abstract: The greenhouse gases in the atmosphere have reached a highest level due to high number of vehicles. A Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle (FCHEV) has zero greenhouse gas emissions compared to conventional ICE vehicles or Hybrid Electric Vehicles and hence is a better alternative. All Electric Vehicle (AEVs) have longer charging time which is unfavorable. A fully charged battery gives less range compared to a FCHEV with a full hydrogen tank. So FCHEV has an advantage of a quick fuel up and more mileage than AEVs. A Proton Electron Membrane Fuel Cell (PEMFC) is the commonly used kind of fuel cell vehicles but it possesses slow current dynamics and hence not suitable to be the sole power source in a vehicle. Therefore, improving the transient power capabilities of fuel cell to satisfy the road load demand is critical. This research studies integration of Ultra-Capacitor (UC) to FCHEV. The objective is to analyze the effect of integrating UCs on the transient response of FCHEV powertrain. UCs has higher power density which can overcome slow dynamics of fuel cell. A power management strategy utilizing peak power shaving strategy is implemented. The goal is to decrease power load on batteries and operate fuel cell stack in it’s most efficient region. Complete model to simulate the physical behavior of UC-Integrated FCHEV (UC-FCHEV) is developed using Matlab/SIMULINK. The fuel cell polarization curve is utilized to devise operating points of the fuel cell to maintain its operation at most efficient region. Results show reduction of hydrogen consumption in aggressive US06 drive cycle from 0.29 kg per drive cycle to 0.12 kg. The maximum charge/discharge battery current was reduced from 286 amperes to 110 amperes in US06 drive cycle. Results for the FUDS drive cycle show a reduction in fuel consumption from 0.18 kg to 0.05 kg in one drive cycle. This reduction in current increases the life of the battery since its protected from overcurrent. The SOC profile of the battery also shows that the battery is not discharged to its minimum threshold which increasing the health of the battery based on number of charge/discharge cycles. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2017

La nature intermittente et aléatoire des sources renouvelables, telles que le photovoltaïque et l’éolien, nécessite un complément de stockage, tel une batterie et un système de secours énergétique, tel un générateur diesel, en particulier dans un système autonome. En ce qui concerne le générateur diesel, il a besoin d'un certain temps pour démarrer et il ne peut pas donner immédiatement la puissance nécessaire, en raison de son comportement dynamique. Alors, la qualité de l'énergie est abaissée pendant cette période en raison du manque de puissance. Par conséquent, pendant la période de démarrage du générateur diesel, un supercondensateur est suggéré pour équilibrer la puissance en raison de sa réponse rapide et de sa densité de puissance élevée. Une stratégie de contrôle de puissance est proposée pour réaliser la coordination entre le générateur diesel et le supercondensateur. La simulation et les résultats expérimentaux montrent que la stratégie de contrôle proposée est capable de réguler la tension du bus continu dans des limites acceptables et d’alimenter la charge pendant la sous production d'énergie renouvelable ou lors d'augmentation de la demande de la charge. De plus, le supercondensateur peut également être utilisé pour surmonter les limites de stockage électrochimique telles que son état de charge et son courant maximal. Ainsi, cette thèse propose le contrôle de puissance en temps réel pour un micro réseau continu avec un système hybride photovoltaïque-batterie-supercondensateur-diesel, visant à répondre à la demande de puissance de charge avec fiabilité et à stabiliser de la tension du bus continu. La simulation et les résultats expérimentaux montrent également que la stratégie de contrôle améliore les performances dynamiques et statiques du micro réseau continu pour différentes conditions de fonctionnement. De plus, afin de minimiser le coût énergétique du groupe diesel, le coût du carburant et la consommation de carburant sont analysés à travers plusieurs tests expérimentaux. Par conséquent, la valeur optimale de sa production d'énergie est déduite et appliquée dans une nouvelle stratégie de gestion de la puissance est proposée. Cette stratégie peut atteindre l'objectif de maximiser l'utilisation de l'énergie photovoltaïque et de prendre en compte la caractéristique de démarrage lent et le coût énergétique du générateur diesel. Les simulations et expérimentations sont réalisées en utilisant des données photovoltaïques réelles pour illustrer les performances et le comportement du système hybride. Les résultats obtenus vérifient l'efficacité de cette stratégie. De plus la comparaison avec la stratégie de gestion de la puissance précédente, dans laquelle le coût d’énergie du générateur diesel n'est pas pris en compte, démontre que la nouvelle stratégie de gestion peut réduire le coût total du système de puissance à courant continu hybride. / The intermittent and random nature of renewable sources, such as photovoltaic and wind turbine, asks for the complement of storage, such as battery and back-up energy, such as diesel generator, especially in a standalone power system. Concerning the diesel generator, it needs some time to start up and cannot immediately offer the needed power, due to its dynamic behavior. Hence, the power quality is lowered down during this period because of the shortage of power. Therefore, during the period of the diesel generator starting up, a supercapacitor is suggested to compensate the power balance because of its fast response and high power density. A power control strategy is proposed to achieve the coordination between diesel generator and supercapacitor. Both simulation and experimental results show that the proposed control strategy is able to regulate the DC bus voltage within the acceptable limits and supplying the load during the renewable power under generation or load step-increase situations. In addition, the supercapacitor can be also used to overcome the electrochemical storage limits like its state of charge and maximum current. So, this thesis proposes the real time power control for a hybrid photovoltaic-battery-supercapacitor-diesel generator DC microgrid system, aiming to meet the load power demand with reliability and stabilizing the DC bus voltage. Both simulation and experimental results show that the designed control strategy improves the DC microgrid dynamic and static performances under different operating conditions. Furthermore, in order to minimize the diesel generator energy cost, the fuel cost and fuel consumption are analysed through several experimental tests. Therefore, the optimal value of its power generation is deduced and applied in a newly proposed energy management strategy. This strategy can achieve the goal of maximizing the utilization of photovoltaic energy and taking into account the slow start-up characteristic and energy cost of diesel generator. Both simulation and experimental studies are carried out by using the real photovoltaic data to illustrate the performance and the behavior of the hybrid system. The obtained results verify the effectiveness of this strategy. Furthermore, the comparison with the previous energy management strategy, in which the diesel generator energy cost is not considered, demonstrates that the newly proposed energy management strategy can reduce the total cost of the hybrid DC power system.