Brennstoffzelle: Simulationsmodelle helfen, Klimaziele zu erreichen

Der Klimaschutzplan 2050 der deutschen Bundesregierung sieht bis 2030 eine Reduktion des Treibhausgasausstoßes im Straßenverkehr gegenüber 1990 um 40 bis 42 Prozent vor. Dies betrifft die Emissionen von PKWs, leichten und schweren Nutzfahrzeugen sowie den ÖPNV. Die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen hat zu einer Elektrifizierung des Antriebsstrangs geführt, der den Einsatz von Brennstoffzellen im automobilen Bereich begünstigt.

In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander, wobei elektrischer Strom, Wasser und Abwärme entstehen. Diese Reaktion produziert keine Treibhausgase, das heißt, sie ist vollkommen frei von schädlichen Emissionen. Trotzdem ist die verfügbare Energiedichte vergleichbar mit der von konventionellen Kraftstoffen. Um die erforderliche Leistung für den Automobilbereich zu erzielen, werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Stack zusammengeschaltet. Auf diese Weise lassen sich Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Leistungsklassen, zum Beispiel für Nutzfahrzeuge oder PKW, bereitstellen.

Fuel Cell Control Unit (FCCU)

Um eine solche Energiequelle sicher in einem Fahrzeug zu betreiben, bedarf es eines neuen Komponentensteuergeräts, der Fuel Cell Control Unit (FCCU). Dieses sorgt für einen effizienten Treibstoffverbrauch und regelt die Energie-Erzeugung über die Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhr. Im Gegensatz zu den etablierten Motorsteuergeräten, die über Jahrzehnte hinweg entstanden, ist es bei der der FCCU erforderlich, die Steuer-, Regel- und Diagnosefunktionen innerhalb weniger Jahre neu zu entwickeln und zur Serienreifen zu bringen. Um schnelle Entwicklungszyklen zu ermöglichen, ist das Testen und Validieren von FCCUs und ihren Betriebsstrategien gegen ein virtuelles Brennstoffzellensystem unerlässlich, zum Beispiel via Hardware-in-the-Loop (HiL) oder via Software-in-the-Loop (SiL).

Genau dazu hat ETAS im Rahmen einer Promotion mit der Uni Stuttgart ein Simulationsmodell für Brennstoffzellensysteme entwickelt, das „LABCAR-MODEL-FC“. Dabei haben die Verantwortlichen großes Augenmerk auf eine einfache Parametrierung der komplexen elektrochemischen Vorgänge innerhalb einer Brennstoffzelle auf der Basis von leicht zugänglichen Größen gelegt. Das Modell ist auf die spezifischen Anforderungen der Automobilindustrie, wie etwa des Kaltstartverhaltens oder des Wassermanagements, ausgerichtet.

Durch den Einsatz von speziellen Solvern gestattet das Simulationsmodell Einblicke in die Wasser-, Temperatur- und Stromverteilung innerhalb des Stacks. Diese räumliche Auflösung erlaubt auch die Betrachtung von nichtlinearen Effekten, sodass sich selbst komplexe Regelungsfunktionen in der FCCU testen lassen.

Das Modell ist speziell für den Einsatz auf den Labcar-HiL-Systemen und in Cosym-SiL-Virtualisierungslösungen konzipiert. Um diese Einsatzszenarien zu ermöglichen, wurde konsequent auf eine echtzeitfähige Implementierung geachtet. Damit stellt Labcar-Model-FC eine realistische Modellierung eines Brennstoffzellensystems für das Testen und Validieren einer FCCU dar.

Fazit

Das Testen und Validieren von Steuergeräten für Brennstoffzellen-Antriebssysteme ist mit einer realen Brennstoffzelle aufwendig und auch nicht ganz ungefährlich. Mit Labcar-Model-FC hat ETAS ein auf die Bedürfnisse der Automobilindustrie ausgerichtetes, neues Simulationsmodell entwickelt. Laut Hersteller lassen sich mit dem Brennstoffzellenmodell die Steuergeräte für Brennstoffzellen-Antriebssysteme effizient und sicher testen. Als Basis für dieses Modell diente eine von ETAS und der Universität Stuttgart gemeinsam betreute Dissertation. Damit hat es eine fundierte wissenschaftliche Basis und ist zugleich an der Praxis orientiert.

(aok)