Steuerung und Lademanagement eines Brennstoffzellen-basierten Hybridsystems

Kurzfassung Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung der Steuerung eines hybriden elektrischen Antriebsstrangs. Ausgangspunkt ist ein elektrischer Antrieb, der von einem Akku gespeist wird. Dieser Akku soll während des Betriebs mit einer Methanol-betriebenen Brennstoffzelle nachgeladen werden. Hier soll keine Direktmethanol - Brennstoffzelle zum Einsatz kommen, sondern eine Kombination aus Methanol - Reformer, der ein wasserstoffreiches Gas generiert, und einer Hochtemperatur - Brennstoffzelle (HTPEM - FC).

Die Arbeit umfasst dabei die allgemeine Betriebsstrategie wie Ladezyklen, Standby - Phasen etc, die Steuerung des Reformers und den Betrieb der Brennstoffzelle in einem neu entwickelten Ladekonzept. Während die Grundlagenentwicklung auf einem Rapid - Prototyping - System stattfindet, soll als Ziel der Arbeit die Steuerung auf ein Embedded - System übertragen werden. Hierbei steht insbesondere die HW - Unabhängigkeit der Steuerung im Vordergrund.

Die Entwicklung der Reformer - Steuerung umfasst die Strategie zum Aufheizen des Systems mit minimalem elektrischen Energieverbrauch, da diese Energie im Start von der Batterie entnommen wird und daher grundsätzlich als Restladung zur Verfügung stehen muss. Im Gegensatz zu den üblichen Systemen wird in diesem System der Reformer im Betrieb nach der Last moduliert und nicht umgekehrt. Dabei dient die Brennstoffzelle als Lastsensor.

Die Steuerung der Brennstoffzelle beinhaltet neben An- und Abfahrstrategien insbesondere die Lastregelung. Dabei wird die Last als unbekannt, nicht beeinflussbar und unstetig angenommen. Die Ladeschaltung regelt die Ladung der Batterie unter bestmöglicher Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wasserstoffs und verhindert gleichzeitig eine Überlastung der Brennstoffzelle bei plötzlicher Laständerung wie z.B. dem Zuschalten von Motoren. Hierbei wird die bekannte Tiefsetzsteller - Schaltung dahingehend weiterentwickelt, dass möglichst alle großen und schweren Komponenten durch Batterie- und Brennstoffzellen-interne Effekte minimiert werden oder ganz entfallen können. Der Nutzungsgrad des zur Verfügung stehenden Wasserstoffs wird in die Reformersteuerung zurückgekoppelt.

Nach Kopplung von Reformer- und Brennstoffzellen - Steuerung wird das System in eine Embedded - Steuerung portiert. Hierbei wird insbesondere auf die Strukturierung der Software geachtet. Die Einführung eines Hardware - Abstraktions - Layers ermöglicht die Implementierung von hardwareunabhängigem Steuerungscode und Hardware - Treibern, ohne dabei die Performance signifikant zu verschlechtern oder die Echtzeitfähigkeit zu beeinflussen.