REICHWEITENTECHNOLOGIE FÜR ELEKTROFAHRZEUGE ON-BOARD-ENERGIEWANDLER

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1 ENERGIE BILD Bosch Engineering GmbH REICHWEITENTECHNOLOGIE FÜR ELEKTROFAHRZEUGE ON-BOARD-ENERGIEWANDLER Einige Hürden sind für die reine Elektromobilität derzeit noch zu hoch. Zumindest für den Übergang könnten Energiewandlersysteme helfen, diese Hindernisse zu überwinden. Im Projekt InnoROBE werden diese Systeme auf technische und wirtschaftliche Aspekte untersucht. 44

2 AUTOREN DR.-ING. UWE KEHN ist Projektkoordinator von InnoROBE und Geschäftsführer der GreenIng GmbH & Co. KG in Leutenbach. DR.-ING. HELERSON KEMMER ist technischer Koordinator bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. DIPL.-PHYS. FRANZ PHILIPPS ist Teamleiter Brennstoffzellensysteme und Prototypenbau sowie Prüfstände am Institut für Fahrzeugkonzepte beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) in Stuttgart. DIPL.-ING. FLORIAN GÖTZ ist Projektleiter Thermomanagement für elektrische Antriebe am Fraun hofer-institut für Chemische Technologie ICT in der Fraunhofer- Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS in Karlsruhe. MOTIVATION Die Vorteile von Elektrofahrzeugen liegen auf der Hand, die Nachteile jedoch vor allem die geringe Reichweite, lange La - dezeit und hohe Batteriekosten wirken einer schnellen Einführung noch entgegen. Der zusätzliche Energiebedarf für das Thermomanagement und die Klimatisierung führen zu einer weiteren Reichweitenminderung, da diese Energie zum Vortrieb nicht mehr zur Verfügung steht. Eine mögliche Lösung ist die lokale Be - reitstellung elektrischer und thermischer Energie im Fahrzeug durch kleine, mit regenerativen Kraftstoffen gespeiste au tarke Energiewandlersysteme (On- Board-Ladesysteme), die insbesonders in der Einführungsphase kleinere und damit kostengünstigere Batterien ermöglichen. Angesiedelt im Innovationsfeld Energie werden im Projekt InnoROBE (Innovative Regenerative On-Board-Energiewandler) von den beteiligten Projektpartnern zwei unterschiedliche On-Board- Ladesysteme erforscht, die die breite Ein führung von nachhaltiger Elektromobilität unterstützen können. Dabei werden vor allem eine Reichweitenerhöhung, die Erhöhung des Insassenkomforts sowie eine Kostenreduktion des Gesamtsystems angestrebt. Diese Ziele stehen sowohl mit den im Spitzencluster Elektromobilität Süd-West anvisierten Entwicklungszielen Markt und Kosten sowie Handhabung und Komfort im Einklang als auch mit den Bestrebungen der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) [1]. InnoROBE wird getragen von der Bosch Engineering GmbH, dem DLR Institut für Fahrzeugkonzepte, der Fraun hofer ICT/ IWM Projektgruppe Neue Antriebssysteme (NAS) und der Green Ing GmbH & Co. KG. Gemeinsam erforschen die Partner zwei Konzepte für On-Board-Ladesysteme: ein Brennstoffzellensystem sowie ein methanbetriebener Verbrennungsmotor. Neben den bereits genannten Zielen stehen zudem die Ladezeitverkürzung, die Bauteilkonditionierung und klimatische Komforterhöhung im Vordergrund. InnoROBE setzt damit genau an den Stellen an, die aus Endkundensicht als problematisch eingestuft werden. ❶ zeigt, dass beide Konzepte zur On- Board-Energiebereitstellung schematisch betrachtet durch zwei Fahrzeugschnittstellen definiert sind. Diese beiden n stellen den Energiefluss zwischen On-Board-Ladesystem und Fahrzeug sicher, wobei die eine elektrische Energie, die andere thermische Energie überträgt. Diese ndefinition ermöglicht es, beide Funktionskonzepte zur On-Board-Energiewandlung zu untersuchen und zu vergleichen. Der Technologievergleich der verschiedenen Konzepte erlaubt es, ein vereinheitlichtes elektrisches und thermisches Energiemanagement im Fahrzeug zu nutzen und unter dem Modularitätsgedanken zu bewerten. Mit On-Board-Ladesystemen kann gegenüber dem reinen Batteriefahrzeug zusätzlich eine Kostenersparnis erzielt werden, da die Batterie entsprechend kleiner ausgelegt werden kann. Die Batteriekosten sinken zwar mit steigender Marktdurchdringung, dennoch zeigen erste Abschätzungen, dass die Gesamtkosten für ein Elektrofahrzeug mit Nachladeeinheit günstiger ausfallen als für Regenerativer On-Board-Energiewandler (ROBE) Fahrzeug Wandlervariante FC mit Brennstoffzelle Wandlervariante ICE mit Verbrennungsmotor Elektrische Thermische h Im Projekt werden zwei Varianten eines On-Board-Energiewandlers erforscht: : Variante Brennstoffzellensystem : Variante Verbrennungsmotor Beide Varianten besitzen zwei n zum Fahrzeugsystem: : Elektrisch : Thermisch ❶ Einbindung der On-Board-Energiewandlungssysteme in das Fahrzeug (Bild Fraunhofer NAS) September

3 ENERGIE Elektrofahrzeuge mit einer für ähnliche Reichweite ausgelegten Batterie [2]. In ➋ ist ein Reichweitenvergleich bei identischen Kosten zwischen einem reinen batterieelektrischen sowie einem mit einem On-Board-Energiewandler ausgestatteten Fahrzeug aufgezeigt. VERBRENNUNGSMOTORISCHER ON-BOARD-ENERGIEWANDLER Das verbrennungsmotorische On-Board- Ladesystem wird als mobiles, vom Fahrzeug abkoppelbares Modul konzipiert. Als Aggregat kommt ein aufgeladener methanbetriebener Downsizing-Ottomotor zum Einsatz. Methanbetriebene On- Board-Ladesysteme auf Basis eines Verbrennungsmotors haben zwei wesentliche Vorteile: Sie sind erstens ein Mittel zur Darstellung von nachhaltiger Mobilität, da das Methan regenerativ hergestellt werden kann. Zweitens ist eine Infrastruktur für die Produktion von Verbrennungsmotoren in Deutschland bereits vorhanden, sodass die Technologie nach Abschluss der Entwicklung rasch in Serie gehen kann. GreenIng baut für die Entwicklung des Moduls im ersten Schritt ein seriennahes Referenzpackaging in einem Schnellwechselrahmen auf, ➌. Anschließend wird für die gewichtsoptimierte Entwicklungsstufe ein Downsizing des methanisierten Ottomotors unter Berücksichtigung des quasi-stationären Betriebs vorgenommen. Den angepassten Motor ergänzt ein Getriebe mit Leichtbaugehäuse im Multi-Material-Design, das ❷ Kosten und Reichweite im Vergleich: Elektrofahrzeuge mit und ohne Energiewandler (Bild Robert Bosch GmbH) nochmals eine deutliche Gewichtsersparnis mit sich bringt. Das verbrennungsmotorische Konzept berücksichtigt in der ganzheitlichen Optimierung des Systems auch die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen unterschiedlicher Regionen, in denen das Fahrzeug vermarktet werden soll. Dem durch den großen Elektrifizierungsgrad bedingten Mangel an Überschusswärme in vielen kundenrelevanten Betriebspunkten und -szenarien begegnet das Konzept mit der Einbindung eines Methangasbrenners, eines Heat-to-Cool- Moduls und eines Wärmespeichers, der beispielsweise die Kaltstarteffizienz des Fahrzeugs durch gezielte Vorkonditionierungen erheblich verbessern kann. ➍ zeigt eine mögliche Verschaltung der Modulkomponenten. Um einen simulativen Konzeptnachweis zu erreichen, bildet die Projektgruppe NAS das gewählte Fahrzeug sowie die für das Teilvorhaben relevanten Komponenten in der Simulationsumgebung Dymola ab. Hierzu wurde der Bedarf des Fahrzeugs an thermischer Heiz- beziehungsweise Kühlleistung als Funktion der Umgebungstemperatur definiert und die mechanischen und elektrischen Komponenten simuliert. Die Simulation der Thermomanagement-Komponenten erfolgt nun mit dem Ziel der Erstellung einer gesamtheitlichen Betriebsführung mit Schwerpunkt auf der Gesamtfahrzeugeffizienz. 46 ➌ Verbrennungsmotorisches Modulkonzept (Bild GreenIng) BRENNSTOFFZELLEN-ON-BOARD- ENERGIEWANDLER Als eine mögliche Variante wird im Rahmen von InnoROBE zudem ein Brennstoffzellensystem untersucht, da es sich durch die direkte Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie besonders gut für On-Board-Ladesysteme eignet. In der Anfangsphase des Projekts hat das DLR die Entwicklung der Fahrzeugflotten in Deutschland hinsichtlich der Durchsetzungsfähigkeit von InnoROBE- Systemen analysiert. Dies geschah mithilfe des Simulationstool VEKTOR21 [3]. Die Ergebnisse der Untersuchung in Bezug auf das Brennstoffzellensystem

4 Gastank Gasmotor Generator ICE InnoROBE Leistungselektronik Elektrische Fahrzeug Energieflüsse Elektrisch Thermisch Mechanisch Chemisch Heizen AGN Thermomanagementment Methangasbrenner Heat-tocool Wärmespeicher Heizen/Kühlen Thermische ➍ Systemschema des optimierten InnoROBE-Konzepts mit Verbrennungsmotor (Bild Fraunhofer NAS) als Energiewandler deuten auf eine geringe Marktdurch dringung aufgrund der noch im Aufbau befindlichen H 2 - In frastruktur hin. Ein dominierender Faktor ist hierbei die vom Endkunden eingeforderte Reichweite und Versorgungssicherheit. Als Folge dieser Ergebnisse wurden weitere Szenarien für den Einsatzzweck des Energiewandlers untersucht und verschiedenste Treiber für Brennstoffzellenanwendungen in sogenannten Non-Road Mobile Machineries (NRMM) identifiziert. Diese sind: : zunehmender Bedarf an emissionsfreier Mobilität für Fahrzeuge in geschlossenen Hallen und an Flughäfen : emissionsfreier Betrieb von Stromgeneratoren : Leerlaufverbot für Nutzfahrzeuge in den USA [4] : Geräuschreduzierung bei mobilen Arbeitskraftmaschinen in Häfen und bei innerstädtischem Betrieb von Müll - fahrzeugen und Straßenreinigungsgeräten : ölfreier Betrieb von Flurförderzeugen, Kränen und Transportfahrzeugen an Häfen : Reduzierung der Total Cost of Ownership (TCO), insbesondere für Anwendungen mit hoher Auslastung (zum Beispiel Mehrschicht-Betrieb von Flurförderzeugen) [5]. Weiterhin ist eine flächendeckende Wasserstoff-Infrastruktur für NRMM-Fahrzeuge nicht zwingend erforderlich. Der Bedarf kann durch lokale H 2 -Erzeugung aus Erdgas, durch Anlieferung von industriell erzeugtem Wasserstoff oder September 2014 durch Elektrolyseverfahren gedeckt werden. Somit können größere Flotten auch mit einer begrenzten Anzahl von Tankstellen betrieben werden. Der Markt für NRMM ist sehr breit gefächert und gekennzeichnet von geringen Stückzahlen bei vergleichsweise hoher Anzahl verschiedenartiger Anwendungen gegenüber Pkw-Applikationen. BRENNSTOFFZELLEN-POWERPACK Ziel des Teilvorhabens Bosch Engineering im InnoROBE-Projekt ist es, ein Brennstoffzellen-Powerpack zu entwickeln, ➎. Dieses wird in einen Gepäckschlepper für den Flughafenbetrieb integriert. Die Basis hierzu bildet ein elektrisches Batterie- Fahrzeug, in dem die Batterie teilweise durch das Brennstoffzellen-Powerpack ersetzt wird. Es ist als autarkes System konzipiert und kann in weiteren Anwendungen eingesetzt werden. Die Schaltzentrale des Systems ist die Fuel Cell Control Unit (FCCU), eine Kombination aus Serienhardware aus der Großserienfertigung der Robert Bosch GmbH und einer eigens entwickelter Software zur Steuerung des Brennstoffzellensystems. Zu Projektbeginn wurden alle Anforderungen an das System für den Einsatz in ➎ Beschreibung des Teilvorhabens Brennstoffzelle (Bild Bosch Engineering GmbH) 47

5 ENERGIE einem Gepäckschlepper erfasst. Beispielsweise muss die maximale Geschwindigkeit für einen definierten Testzyklus unter relevanten Umgebungsbedingungen er - reicht und auch eine achtstündige Be - triebsdauer einer Schicht im Flughafenbetrieb ohne Betankung bewältigt werden. Die Systemsimulation lieferte folgende Ergebnisse: 1. die Batteriegröße für die erforderliche Antriebsleistung, insbesondere für das Anfahren unter allen Bedingungen (Temperatur, Steigung etc.) 2. die Brennstoffzellensystemleistung für das Nachladen der Batterie, sodass sie keine Tiefentladung erfährt 3. die erforderliche H 2 -Menge für eine Arbeitsschicht. Eine weitere Anforderung ist eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzelle sowie die Realisierung eines Gefrierstarts binnen weniger Sekunden. Das Gesamtsystem und die daraus abgeleiteten Teilsysteme (Kühlung, elektrischer Pfad, Wasserstoff- und Luftversorgung) wurden auch bezüglich der Kosten bewertet, wobei sich das System mit einem Spannungsniveau von 80 V als am besten geeignet erwies, ➏. Die Auswahl von Batterie und Antriebsstrang für dieses Spannungsniveau führt zu deutlich geringeren Kosten gegenüber einem Hochvoltsystem. Für den Antrieb des Luftverdichters fiel die Wahl auf einen industriellen Großserienmotor, für die Leistungselektronik auf ein MOS- FET-basiertes System. Weiteres Kostenpotenzial liegt in einer zusätzlichen Vereinfachung der Systeme für Luft und Elektrik, sowie im Einsatz von Stahltanks. Diese Annahmen müssen jedoch noch im Rahmen von InnoROBE bestätigt werden. Die Verlustleistung der Brennstoffzelle wird für das Aufheizen der Fahrkabine genutzt und verhindert so eine Reduzierung der Reichweite durch elektrisches Heizen. Die Spezifikation der ther malen n erfolgt durch den Partner DLR. Nach Abschluss der Systemspezifikation wurden im Rahmen der Erstellung des Pflichtenhefts geeignete Komponenten ausgewählt. Bosch-Serienkomponenten, die nicht für den Wasserstoff-Pfad oder für destilliertes Wasser freigegeben sind, werden entsprechend modifiziert beispielsweise Drucksensoren oder die Drosselklappe. Bei Schlüsselkomponenten, die sich hinsichtlich Qualität und Preis nicht eignen, wurden prototypische Entwicklungen gestartet. Zum Beispiel wird ein mechanisch angetriebener Luftverdichter in einem elektrischen Motor integriert. Die verschiedenen Komponenten werden von der FCCU angesteuert, unter anderem das Tank-Absperrventil, der elektrische Verdichter und die Kühlsystemkomponenten. Ein geregeltes Kühlsystem gewährleistet eine effiziente Be - triebsführung. Die FCCU steuert dabei den Volumenstrom des Kühlmittels. So können die Eingangstemperatur und die Temperaturdifferenz frei gewählt werden. Für ihre Aufgabe als Steuereinheit erfasst die FCCU unter anderem die Prozessgrößen Druck, Temperatur, Luftmassenstrom, Wasserstoffkonzentration und Kühlmittelleitfähigkeit. Sie stellt eine Vielzahl von Betriebsstrategien bereit, die frei adaptierbar sind. Dadurch kann beispielweise eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzelle sowie ein Gefrierstart binnen weniger Sekunden realisiert werden. Das Brennstoffzellensystem wird zunächst für den Laborbetrieb aufgebaut und getestet. Im Anschluss wird das System in ein Demonstratorfahrzeug integriert, um es einem realen Test im Flughafenbetrieb zu erproben. Ein Fernwartungssystems (IRSD, Integrated Remote Diagnostic System) stellt die Systeminformationen bereit, um Ausfallzeiten zu reduzieren und eine prädiktive Wartung sowie das Überspielen von Softwareupdates zu ermöglichen. BRENNSTOFFZELLEN- THERMOMANAGEMENT Im Sinne des ganzheitlichen Energiemanagements wird vom DLR aktuell ein für Straßenfahrzeuge bestehendes Dymola-Simulationsmodell auf die Anforderungen des Brennstoffzellen- InnoROBE-Antriebsstrangs im Nutzfahrzeug umgebaut, ➐ [6]. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Modellierung der thermischen Energieflüsse zur Nutzung der Abwärme für die Kabinenklimatisierung. Das Kabinenmodell erlaubt die Untersuchung unterschiedlicher Wärmequellen, insbesondere den Vergleich zwischen der Nutzung des ursprünglich verwendeten PTC-Heizers (PTC), der Abwärmeeinleitung über einen Wärmetauscher (WT) sowie die direkte Einleitung der Abluft (AL) in die Kabine. Auch ein gleichzeitiger Betrieb der Wärmequellen beziehungsweise einer Kombination ist daraus ableitbar. Aktuell werden alle Variationen mit dem oben genannten Simulationsmodell technisch bewertet. Weitere Bewertungskriterien sind neben dem energetischen Vergleich, der Bauraumnutzung und den Systemkosten die sicherheitstechnischen Fragestellungen wie beispielsweise Scheibenbeschlag durch zu hohe Restfeuchte in der Kathodenabluft. Ein skaliertes InnoROBE- Brennstoffzellenmodul wird zur Evaluierung der erarbeiteten Konzepte aufgebaut und die prinzipielle Machbarkeit der am besten bewerteten Konzepte demonstriert. Im weiteren Verlauf des Projekts erfolgt eine Validierung des thermischen Kabinenmodells durch eine Aufheizmessung des Demonstrators am 48 ➏ Kostenvergleich des Gesamt-Brennstoff zellen- Powertrain (Bild Bosch Engineering GmbH)

6 Modellschema Batterie Leistungselektronik Elektromotor Demonstratorfahrzeug Demonstratorfahrzeug FC-R-OBE Thermisch Elektrisch H 2 Brennstoffzelle AL Brennstoffzelle Fahrprofil Umgebung Thermische WT Kühlsystem LE H2 -Tank PTC PTC Batterie Elektrische ➐ Kabinenmodell zur Konzeptbewertung (Bild DLR) Klimarollenprüfstand des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte. ZUSAMMENFASSUNG On-Board-Ladesysteme tragen dazu bei, lokal Emissionen zu verringern, Ladezeiten zu verkürzen sowie Reichweiten und Betriebszeiten zu erhöhen. Die Nutzung von Energieträgern, die aus regenerativen Quellen stammen, ermöglicht nachhaltige Elektromobilität im Sinne der DANKE Folgende weitere Personen haben bei der Erstellung des Beitrags mitgewirkt: Harald Fischer, Bosch Engineering GmbH, Markus Hubner, DLR, Christian Stan, Fraunhofer ICT/IWM Projektgruppe Neue Antriebssysteme sowie Lars Krieg, GreenIng GmbH & Co. KG. September 2014 Clusterstrategie. Während methanbetriebene On-Board-Ladesysteme vorteilhaft in die bestehende Infrastruktur der Verbrennungsmotoren-Fertigung und in die Verfügbarkeit von Tankanlagen eingebunden werden können, bieten brennstoffzellenbetriebene Ladesysteme Emissionsfreiheit in örtlich begrenzter Umgebung sowie in Gebäuden. Aufgrund der hohen Betriebszeiten bieten Nutzfahrzeuge mit On-Board-Ladesystemen in der Umgebung einer zentralen Tankstelle wirtschaftliche und technische Vorteile. LITERATURHINWEISE [1] e-mobil BW Gmbh: Clusterstrategie Spitzencluster Elektromobilität Süd-West ( [2] Hensley, R. et al.: Battery technology charges ahead. In: McKinsey Quarterly 2012 ( mckinsey.com/insights/energy_resources_materials/ battery_technology_charges_ahead) [3] Mock, P.: Entwicklung eines Szenariomodells zur Simulation der zukünftigen Marktanteile und CO 2 -Emissionen von Kraftfahrzeugen (VECTOR21). Dissertation Universität Stuttgart, 2010 [4] Limit on Diesel-Fueled Commercial Motor Vehicle Idling, Advisory 333, California Environmental Protection Agency, 2008 [5] Ramsden, T.: An Evaluation of the Total Cost of Ownership of Fuel Cell-Powered Material Handling Equipment. National Renewable Energy Laboratory NREL/TP , April 2013 [6] Braig, T.; Dittus, H.; Weiss-Ungethüm, J.; Engelhardt, T.: The Modelica Library Alterna tivevehicles for Vehicle System Simulation. In: SNE Simulation Notes Europe, 22 (2012), Nr. 2, S HINWEIS Das Projekt InnoROBE ist Teil des Spitzenclusters Elektromobilität Süd-West. Projektpartner: : Bosch Engineering GmbH, Abstatt : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart : Fraunhofer ICT, Karlsruhe : GreenIng GmbH & Co. KG, Leutenbach 49