bibliogr. : f. [127]-132.
Mots-clés libres: Alimentation électrique de secours. Avions. Éoliennes. Machines électriques. batteries, CC-CC, convertisseurs, électrique, énergie, évaluation, gestion, optimisation, pile à hydrogène, plus, super condensateurs, système hybride.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dessaint, Louis-A.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 17 avr. 2013 17:46
Dernière modification: 10 mars 2017 20:38
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1157

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