moehwald Bosch Group Bereich Prüftechnik Alternative Antriebe

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1 moehwald Bosch Group Bereich Prüftechnik Alternative Antriebe Moehwald GmbH Michelinstraße 21 Postfach D Homburg Tel.: +49 (0) / Fax: +49 (0) /

2 Know How in vielen Bereichen Einspritzsysteme Hydraulik / Bremssysteme Pneumatik Elektronische Systeme Bildverarbeitung Sondermessgeräte Brennstoffzellen Alternative Antriebe Spezielle Prüftechnik - Durchflussmessverfahren - Dynamische Druckmessung - Kraft- und Wegmessung - Drehmomentmessung - schnell & hochauflösend in Echtzeit - Regelungstechnik und vieles mehr 2

3 moehwald Bosch Group zum Brennstoffzellenantrieb über die Hybridtechnik Vom Otto- und Dieselverbrennungsmotor 3

4 Vom Otto- und Dieselverbrennungsmotor über die Hybridtechnik Quelle Bosch Quelle Bosch Quelle Toyota Bei der Entwicklung von alternativen Antriebskonzepten für das herkömmliche Automobil mit Verbrennungsmotor steht der Antrieb mit Elektromotor im Mittelpunkt. Vorteil des Elektroantriebes ist einerseits die Unabhängigkeit von den knapper werdenden Rohölressourcen sowie andererseits der Umweltaspekt, ein Zero Emission Vehicle zu betreiben. Fahrzeugkonzepte mit Elektroantrieb existieren schon ebenso lange wie solche mit Verbrennungsmotor, jedoch waren und sind diese Elektrofahrzeuge auch heute noch den konventionellen Verbrennersystemen in der Reichweite weit unterlegen. Hauptproblem des Fahrzeugs mit Elektroantrieb ist dabei die Speicherung der elektrischen Energie. Anschauliches Beispiel : Soll ein herkömmliches Fahrzeug mit einem Dieselantrieb, das mit einem Tankvolumen von 60l ca. 1000km weit fahren kann, auf einen leistungsähnlichen Elektroantrieb umgestellt werden, so würde ein wiederaufladbarer Elektroakkumulator mit einer Energiekapazität von ca. 160kWh benötigt. Wollte man dies mit herkömmlichen Autobatterien (60Ah/12V) realisieren, so benötigte man 222 Stück. Durch Fortschritte in der Entwicklung von Akkumulatoren sieht diese Situation zukünftig besser aus. Moderne Lithium-Ionen Akkus haben etwa die fünffache, Lithium-Polymer Akkus sogar bis sechsfache Energiedichte der herkömmlichen Bleiakkumulatoren. Um heute schon, sozusagen als Zwischenschritt zum reinen Elektroantrieb, Fahrzeuge mit den Vorteilen des Elektromotors verwenden zu können, werden Hybridantriebe in verschiedenen Ausbaustufen entwickelt bzw. bereits gebaut. Im Hybrid werden Verbrennungsmotor und Elektromotor gleichzeitig verwendet. Konzepte zur Kopplung beider Antriebsarten gibt es verschiedene, das Ziel dabei ist jedoch immer, den Verbrennungsmotor in seinem bezüglich Wirkungsgrad günstigsten Betriebspunkt zu betreiben und mit dem Elektromotor die weniger günstigen Bereiche abzudecken. 4

5 Quelle Toyota Überschüssige Energie, die in Phasen der Teilauslastung des Verbrennungsmotors oder durch rekuperatives Bremsen entsteht, wird im Akkumulator kurzfristig zwischengespeichert und kann somit vom Elektroantrieb wenn benötigt wieder in mechanische Energie umgewandelt werden. Um kurzfristig hohe Bremsenergie und damit einhergehend große Ströme, die den Lade- bzw. Entladestrom des Akkumulators übersteigen, speichern zu können, bzw. diese beim Beschleunigen liefern zu können werden parallel zum Akkumulator Kondensatoren mit hoher Kapazität, sogenannte SuperCap s eingesetzt. Quelle Epcos zum Elektroantrieb mit Brennstoffzelle Zukunftsweisende Fahrzeug-Antriebssysteme werden aus den zu Anfang genannten Gründen komplett auf den Verbrennungsmotor verzichten. Eine Möglichkeit, das Automobil in seiner bisherigen Form auch in Zukunft für den Individualverkehr nutzen zu können, ist der Einsatz der Brennstoffzelle, zur lokalen Erzeugung der elektrischen Energie aus Luft und Wasserstoff, direkt im Fahrzeug. Das Brennstoffzellenantriebssystem besteht im wesentlichen aus dem Wasserstofftank bzw. einer Wasserstoffreformierung, der Gasaufbereitung, der Brennstoffzelle selbst, die die elektrische Energie liefert, und dem Elektroantrieb. Als sekundäre Komponenten werden auch weiterhin Akkumulatoren und SuperCaps s für die Zwischenspeicherung der elektrischen Energie zum Einsatz kommen, da heutige Brennstoffzellenkonzepte die Energie nicht mit der heute im Fahrzeug gewohnten Dynamik zur Verfügung stellen können. Quelle Bosch 5

6 Konzept für einen Prüfstand zur Weiterentwicklung von Brennstoffzellen In 2007 wurden umfangreiche Konzepte für Brennstoffzellenprüfstände Antriebsprüfstände für die Universität Magdeburg erstellt. 6

7 Konzept für einen Prüfstand zur Weiterentwicklung von fahrzeugbasierten PEM - Brennstoffzellen Brennstoffzellenteststand zum kontinuierlichen Betrieb eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit einer elektrischen Leistung von ca. 3 bis 10kW bestehend aus Wasserstoffgaskreis / Sauerstoffgaskreis / Kühlkreis / Abgasanlage PEM Brennstoffzellenstack / Elektronische Last Sensorik und Messwertverarbeitung Automatisiertes Rechnersystem für Regelungen und Messwerterfassung Zusätzliche notwendige Installationen (nicht im Prüfstand enthalten) Wasserstoffversorgungsanlage Abwasserableitung / Abgasableitung Gaswarnanlage (Ex-Schutz Konzept) Quelle ZSW Quelle Ballard PEM BZ : Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle Derzeit für mobile Anwendungen favorisierter Brennstoffzellentyp 7

8 Konzept für einen Prüfstand zur Weiterentwicklung von fahrzeugbasierten PEM - Brennstoffzellen H 2 -Gaswarnanlage Wasserstoffversorgung (Flaschenlager - Regler) Gaskonditionierung Beckhoff Buskoppler mit Peripherie Klemmen Analog/Digital I/O Sollwerte Sensoren Steuerung PC -Visualisierung Luftversorgung (Kompressor) Gaskonditionierung Drossel-Rückläufe H 2, Luft,Kühl Kühlmedium Wasser Wärmetauscher Elektronische Last VE-Wasserversorgung Quelle ZSW 8

9 Konzept für einen Prüfstand zur Weiterentwicklung von fahrzeugbasierten PEM - Brennstoffzellen H 2 -Gaswarnanlage VE-Wasserversorgung H 2 Luft (O 2 ) Sollwerte: Menge, Feuchte, Temperatur, Druck Befeuchtung Befeuchtung Q Q P E P E T E T E Rücklauf H 2 Drossel P E T E P E T E PEM Rücklauf Luft Drossel U U U U U U Abscheider I_Last U_St Sollwert Last Wasser Luft Elektronische Last Analog In Analog Out Digital In Digital Out Buskoppler mit Peripherie Klemmen Analog/Digital I/O Profibus Kühlung > Q P E T E Einzelzellspannungen Steuerung Wasserstoffversorgung -Regler -Ventil -Gasmangelwarnung Qsoll Heizpatrone P E Leitfähigkeits -sensor T E Kühlkreislauf mit VE- Wasser Leitrechner PC Visualisierung Messen Regeln Anzeigen 9

10 Konzept für einen Prüfstand zur Weiterentwicklung von fahrzeugbasierten PEM - Brennstoffzellen Aufbau

11 Konzept für einen Prüfstand zur Weiterentwicklung von fahrzeugbasierten PEM - Brennstoffzellen Sicherheitskonzept Prüfstand Absauglüfter Abluftführung frei in Umgebung (Wasserstoff ist kein toxischer Stoff) Sensor Absaugüberwachung Ex-geschützt OPTIONAL: Wasserstoffdetektor im Raum (Ex-geschützt) H 2 -Versorgung Freilagerplatz Brennstoffzellenstack 19 -Rack Rechner Messtechnik H 2 -Gaswarnanlage Last Reserve El.Komponenten Reserve Lüftung aktiv elektr. Einspeisung kein Gasalarm 11

12 Realisierter Prüfstand für Untersuchungen an Hybridantriebskomponente Elektromotor Prüfstandsantrieb 90 kw S1 Prüfling Quelle Robert Bosch GmbH PA-ATMO1/SGT 12

13 Realisierter Prüfstand für Untersuchungen an Hybridantriebskomponente Elektromotor Prüfstand FEM Berechnung Quelle Robert Bosch GmbH PA-ATMO1/SGT 13

14 Realisierter Prüfstand für Untersuchungen an Hybridantriebskomponente Elektromotor Quelle Robert Bosch GmbH PA-ATMO1/SGT Quelle Robert Bosch GmbH PA-ATMO1/SGT Blockdiagramm DC-Last / DC - Source Netz DC AC Umrichter 3 Brems- oder 3 Elektromotor M d Antriebsmaschine Umrichter Prüfling komplett Quelle Robert Bosch GmbH PA-ATMO1/SGT 14

15 Realisierter Prüfstand für Untersuchungen an Hybridantriebskomponente Elektromotor - Messtechnik Quelle Robert Bosch GmbH PA-ATMO1/SGT 15

16 Komponenten für den Hybridantrieb / Brennstoffzellenantrieb Wir prüfen für Sie Hauptkomponente Elektromotor und Generator Quelle Bosch Im Hybridbereich verwendete Maschinen Permantmagnet-erregte-Synchronmaschine (PMSM) Asynchronmaschine (ASM) Geschaltete Reluktanzmaschine (GRM) Prüfen: Dauerlaufprüfung, Momenten-, Drehzahlprüfung, Wirkungsgrad Komponente Getriebe Bei Parallelhybridantrieben wird ein Getriebe benötigt, um die Energieflüsse zusammenzuführen. Quelle Toyota Prüfen: Dauerlaufprüfung, Geräuschprüfung 16

17 Komponenten für den Hybridantrieb / Brennstoffzellenantrieb Wir prüfen für Sie Komponente Langzeitenergiespeicher Batterien Nickel / Metallhydrid (Ni/Mh) Lithium-Ionen (Li-Ion) Hochtemperatur (Na-NiCl) Quelle Toyota Prüfen: Lastprofile, Haltbarkeit, Zyklenfestigkeit, Klimaerprobung Komponente Kurzzeit Energiespeicher SuperCaps Prüfen: Lastprofile, Haltbarkeit, Zyklenfestigkeit, Klimaerprobung Quelle Epcos Komponente Konverter DC/DC Umrichter Prüfen : Lastprofile, Klimaerprobung, Wirkungsgrad Quelle Valeo 17

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