Herausforderungen alternativer Antriebssysteme

Herausforderungen alternativer Antriebssysteme: Regelung der Brennstoffzelle

Stefan Jakubek, Daniel Ritzberger, Martin Vrlic & Christoph Hametner

Der alarmierende Anstieg von CO2-Emissionen sowie das Voranschreiten der globalen Erwärmung erfordern einen Paradigmenwechsel bei zukünftigen Mobilitätskonzepten. Eine mögliche Variante sind Fahrzeugantriebe, die ihre Antriebsleistung aus einer Brennstoffzelle beziehen. Dabei wird elektrische Energie direkt aus der im Wasserstoff gespeicherten chemischen Energie erzeugt.

Elektrofahrzeuge mit Batterie- und Brennstoffzellentechnologie (BZ) scheinen aufgrund ihrer Effizienz und Nullemissionscharakteristik ein vielversprechender Weg zu sein.

Control System of a fuel cell hybrid electric vehicle

Ausgehend von erneuerbaren Primärenergiequellen, durch welche der Wasserstoff via Elektrolyse bezogen wird, ergibt sich dadurch die Möglichkeit zur nachhaltigen Mobilität. Für den Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen sind allerdings noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen, welche sich vor allem auf die Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks konzentrieren. Die Regelung von Brennstoffzellensystemen spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Aus praktischer Sicht ist es nicht sinnvoll, nur einen Brennstoffzellen-Stack als alleinigen Energielieferanten einzusetzen. Vielmehr werden Brennstoffzellensysteme mit einem Energiespeichersystem, wie z.B. einem Batteriepaket, kombiniert. Der Grund dafür ist, dass bei der Bereitstellung der vom Fahrzeugsteuergerät bzw. Fahrer angeforderten Leistung die tatsächliche Leistungsänderung des Brennstoffzellen-Stacks durch Zeitkonstanten von mehreren Sekunden begrenzt werden muss, um z.B. Wasserstoff-und/ oder Sauerstoffmangel zu vermeiden, um Schädigung des Stacks zu vermeiden.

Um alle angeforderten Leistungstrajektorien des Fahrzeugs erfüllen zu können, kommt also Unterstützung vom oben erwähnten Batteriepaket. Dies führt effektiv zu einem sogenannten Brennstoffzellen- Hybrid-Elektrofahrzeug. Eine der größten Herausforderungen bei der Steuerung einer solchen Konfiguration mit zwei Energiequellen ist die richtige dynamische Lastverteilung zwischen Batterie und Brennstoffzelle.

Um hohe Lebensdauer des Stacks zu erzielen, müssen schädigende Betriebsbedingungen (z.B. Brennstoffmangel, zu hohe Druckdifferenzen über die Membran, Überflutung oder Austrocknung) verhindert werden, was eine präzise Steuerung der Anlagenkomponenten, insbesondere im instationären Betrieb, erfordert. Daher sind insbesondere für den hochdynamischen Brennstoffzellenbetrieb im Automobilantrieb fortschrittliche Regelungsmethoden unter impliziter Berücksichtigung der Lebensdauererhaltung erforderlich.

In der Langfassung des Artikels werden Einblicke in aktuelle Forschungsarbeiten zu Energiemanagementstrategien (Top-Level-Regelung) von Brennstoffzellen-Hybrid-Elektrofahrzeugen sowie modellbasierte Regelungsschemata für Brennstoffzellensysteme gegeben.

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