Analisi e confronto di diverse strategie di controllo per la gestione del sistema di raffreddamento di una cella a combustibile PEM

Abstract

Questa tesi mira a individuare una strategia di controllo efficace per mantenere la temperatura di un sistema PEMFC entro l’intervallo operativo richiesto. La temperatura dello stack è un parametro chiave nella gestione termica della cella a combustibile, poiché mantenerla nei limiti desiderati garantisce una corretta idratazione della membrana, principale fattore legato al degrado della PEMFC. Inoltre, strategie di controllo capaci di seguire dinamiche rapide senza causare stress eccessivo permettono alla cella di gestire variazioni di carico più ampie. È stato sviluppato in MATLAB/Simulink un modello dinamico del sistema PEMFC, validato con dati sperimentali ottenuti dai Factory Acceptance Tests (FAT) di un sistema reale e accoppiato a un modello di circuito di raffreddamento tradizionale. Dopo aver testato la strategia di controllo tradizionale, in cui un PID regola la valvola per mantenere la temperatura d’ingresso dello stack e un altro controllore sulla pompa gestisce la differenza di temperatura regolando la portata, sono stati esplorati diversi approcci innovativi per migliorare le prestazioni del sistema mantenendo la temperatura d’uscita del raffreddamento il più vicina possibile al setpoint. Fissando la velocità di rotazione della pompa (eliminando l’inverter e riducendo i costi), sono stati analizzati tre nuovi approcci di controllo per la gestione della valvola e della temperatura d’uscita. Il primo impiega un controllore PI, il secondo combina PI e Feed Forward per migliorarne la risposta, mentre il terzo introduce un approccio predittivo: un Reference Governor (RG) è stato implementato come controllore di livello superiore al PI, in grado di adattarne il setpoint per ottimizzare le prestazioni e mantenere le variabili di stato entro i vincoli desiderati. Infine, sono state confrontate le prestazioni dei diversi controllori.

This thesis aims to identify an effective control strategy capable of maintaining the temperature of a PEMFC system within the required operating range. The stack temperature is a key parameter in the thermal management of the fuel cell, as keeping it within the desired limits ensures proper membrane hydration, the main factor correlated with PEMFC degradation. Moreover, control strategies that allow the system to follow rapid dynamics without inducing excessive stress enable the Fuel Cell to handle larger load variations. A dynamic model of the PEMFC system was developed in MATLAB/Simulink and validated using experimental data obtained from the Factory Acceptance Tests (FAT) of a real system and then coupled with a traditional cooling circuit model. After testing the traditional control strategy for thermal management, where a PID controller regulates the valve to maintain the inlet temperature of the stack and another controller applied on the pump manages the temperature difference across it by regulating the mass flow rate, several innovative approaches were explored to further improve overall system performance by keeping the cooling outlet temperature as close as possible to the setpoint. By fixing the pump’s rotational speed (thus eliminating the need for an inverter and reducing system cost), three new control approaches were investigated for managing the valve and controlling the cooling outlet temperature. The first employed a simple PI controller, the second coupled the PI with a Feed Forward control to enhance its response, and the third introduced a predictive approach: a Reference Governor (RG) was implemented as an upper-level controller above the PI, capable of adjusting its setpoint to improve control performance and maintain the state variables within the desired constraints. Finally, the performances of the different controllers were compared.