Simulation der Brennstoffzellen-Hybridbus-Technologie an der University of Delaware

Der Brennstoffzellen-Hybridbus (FCHB), der Lehrpersonal und Studierende der University of Delaware auf der sechs Meilen langen Expressroute über den Campus befördert, dient als gut sichtbare Demonstration der Leistungsfähigkeit und der Vorteile der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie. Der Bus ist emissionsfrei und viel leiser als vergleichbare Dieselfahrzeuge. Er kann an einem einzigen Standort betankt und gewartet werden, was die Infrastrukturkosten senkt. Sein Serien-Hybridkonzept macht ihn zudem besonders effektiv für den Start-Stopp-Betrieb und die relativ niedrigen Geschwindigkeiten auf städtischen Buslinien.

Mithilfe von MATLAB^® und Simulink^® modellierten die Wissenschaftler der University of Delaware den FCHB, analysierten die Daten der zahlreichen Sensoren an Bord, verbesserten die Strategie für das Energiemanagement und gewannen wichtige Erkenntnisse für die Optimierung des Designs von Bussen mit Brennstoffzellen.

Simulink ermöglicht es uns, Designfragen zu lösen, deren Beantwortung mithilfe von Trial-and-Error-Hardware-Iterationen außerordentlich kostspielig wäre. Wir führen zum Beispiel Simulationen durch, die uns zeigen, wie sich der Bus verhält, wenn wir die Größe des Brennstoffzellenstapels verdoppeln oder verdreifachen. Andere Simulationen zeigen, was passieren würde, wenn wir die 4000-Pfund-Batterien an Bord auf 2000 Pfund reduzieren würden. Wir simulieren Änderungen am Fahrwerk und an der Gewichtsverteilung des gesamten Fahrzeugs. Durch die Analyse der Simulationsergebnisse können wir feststellen, ob ein bestimmtes Design effizienter ist, ob es weniger Wasserstoff pro zurückgelegtem Kilometer verbraucht oder ob es die Belastung der Batterien verringert. Unsere Erkenntnisse können wir dann an den Bushersteller Ebus weitergeben, der sie zur Verbesserung künftiger Designs nutzt.

Ein mehrjähriges Forschungsprojekt für unterschiedliche Busse

Das von der Federal Transit Administration finanzierte FCHB-Programm wurde 2005 gestartet, um Brennstoffzellenbusse und Wasserstofftankstellen in Delaware zu entwickeln und zu testen. Der erste Brennstoffzellenbus wurde 2007 in Betrieb genommen, der zweite im Jahr 2009 (Abbildung 1). Das Programm wird letztendlich vier Busse umfassen, wobei jeder einzelne konzeptionelle Verbesserungen und Erfahrungswerte seines Vorgängers einbezieht.

Was den FCHB der University of Delaware von anderen Brennstoffzellenbussen, die weltweit getestet werden, unterscheidet, sind seine relativ niedrigen Kosten. Unsere Busse kosten etwa 50% weniger als die derzeit in Betrieb befindlichen Brennstoffzellenbusse vergleichbarer Größe, was zum großen Teil darauf zurückzuführen ist, dass wir ein spezielles Serien-Hybrid-Design verwenden. Bei diesem Konzept wird die Brennstoffzelle in erster Linie zum Aufladen der Batterie und nicht für den direkten Antrieb des Fahrzeugs verwendet, sodass wir eine viel kleinere und kostengünstigere Brennstoffzelle einsetzen können. Der Brennstoffzellenstapel in unserem ersten Bus zum Beispiel liefert nur 20 kW Bruttoleistung, während vergleichbare Busse Stapel verwenden, die 5- bis 10-mal größer sind. Eine 20-kW-Brennstoffzelle (27 PS) liefert ungefähr die gleiche Leistung wie der Motor eines Rasenmähertraktors und ist dennoch in der Lage, Dutzende von Personen auf dem Campus zu befördern.

Die Brennstoffzellen haben sich in Kombination mit Batterien in einem Serien-Hybrid-Design als vollwertiger Antrieb für unsere 6,7 m langen Busse erwiesen, die 22 sitzende und 10 stehende Fahrgäste befördern. Die Busse werden an einer Wasserstofftankstelle in der Nähe des Campus aufgetankt, die von Air Liquide betrieben wird. Vollgetankt und aufgeladen haben die Busse eine Reichweite von 290 km.

Modellierung des ersten Busses

Wir haben den Bus und all seine Komponenten mit einer Simulink-Bibliothek modelliert, die vom Electric Power Research Institute (EPRI), einem unserer Konsortialpartner, entwickelt wurde. Die LFM-Bibliothek (Light, Fast, and Modifiable) ist flexibel und lässt sich leicht auf eine Vielzahl von Hybridfahrzeugplattformen anwenden. Mithilfe der von Ebus zur Verfügung gestellten Konstruktionsspezifikationen haben wir die Basisparameter für die wichtigsten Modellkomponenten festgelegt, darunter das Fahrgestell, das Getriebe, den Fahrmotor, die Batterien, das Brennstoffzellensystem und den Leistungskombinator (Abbildung 2). Darüber hinaus haben wir das Gleichgewicht der Anlage modelliert, das alle für den Brennstoffzellenstapel erforderlichen Zusatzkomponenten umfasst, einschließlich der Wasserstoffumwälzpumpe, des Luftkompressors und der Kühlmittelpumpe. Jede Komponente des Antriebsstrangs hat etwa sechs Eingänge, und das gesamte Modell liefert mehr als 30 Ausgänge, darunter den Ladezustand der Batterien, die Leistung der Brennstoffzelle, den Wasserstoffverbrauch und die regenerative Bremsleistung. Das Modell ist komplex und anspruchsvoll, aber da jede Komponente als Simulink-Block erfasst wird, ist es einfach, alle Subsysteme im Gesamtsystem zu verwalten.

Zur Validierung unseres Modells haben wir den Bus mit einem GPS-Empfänger und mehr als einem Dutzend Sensoren ausgestattet, die bei jeder Fahrt Spannung, Stromstärke, Temperatur, Durchflussmenge und Luftfeuchtigkeit an den wichtigsten Stellen im Bus messen. Anschließend simulierten wir denselben Fahrzyklus in Simulink und verglichen die gemessenen Daten mit den Simulationsergebnissen. Die Vorhersagen unseres Modells stimmten mit einer Genauigkeit von 5% mit den Fahrzeugdaten überein – das gibt uns die Gewissheit, dass das Modell künftig als zuverlässiges Konstruktionstool eingesetzt werden kann. Darüber hinaus haben wir die gemessenen Daten in MATLAB analysiert, um zu verstehen, wie die Leistung saisonal und täglich schwankt.

Verbesserung der Energiemanagementstrategie

In einem Hybridfahrzeug bestimmt die Energiemanagementstrategie, welche bordseitigen Stromerzeuger zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sind und mit welcher Intensität sie Strom erzeugen. Unser erster Bus verfügte noch über eine recht rudimentäre Energiemanagementstrategie. Wenn der Ladezustand der Batterie unter 65% fiel, aktivierte das System die Brennstoffzelle, um mit dem Aufladen der Batterie zu beginnen. Wenn das System sofort die maximale Leistung anforderte, lieferte die Brennstoffzelle diese, allerdings nur ineffizient, da sie sich außerhalb ihres optimalen Betriebsbereichs befand. Eines unserer ersten Ziele war es, diese Strategie zu verbessern.

Wir haben MATLAB und Simulink verwendet, um Energiemanagement-Strategien zu evaluieren, die das Wissen über die geplante Route einbeziehen. So ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel konstanter an seinem optimalen Wirkungsgradpunkt zu betreiben. Mit MATLAB ist es einfach, mehrere Simulationsläufe zu skripten und die Strategie oder andere Aspekte des Modells in jedem Durchlauf zu ändern. Mit diesem Ansatz haben wir eine Strategie ermittelt, die die beste Kombination aus Leistung und Effizienz bietet. Anschließend haben wir die Strategie durch Aktualisierung der eingebauten Programmable Logic Controller (PLC) umgesetzt. Mithilfe von Simulationen konnten wir den optimalen Zeitpunkt für die Aktivierung der Brennstoffzelle innerhalb des täglichen Fahrzyklus ermitteln, sodass die kombinierte Leistung von Brennstoffzelle und Batterie den Bedarf des Fahrzeugs für den Rest der Fahrt decken würde, wodurch die Nickel-Cadmium-Batterie belastet und Wasserstoff gespart würde.

Verbesserungen am zweiten Bus

Die Sensitivitätsanalyse spielte eine wichtige Rolle bei der Ermittlung von Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung. Für jedes wichtige Bauteil des Antriebsstrangs gibt es Parameter, die bei künftigen Konzepten möglicherweise geändert werden können. Wir haben MATLAB-Skripte entwickelt, mit denen diese Parameter im Simulink-Modell programmatisch verändert werden können. So können sie z. B. in einem Bereich von -30% bis +30% ihrer aktuellen Werte verschoben werden. Anschließend haben wir diese Skripte automatisch für mehrere Parameter ausgeführt. Nach Abschluss der Simulationen analysierten wir mit MATLAB die große Menge an Daten, die wir gesammelt hatten, und identifizierten und zeichneten die Parameter auf, die die Leistung am stärksten beeinflussen.

Als der Bushersteller mit der Entwicklung und Produktion des zweiten Busses der Serie begann, hatten wir bereits viel über die wichtigsten Leistungsparameter, die Dynamik der Brennstoffzelle und der Batterie sowie die Funktionsweise der Brennstoffzelle und der Batterien während des Fahrzyklus gelernt. Unsere Simulationen trugen dazu bei, die Entscheidung des Busherstellers zu untermauern, die Größe des Brennstoffzellenstapels auf etwa 40 kW zu verdoppeln (Abbildung 3).

Obwohl diese Änderung eine Verringerung der Batteriekapazität ermöglichen würde, haben wir uns entschieden, das gleiche Nickel-Cadmium-Batteriepaket zu verwenden, um zu vermeiden, dass eine erneute Überarbeitung des Pakets erforderlich gewesen wäre. Durch die Verdopplung des Brennstoffzellenstapels erhöhte sich die durchschnittliche Betriebsgeschwindigkeit des Busses von 18 auf 35 km/h, was den von unseren Simulink-Simulationen vorhergesagten Ergebnissen entsprach. Zudem konnte der Bus so anspruchsvollere Transitstrecken bewältigen und Straßen nutzen, die eine höhere Mindestgeschwindigkeit erfordern.

Unsere Busse sind mit einem innovativen Zellspannungsüberwachungssystem (Cell Voltage Monitoring, CVM) ausgestattet, das an der University of Delaware entwickelt und gefertigt wurde. Das System ermöglicht es uns, mehr über den Brennstoffzellenstapel auf einer sehr detaillierten Ebene zu erfahren, da es schädliche niedrige oder hohe Spannungen an den mehr als 100 einzelnen Zellen im Stapel erkennen kann. Das CVM-System tastet diese Spannungen einmal pro Sekunde ab und zeichnet sie auf. Wir können die Ergebnisse in Echtzeit über eine mobile Funkverbindung überwachen, die die Daten an einen Server im Labor überträgt, oder die aufgezeichneten Messungen später analysieren. Hier kommt wieder MATLAB als Software für die Erfassung, Analyse und Visualisierung der Daten ins Spiel.

Der dritte Bus und mehr

Der dritte Bus zeichnet sich durch erhebliche Designänderungen aus. Wie der zweite Bus wird er einen 40-kW-Brennstoffzellenstapel haben, aber wir wechseln von Nickel-Cadmium-Batterien zu Lithium-Ionen-Batterien, wodurch das Gewicht des Batteriepakets von 4000 Pfund auf etwa 1500 Pfund reduziert wird. Lithium-Ionen-Batterien weisen eine ausgezeichnete Lebensdauer auf und können schneller und häufiger geladen und entladen werden, was es uns ermöglicht, neue Strategien für das Energiemanagement in Simulink zu untersuchen. Dank der gesteigerten Leistung wird der Antriebsstrang in der Lage sein, einen größeren Bus bei höheren Dauergeschwindigkeiten zu fahren. Die Busse drei und vier werden 9 Meter lang sein und bis zu 10 Fahrgäste mehr befördern als die 7-Meter-Busse.

Im Rahmen der laufenden Forschung hat einer unserer Studierenden vor Kurzem eine Dissertation verfasst, in der der Einsatz von Superkondensatoren in einem gemischten Speichersystem mit Brennstoffzellen und Batterien untersucht wurde. Er modellierte die Superkondensatoren in Simulink und integrierte sie in unser FCHB-Modell, um moderne Energiemanagementstrategien zu simulieren und zu testen, die die schnellen Lade- und Entladeeigenschaften der Superkondensatoren nutzen. Diese Forschungsarbeit ist ein hervorragendes Beispiel für die Vorteile von Simulink in diesem Bereich. Es wäre unerschwinglich teuer und zeitaufwändig, diese Art von Ideen mit echter Hardware zu untersuchen. Simulink ermöglicht nicht nur die Untersuchung, sondern liefert auch sehr zuverlässige Ergebnisse. Dieser Doktorand ist inzwischen bei einem kalifornischen Unternehmen für Brennstoffzellenbusse angestellt, wo er seine im Rahmen des FCHB-Programms gewonnenen Erfahrungen einsetzt.

Als Wissenschaftler und Fakultätsmitglied begrüße ich das FCHB-Programm sehr. Unsere Doktoranden haben hervorragende Arbeit geleistet, und wenn wir den Bus über den Campus fahren sehen, wissen wir, dass die Simulationen wesentlich zur Verbesserung seiner Leistung beigetragen haben. Es kommt nicht oft vor, dass eine Studienarbeit einen so unmittelbaren und praktischen Nutzen bringt.