Unsere Mobilität muss auf CO₂-neutrale Technologien umgestellt werden. Dabei werden sich sicherlich nicht alle Mobilitätsbedürfnisse mit einer einzigen technischen Lösung befriedigen lassen. Wir werden daher unterschiedliche Technologien gleichzeitig benötigen.

Ein neues vielversprechendes Konzeptfahrzeug wurde nun am 27.01.2019 von einem Konsortium unter der Leitung des Antriebssystementwicklers AVL List GmbH in Graz, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster präsentiert: Es handelt sich um ein Hybridfahrzeug, das die Vorteile von herkömmlichen Elektroautos mit denen des Brennstoffzellenantriebs verbindet. Das komplexe Zusammenspiel dieser beiden Komponenten erfordert ausgeklügelte Regelungs- und Diagnoseverfahren für die Brennstoffzelle – daran wird am Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster geforscht.

Brennstoffzelle und Batterie

Ähnlich wie in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor erfolgt auch bei Brennstoffzellenfahrzeugen die Energiespeicherung getrennt von deren Umwandlung in Antriebsleistung: Der in einem Tank mitgeführte Wasserstoff wird über eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle direkt in elektrische Energie für das Antriebssystem umgewandelt. „Dadurch können Reichweite und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden, dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber reinen Batteriefahrzeugen“, sagt Prof. Stefan Jakubek vom Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien.

Das Hybridfahrzeug, das nun in Graz präsentiert wurde, kombiniert diese Vorteile mit den Vorteilen batteriebetriebener Elektrofahrzeuge: Durch die Hinzunahme einer Batterie ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade im Betrieb, die zur Verbesserung der Lebensdauer und Effizienz der Brennstoffzelle genutzt werden können.

Die Leistung, die eine Brennstoffzelle liefern muss, ändert sich während der Fahrt ständig. Dieser dynamische Betrieb bringt einige Herausforderungen mit sich: Der innere Zustand der Brennstoffzelle, etwa die Wasserstoff- oder Sauerstoffkonzentration oder die Feuchtigkeit der Membran, muss zu jedem Zeitpunkt innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Dieser Zustand muss also ständig diagnostiziert, geregelt und gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle einerseits möglichst effizient arbeitet und andererseits auch eine möglichst hohe Lebensdauer erreicht.

Die Herausforderungen: Diagnose und Regelungstechnik

Die Regelung eines Brennstoffzellensystems ist komplex: Es gibt eine große Anzahl von Stellgrößen, mit denen man die inneren Zustände der Brennstoffzelle beeinflussen kann. Sie sind stark miteinander gekoppelt und beeinflussen einander gegenseitig, daher ist es schwer zu durchschauen, welcher Eingriff in das System sich auf welche Weise auswirkt. „Zusätzlich hat man mit dem Problem zu kämpfen, dass man die inneren Zustände des Systems, die man eigentlich kontrollieren möchte, sensorisch gar nicht erfassen kann“, erklärt Dr. Daniel Ritzberger, PostDoc am Institut für Mechanik und Mechatronik.

An der TU Wien werden daher mathematische Modelle entwickelt, um das komplexe dynamische Verhaltendes Brennstoffzellensystems zu erfassen und in Echtzeit während des Betriebs mitzusimulieren. So wird das Modell zum „virtuellen Sensor“, der Auskunft über das Innere der Brennstoffzelle ermöglicht. So können Probleme während des Betriebs diagnostiziert werden, sodass die Regelung des Fahrzeugs automatisch immer die richtigen Entscheidungen trifft.

An der TU Wien wurde ein neuer Workflow für die Modellierung, Analyse, Versuchsplanung und experimentelle Parametrierung echtzeitfähiger Brennstoffzellenmodelle entwickelt. An der Entwicklung und am Aufbau des Konzeptfahrzeugs im Rahmen des Projekts „Keytech4EV“ waren neben dem Konsortialführer AVL auch die Firmen Hörbiger, Magna, ElringKlinger und IESTA beteiligt, wissenschaftliche Forschungsarbeit leisteten neben der TU Wien auch die TU Graz und HyCentA.

Die erfolgreiche Kooperation zwischen AVL List GmbH und dem Institut für Mechanik und Mechatronik im Bereich der Brennstoffzellenregelung und Diagnose umfasst mehrere Forschungsprojekte, darunter auch das Christian Doppler Labor Innovative Control and Monitoring of Automotive Powertrain Systems.

Kontakt

Prof. Stefan Jakubek
Institut für Mechanik und Mechatronik
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T +43-58801-325510
stefan.jakubek@tuwien.ac.at

Dr. Daniel Ritzberger
Institut für Mechanik und Mechatronik
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T +43-58801-325523
daniel.ritzberger@tuwien.ac.at