Versuchsstand: EBA-TEST
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsschwerpunkt Automotive der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (automotive.ovgu.de) werden im Projektbereich A „Energiewandlung & Antriebssysteme“ die energieeffiziente Elektroenergiebereitstellung durch ein PEM brennstoffzellenbasiertes Hilfsstromaggregat für das Kfz-Bordnetz, die Nachbildung des Fahrzeuggenerators an einem Antriebsteststand und ein realisiertes Kfz-Bordnetz untersucht. Die Notwendigkeit einer alternativen Energieversorgung zeigt der stetig steigende Elektroenergieverbrauch im Fahrzeug, welcher den Kraftstoffverbrauch erhöht und im Gegensatz zu den angestrebten Emissionsminderungen steht. Das Ziel des Projektes ist die Bordnetztopologie eines konventionellen Kfz um eine PEM Brennstoffzelle mit Akkumulator und Superkondensator zu erweitern und mittels eines intelligenten Energiemanagements eine emissionsfreie, zuverlässige und hocheffiziente Energieversorgung der elektrischen Fahrzeugkomponenten zu erreichen. Neben der Modellierung verschiedener Bordnetzarchitekturen und seinen Komponenten sowie der Entwicklung eines Energiemanagements konnten die theoretischen Betrachtungen an den geförderten Großgeräten (3x 300 W, 1x 4,5 kW PEM Brennstoffzellenanlagen, 1x Antriebsteststand, 1x Bordnetzsimulator) praktisch nachgewiesen werden. An den 300 W Anlagen wurden durch eine Vielzahl an Messungen Betriebsführungsstrategien und ein Diagnoseprogramm für PEM Brennstoffzellen erstellt. Entwickelte Überwachungsbaugruppen (Zellspannung- und Stromdichtemessung) sind in die Anlagen integriert, getestet und zur Zustandsbeschreibung der Brennstoffzellen genutzt worden. Die dynamischen Belastungsszenarien, die durch den variierenden Leistungsbezug der Bordnetzverbraucher auftreten, wurden zunächst an den 300 W Systemen für ein reales Bordnetz skaliert und nachgebildet. Aus diesen praktischen Erfahrungen erfolgten dann dynamische Belastungen an der 4,5 kW Brennstoffzellenanlage für verschiedene Szenarien (Winter-, Sommerfahrt), dessen Nettoleistung, die Bordnetzversorgung in Mittelklassefahrzeugen sicherstellt. Diese Daten sind in die Dimensionierung der Bordnetzspeicher eingeflossen und im Bordnetzversuchsstand implementiert worden. Daran werden die Leistungsflüsse über leistungselektronische Stellglieder durch das übergeordnete Energiemanagement koordiniert und ein optimales energetisches Zusammenspiel von Speichern und Brennstoffzelle unter Berücksichtigung von Gesamtwirkungsgrad und praxisrelevanter Betriebsführung (hohe Lebensdauer vor höchstmöglichem Wirkungsgrad) am Funktionsmuster getestet. Zur Untersuchung hilfsstromquellenunterstützter Bordnetze wurde ein Simulationstool entworfen, mit dem es möglich ist, alle relevanten Größen innerhalb des Bordnetzes rechnerisch zu ermitteln. Mit Hilfe eines Versuchsstandes, der mittels einer Hilfsstromquelle ein erweitertes Bordnetz nachbildet, wurden die Ergebnisse und Modelle der Simulation praktisch verifiziert. Am Antriebsversuchstand, der aus drei Maschinensätzen besteht, wird ein Verbrennungsmotor nachgebildet, der einen Generator antreibt und die übertragene mechanische Energie in elektrische umwandelt und das Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt. Die Verbraucher des Bordnetzes werden mit Hilfe einer elektronischen Last nachgebildet. Der Bordnetzsimulator besteht aus zwei Stromquellen, die zum einen den Generator und zum anderen eine Brennstoffzelle nachbilden. Als Energiespeicher dient eine Bleibatterie, wie sie in heutigen Kraftfahrzeugen üblicherweise verbaut wird. Als zusätzlicher Energiespeicher wird ein Doppelschichtkondensator für den Ausgleich dynamischer Vorgänge verwendet. Die Verbraucher eines Bordnetzes, wie Heizung, Pumpen oder Beleuchtung werden ebenfalls durch eine elektronische Last nachgebildet. Dazu wird dieser elektrischen Last ein Soll-Laststrom-Szenario vorgegeben. Die Ergebnisse aus den Messungen an den Brennstoffzellenanlagen, Antriebsteststand und Bordnetzsimulator zeigen, dass trotz des Mehrgewichtes der PEM Brennstoffzelle von 120kg inklusive der Wasserstoffspeicher sich der Kraftstoffverbrauch zwischen 0,5 und 1,3l pro 100km für ein Mittelklassefahrzeug reduziert. Die Versorgung des Bordnetzes ist durch die erweiterte Struktur bis zu einer Reichweite von 500km nach den erstellten Lastszenarien sichergestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Auslegung und Variation von Energiewandlern und Energiespeichern in einem erweiterten Kfz-Bordnetz. Engine.Tech - ATZ/TÜV Süd-Konferenz – Motor 2009, Wolfsburg, 23-24 Juni 2009
Teichert, C.; Lindemann, A.
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Hilfsstromversorgungen auf Brennstoffzellenbasis für den Fahrzeugeinsatz. VDI-Berichte 2030, Innovative Fahrzeugantriebe 2008, 6.-7. November 2008, Dresden, S. 479-486, ISBN: 978-3-18- 092030-6
Teichert, C.; Lindemann, A.
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Investigation of load profiles for power electronic converters in cars with fuel-cell based auxiliary power units. PCIM 2008, Nürnberg, Deutschland, 27.-29. Mai 2008
Teichert, C., Lindemann, A.
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Auslegung und Variation von Energiewandlern und Energiespeichern in einem erweiterten Kfz-Bordnetz. Hybrid- und Elektroantriebe für Kraftfahrzeuge, 22.-23 Juni 2009, Frankfurt am Main
Teichert, C.; Lindemann, A.
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Energy management of vehicle electrical system with auxiliary power unit. 5th International IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Dearborn, USA, 07.-11.09.2009
Käbisch, M.; Heuer, M.; Heideck, G.; Styczynski, Z. A.
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Guidline for the Investigation of PEM Fuel Cell Systems in Automotive Applications. EEEIC 2009, Karpacz, 10.-13.05.2009
Heuer, M.; Käbisch, M.; Heideck, G.; Styczynski, Z. A.
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PEM fuel cell system as an autonomous power supplier. IEEE 2009 PES General Meeting, Calgary, Alberta, Canada, 26.-30.07.2009
Heuer, M.; Käbisch, M.; Heideck, G.; Styczynski, Z. A.
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Controlling Methods for the Diagnostic of PEM Fuel Cells. 15th International Workshop on High Voltage Engineering, Wertach, 20.-24.09.2010
Heuer, M.
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Current Density Distribution Mapping in PEM Fuel Cells as an Instrument for Operational Measurements. Energies 2010, Issue 3, pp. 770-783, April 2010
Geske, M.; Heuer, M.; Heideck, G.; Styczynski, Z. A.
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Optimal Dimension and Operation of a PEM Fuel Cell based APU in a vehicle. 15th International Workshop on High Voltage Engineering, Wertach, 20.-24.09.2010
Käbisch, M.
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Variation of Generator and Storage in an Advanced Vehicle Electrical System. Hybrid Vehicles and Energy Management. Hybrid vehicles and energy management. Braunschweig: GZVB, S. 339-341, 2010
Teichert, C.; Käbisch, M.; Lindemann, A.; Styczynski, Z. A.
