Dynamische Testumgebung für Brennstoffzellen Vom Stack bis zum Fahrzeug- Energiesystem

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1 Dynamische Testumgebung für Brennstoffzellen Vom Stack bis zum Fahrzeug- Energiesystem

2 Dynamische Testumgebung für Brennstoffzellen Vom Stack bis zum Fahrzeug-Energiesystem Das Brennstoffzellen-Fahrzeug (fuel cell electric vehicle: FCEV) zeichnet sich durch eine Antriebstechnologie aus, die eine höhere Reichweite als z. B. E-Fahrzeuge mit Batterie erzielt. Im FCEV dient Wasserstoff als Treibstoff, der in der Brennstoffzelle in elektrische Energie gewandelt wird. Das Brennstoffzellen-System besteht neben der Brennstoffzelle aus zusätzlichen Aggregaten für die Prozessführung. Bei der FCEV-Entwicklung müssen Brennstoffzellen-Stapel, -System sowie das Zusammenspiel aller Komponenten des Fahrzeug-Energiesystems geprüft werden. Lösungen für alle Entwicklungsstufen Scienlab bietet kundenspezifische Testumgebungen, mit denen die Nachbildung der Dynamik, die in realen Fahrzeugen auftritt, auch für den Brennstoffzellenprozess möglich ist. Durch ihre Modularität können die Testsysteme jederzeit an den aktuellen Entwicklungsstand des Brennstoffzellen-Systems angepasst werden. Eine Restfahrzeug-Simulation ermöglicht es, Teilkomponenten, Subsysteme und das Gesamtsystem mit realen Fahrzyklen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen zu testen. Die Bediensoftware umfasst die Testprogrammierung, -steuerung und -auswertung mit intelligenten Analyse-Werkzeugen. Scienlab setzt darüber hinaus ein Sicherheitskonzept um, das individuell an die Kundenanforderung angepasst wird. Brennstoffzellen-Fahrzeug Im FCEV wird die elektrische Energie für den Antrieb von einem Brennstoffzellen-System geliefert. Die Prozessgase Luft und Wasserstoff einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle müssen hinsichtlich Temperatur, Druck und Feuchtigkeitsgehalt konditioniert werden. Daher umfasst das System neben dem Brennstoffzellen-Stapel zusätzlich Aggregate für die Anodengasund Kathodengaskonditionierung sowie für die Abgasbehandlung und Kühlung (zusammen auch als balance of plant = BoP bezeichnet). Um die Bremsenergie zwischenzuspeichern, ist außerdem eine Batterie erforderlich. Diese ist über einen DC / DC-Wandler mit dem Hochvoltbus verbunden, um die Batteriespannung von der stark lastabhängigen Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu entkoppeln. Die Batterie kann zudem Energie bei Leistungsspitzen liefern und so das Lastprofil der Brennstoffzelle in Grenzen nivellieren, was jedoch mit erhöhtem Aufwand, Gewicht und Bauraum für den DC / DC-Wandler und die Batterie verbunden ist. Daher ist es wünschenswert, dass das Brennstoffzellen-System eine möglichst hohe Dynamik aufweist, um DC / DC-Wandler und Batterie möglichst klein zu dimensionieren. Die Entwicklung eines Brennstoffzellen-Antriebs durchläuft drei Stufen: Vorentwicklung, Systementwicklung und -integration. Fahrzeug-Energiesystem mit Brennstoffzelle Kühlung / Belüftung Sicherheits-System balance of plant Batterie DC / DC- Wandler Luft Luft O Brennstoffzelle elektrische Energie Antrieb Hochspannungs-Bus Wechselrichter Motor 2

3 Brennstoffzellen-Testumgebung Vorentwicklung In der Vorentwicklung wird das Brennstoffzellen-System mit allen Aggregaten (BoP) entwickelt. Dabei muss der Brennstoffzellen-Stapel hinsichtlich der dynamischen und statischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer charakterisiert werden. Einflussgrößen und Möglichkeiten der Prozessführung (Prozessgaskonditionierung, purge, Kühlung etc.) werden untersucht und geeignete Regelungsstrategien entworfen. Die Aggregate für Anoden- und Kathodengaskonditionierung, Abgasbehandlung und Kühlung sind zu entwickeln, auf die Brennstoffzelle abzustimmen und im Zusammenspiel zu testen. Dazu ist ein Prüfstand erforderlich, der zunächst alle Aggregate für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Stapel bereitstellt. Die Aggregate sind dabei in der Lage, die Dynamik realer Fahrsituationen abzubilden. Der Prüfstand bietet zudem eine rapid control prototyping -Plattform, auf der Regelungsstrategien entworfen und erprobt werden können. Alle relevanten Prozessparamter werden gemessen und protokolliert, wobei der Benutzer von einem Prüfprogramm- und Messdatenmanagement unterstützt wird. Der modulare Aufbau erlaubt es, einzelne Prüfstandsaggregate durch kundeneigene Komponenten auszutauschen. All diese Funktionen sind in ein Sicherheitssystem eingebettet, das insbesondere die mit dem Wasserstoff verbundenen Risiken auf mehreren Ebenen behandelt und so einen gefahrlosen Betrieb sicherstellt. Testumgebung für Brennstoffzellen-Stapel Anwendungsfälle Optimierung der Prozessführung und Entwicklung von Regelungsstrategien Alterungstests, auch unter Einbeziehung von Schadgasen und Umweltsimulationen Dynamische und statische Charakterisierung von Brennstoffzellen- Stapeln und Hilfsaggregaten in allen fahrzeugtypischen Betriebszuständen (Benchmarking) Highlights der Testumgebung Bereitstellung aller Nebenaggregate mit höchster Dynamik auch bei der Prozessgaskonditionierung zur Abbildung der realen Fahrdynamik (ABS / ESP / ASR) Rapid control prototyping-plattform für die balance of plant Nachbildung des Hochspannungsbordnetzes durch den Scienlab Dynamic DC-Emulator (DCE) Fortschrittliche Test- und Steuer-Software Einbindung kundeneigener Nebenaggregate möglich Vorentwicklung Kühlung / Belüftung Sicherheits-System balance of plant Luft O Luft Brennstoffzelle rapid control prototyping elektrische Energie Dynamic DC-Emulator 3

4 Hochdynamischer Test von Stacks Der Scienlab Prüfstand für Brennstoffzellen-Stacks ist in der Lage, die Dynamik realer Fahrsituationen abzubilden. Dazu werden die Prozessgase (Luft und Wasserstoff) mit entsprechender Dynamik konditioniert zur Verfügung gestellt, ohne dass ein Überschwingen auftritt. Für die hohen Volumenströme, die für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Stapels mit Leistungen bis zu 100 kw erforderlich sind, stellt dies eine große Herausforderung dar. Die Scienlab Prüfsysteme können Volumenstrom und Temperatur der Prozessgase in weniger als einer Sekunde über den gesamten Stellbereich anregeln. Gleiches gilt für den Kühlwasser-Volumenstrom, der eben - falls dynamisch angepasst werden muss, um bei Lastwechseln Kondensation in den Brennstoffzellen zu vermeiden. Technische Daten Stack-Test Anodengas-Volumenstrom Kathodengas-Volumenstrom Druck (Anode, Kathode) bis zu 2000 l / min bis zu 7500 l / min ,5 bar Befeuchtung % Temperaturdynamik Prozessgase Volumenstromdynamik Prozessgase Volumenstromdynamik Kühlwasser Temperaturkonstanz Kühlwasser Elektrische Last mit Rückspeisung -40 C +120 C < 1 s 0 % 90 % < 1 s 0 l / min 250 l / min < 1 s + / - 0,1 K 850 V / 600 A / 180 kw Messtechnik Impedanzspektroskopie Zyklische Voltammetrie Einzelzellspannungsüberwachung 4

5 Brennstoffzellen-Testumgebung Systementwicklung In der Systementwicklung werden Brennstoffzellen-Systeme charakterisiert und parametrisiert. Funktions-, Dauerlauf- und Zulassungstests werden unter verschiedenen klimatischen Bedingungen durchgeführt. Die Reglerstabilität wird ebenso wie die Schutz- und Sicherheitsfunktionen verifiziert. Entwicklungsstände müssen zu den geplanten Zeitpunkten freigegeben und gegebenenfalls Rückläufer untersucht werden. Der Prüfstand für die Systementwicklung simuliert die Fahrzeugumgebung für ein Brennstoffzellen-System. Er stellt Wasserstoff, Prozessluft, Kühlung und Hilfsspannungsversorgungen zur Verfügung und gewährleistet die Abgasentsorgung. Am elektrischen Ausgang der Brennstoffzelle wird die Summe der Augenblicksleistungen des Wechselrichter-Eingangs und des Ausgangs des DC / DC-Wandlers dem Fahrprofil entsprechend dynamisch dargestellt. Der Prüfstand bietet eine Messdatenerfassung für interne und externe Größen, die hinsichtlich Umfang und Auflösung ereignisgesteuert für den jeweiligen Testfall konfigurierbar ist. Die Prüfstandsautomatisierung ist flexibel programmierbar und erleichtert so komplexe Testaufgaben. Ein vom geprüften System unabhängiges, übergeordnetes Sicherheitssystem ermöglicht einen gefahrlosen Betrieb auch in extremen Arbeitspunkten. Testumgebung für Brennstoffzellen-Systeme Anwendungsfälle Charakterisierung und Parametrierung von Brennstoffzellen- Systemen, Benchmarking Funktions-, Dauerlauf und Zulassungstests unter verschiedenen klimatischen Bedingungen Verifizierung von Reglerstabilität, Schutz- und Sicherheitsmechanismen Freigabe von Entwicklungsständen Rückläufer-Analyse Highlights der Testumgebung Prüfstandsautomatisierung Dynamische Restfahrzeugsimulation / Restbussimulation Nachbildung des Hochspannungsbordnetzes durch den Scienlab Dynamic DC-Emulator (DCE) Aufgabenadäquat parametrierbare Messdatenerfasssung Prüfprogramm- und Messdatenmanagement Sicherer Betrieb in der Prüfstandsumgebung auch in extremen Arbeitspunkten Systementwicklung Kühlung / Belüftung Sicherheits-System balance of plant Luft O Luft Brennstoffzelle rapid control prototyping elektrische Energie Dynamic DC-Emulator 5

6 Systemintegration Bei der Systemintegration wird das Brennstoffzellen-System stufenweise in die Fahrzeugumgebung integriert. Dabei werden Verbundtests mit weiteren Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes durchgeführt. Ziel ist, Entwicklungsstände freizugeben oder im Rahmen des Konfigurationsmanagements zu prüfen. Der Systemintegrations-Prüfstand bietet außer der Betriebsumgebung für das Brennstoffzellen-System Leistungs-Emulatoren, die Teile des Hochspannungs-Bordnetzes nachbilden sowie eine dynamische Restbus-Simulation. So kann zum Beispiel die Eingangsleistung des Inverters mit einem DC-Emulator nachgebildet werden, um das Zusammenspiel des DC / DC-Wandlers mit der Batterie und dem Brennstoffzellen-System bei Lastwechseln zu untersuchen. In diesem Szenario kann darüber hinaus auch die Batterie durch einen AC-Emulator ersetzt werden, sodass der Zustand der Batterie (Ladestand, Temperatur, Alter etc.) zur Beschleunigung der Tests per Software gewählt werden kann. Die übergeordneten Sicherheitsmechanismen gewährleisten dabei einen gefahrlosen Betrieb. Testumgebung für Fahrzeugsysteme Anwendungsfälle Stufenweise Integration von Brennstoffzellen-Systemen in die Fahrzeugumgebung Verbundtests mit weiteren HV-Komponenten (DC/ DC-Leistungswandler, Inverter, Batterie, BMS, etc.) Freigabe von Entwicklungsständen Testen des Konfigurationsmanagements Rückläufer-Analyse Highlights der Testumgebung Flexibel konfigurierbare Testfälle Virtualisierung der Fahrzeugumgebung durch Emulatoren (DC/ DC-Wandler, Batterie, E-Maschine, Bordnetz, Ladegerät, Energieversorgungs-Netz) Gefahrlose Versuche auch in extremen Betriebspunkten durch überlagerte Sicherheitseinrichtungen Effizienz durch Energierückspeisung Dynamische Restbussimulation in der HiL-Umgebung Systemintegration Kühlung / Belüftung Sicherheits-System balance of plant Luft O Luft Brennstoffzelle elektrische Energie Dynamic DC-Emulator DC / DC- Wandler Hochspannungs-Bus Dynamic DC-Emulator 6

7 Was Scienlab auszeichnet Um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge von morgen heute zu testen, bietet Scienlab individuelle Testumgebungen. Zahlreiche Konzerne, mittelständische Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit vertrauen dem Know-how von Scienlab, um ihre Produkte zu entwickeln und zu testen. Prüfsysteme für Brennstoffzellen und darüber hinaus Die Mitarbeiter bei Scienlab haben neben der Realisierung von Testsystemen für Brennstoffzellen zahlreiche weitere Prüfanwendungen im Blick. Im Scienlab Labor werden Testsysteme für unterschiedliche industrielle Produkte sowie für die Automotive- Komponenten des elektrifizierten Antriebsstrangs erstellt. Es ist der Anspruch von Scienlab, die hohen Qualitätsanforderungen unserer Kunden zu übertreffen. Neben schlüsselfertigen Testumgebungen für Brennstoffzellen- Fahrzeuge entwickelt Scienlab unter anderem Prüfsysteme für Energiespeicher, Ladegeräte und Ladeinfrastruktur, Wechselrichter, DC / DC-Wandler sowie für den Zusammenschluss mehrerer Komponenten. Im Common-Rail-Bereich bietet Scienlab Testlösungen für den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess von Aktoren und Injektoren. Als Entwicklungspartner und Engineering-Dienstleister realisiert Scienlab darüber hinaus kundenspezifische Lösungen. Dazu gehören individuelle Batteriesysteme inkl. Batterie-Management- System sowie Wechselrichter, analoge und digitale Mess- und Schaltungstechnik sowie Steuergeräte in Kleinserie für unterschiedliche Einsätze im Automobil und in der Industrie. Alles aus einer Hand von der Idee bis zur Inbetriebnahme vor Ort Garant für die Umsetzung individueller Ingenieurs-Dienstleistungen auf höchstem Niveau sind die Mitarbeiter aus dem Hause Scienlab: Am Standort Bochum werden alle Produkte entwickelt und produziert von der Hardware-Produktion über die Software- Entwicklung bis zur Abnahme. Weitere Standorte befinden sich in München und China (Shenyang). Das Verständnis der Anwenderbedürfnisse ist bei Scienlab tief verankert, wird im ständigen Dialog mit den Kunden weiterentwickelt und ist die Basis für Produkte, mit denen unsere Kunden ihre Aufgaben absolut effizient, zielgerichtet und verlässlich durchführen können. So entstehen High-End-Lösungen, die unseren Kunden den entscheidenden Wettbewerbsvorteil verschaffen. Scienlab ist Problemlöser für die Kunden und ermöglicht es, innovative Technologien schneller zur Marktreife zu bringen. Scienlab steckt voller Ideen, die vom Team Scienlab in neue Produkte übersetzt werden Premiumlösungen, mit denen unsere Kunden immer einen Schritt voraus sind. Scienlab arbeitet partnerschaftlich und legt Wert auf langfristige Geschäftsbeziehungen mit unseren Kunden und Partnern. Gemeinsam ermöglichen wir Erfolge und technologische Fortschritte, die sich in innovativen Produkten niederschlagen. Texte, Fotos und grafische Gestaltungen in diesen Unterlagen sind urheberrechtlich geschützt. Nutzung, Verbreitung oder Vervielfältigung nur nach Abstimmung mit Scienlab electronic systems GmbH. Bilder mit freundlicher Unterstützung durch ZBT - Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH. 7

8 P-BZT-1D-914 Scienlab electronic systems GmbH Lise-Meitner-Allee Bochum Germany phone fax web mail info@scienlab.de