Wie sollen Lkw, Busse und Baumaschinen zukünftig angetrieben werden? Für Hyzon Motors Inc. ist die Antwort klar: mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Dafür entwickelt das Unternehmen nicht nur zahlreiche Schlüsseltechnologien, sondern beteiligt sich auch aktiv am Aufbau einer Versorgungsinfrastruktur für sauberen Wasserstoff. Bei der Steuergeräte-Absicherung setzt Hyzon auf dSPACE Technologie.
Die Brennstoffzelle stellt elektrische Energie bereit, ohne dabei CO2 oder Schadstoffe freizusetzen, und rückt deshalb in der Energie- und der Automobilwirtschaft zunehmend als klimafreundlicher Energielieferant in den Fokus. Angesichts besonderer Reichweitenanforderungen und Effizienzkriterien ist sie im Mobilitätssektor insbesondere für Nutzfahrzeuge eine interessante Option. Sie wandelt chemische Energie, die bei einer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff frei wird, in elektrische Energie um. Weil Wasserstoff in der Natur nur in Verbindungen vorkommt, beispielsweise zusammen mit Sauerstoff in Wasser, muss dieser zunächst isoliert werden, was meist durch Elektrolyse erfolgt. Nur wenn der dafür eingesetzte Strom emissionsfrei erzeugt wurde, ist die Technologie wirklich klimaneutral.
Sauber, bezahlbar, überall verfügbar
Dafür setzt sich das US-amerikanische Unternehmen Hyzon Motors Inc. mit Sitz in Rochester, New York, ein und beteiligt sich aktiv an der Entstehung einer flexiblen und robusten Versorgungsinfrastruktur für sauberen Wasserstoff. Die Vision: bezahlbarer Wasserstoff, der überall verfügbar ist und ausschließlich mittels erneuerbarer Ressourcen wie Biogas oder -methan, Sonne und Wind oder Abfall gewonnen wird. Dabei setzt das Unternehmen gemeinsam mit verschiedenen Partnern auf die lokale Produktion von Wasserstoff, um kostspielige Transporte zu minimieren.
Im Kerngeschäft entwickelt und produziert Hyzon emissionsfreie PEM (Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzellensysteme und verbaut diese in Nutzfahrzeugen, zum Beispiel Lkws. Das Unternehmen zählt zu den weltweit führenden OEMs für wasserstoffbasierte Brennstoffzellentechnologien zum Antrieb von Schwerlastfahrzeugen.
Kein Brennstoffzellensystem ohne FCU
Das Herzstück jedes Brennstoffzellensystems ist sein zentrales Steuergerät, die FCU (Fuel Cell Control Unit). Über verschiedene Regelalgorithmen steuert sie das gesamte System mit seinen verschiedenen Komponenten wie Wasserstoffeinspritzung, Ventilen, Pumpen und Kompressoren. „Um die Entwicklung der benötigten FCU-Software so effizient wie möglich zu gestalten, wollten wir diese schon in sehr frühen Phasen immer wieder testen und optimieren können – auch schon weit bevor ein reales Brennstoffzellensystem zur Verfügung steht“, berichtet Daniel Kang, der als Software Test Manager die Entwicklung der Regler-Software bei Hyzon Motors mit verantwortet.
Hyzon benötigte also ein System, mit dem sich alle für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems relevanten Funktionen einer FCU abtesten lassen und das für die Simulation der FCU-Umgebung ein Brennstoffzellenmodell beinhaltet. Die gesuchte Testlösung sollte das Entwicklerteam auch bei weiteren Aufgaben unterstützen, zum Beispiel bei dem Erstellen eines Katalogs mit automatisierten Regressionstests, die bei jeder neuen Software-Version durchgeführt werden.
Die erste Software-Version für die FCU funktionierte sehr schnell, da wir im Vorfeld bereits viele Tests auf dem HIL-System durchgeführt hatten. Dabei konnten wir nicht nur alle wesentlichen Ein- und Ausgänge, sondern auch die geschlossenen Regelkreise überprüfen und so sicherstellen, dass unsere Software funktionierte, bevor wir sie auf ein reales System übertrugen.
Skalierbare Testlösung für FCU-Software
Hyzon machte sich auf die Suche nach einem Anbieter, der sowohl eine passende Plattform für Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests als auch ein echtzeitfähiges Streckenmodell für Brennstoffzellensysteme liefern kann. „dSPACE war einer der wenigen Anbieter, der diese beiden Produkte in einer integrierten Lösung anbieten konnte“, so Daniel Kang. Hyzon entschied sich für eine flexibel skalierbare HIL-Testlösung von dSPACE mit leistungsstarker Echtzeit-Simulationshardware, die über alle relevanten Schnittstellen für den Anschluss der FCU verfügt. Softwareseitig macht die dSPACE Modellbibliothek ASM Fuel Cell, die neben dem Modell des Brennstoffzellensystems noch Modelle für Antriebsstrang, E-Motoren, Batterie und Fahrwiderstände enthält, die Lösung komplett. Sie ermöglicht die Echtzeitsimulation der Brennstoffzellensysteme und den Aufbau einer realistischen Testumgebung für die FCU. Mit dieser Kombination aus HIL-System und passendem Streckenmodell konnten die Entwickler die FCU-Software schon bald effizient testen und erste Kalibrierungen vornehmen, ohne sie überhaupt auf ein reales System aufspielen zu müssen.
Hyzon nutzt eine integrierte Lösung von dSPACE, um FCUs effizient zu testen, ohne sie auf einem realen System einsetzen zu müssen. Die Testlösung kombiniert leistungsstarke Echtzeit-Simulationshardware mit einem echtzeitfähigen Streckenmodell für Brennstoffzellensysteme.
Integration von HIL-Tests in die FCU-Entwicklung
Inzwischen führt Hyzon die HIL-Tests standardmäßig bei jeder neuen FCU-Software-Version durch, zum Beispiel um Software-Funktionen gezielt auf Komponentenebene zu testen. Auch neue Regelstrategien testet das Entwicklerteam zunächst im dSPACE HIL-System, um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktionieren, oder um potenzielle Probleme früh zu beheben. Die Möglichkeit der frühzeitigen Software-Kalibrierung hat sich als besonders effizienzsteigernd erwiesen: Bei den späteren Leistungstests im realen System ist die FCU-Software schon sehr viel ausgereifter, als das bei früheren Tests der Fall war. Inzwischen nutzen die Entwickler das dSPACE HIL-System auch, um Probleme, die im realen Brennstoffzellensystem aufgetreten sind, nachzustellen und zu beheben.
Von I/O bis Closed-Loop
Die HIL-Tests, die Hyzon mit der dSPACE Lösung durchführt, reichen von grundlegenden I/O-Tests, bei denen sämtliche Ein- und Ausgänge der FCU (digital, analog und CAN) auf ihre korrekte Funktion hin überprüft werden, bis hin zu Closed-Loop-Tests der Regelkreise. Im Rahmen der Closed-Loop-Tests überprüft das Entwicklerteam zum Beispiel, ob sichergestellt ist, dass alle Sollwerte nach einer vorher festgelegten Einschwingzeit mit ihren Istwerten übereinstimmen und somit alle geschlossenen Regelkreise stabil sind. Mit dem Simulationsmodell ASM Fuel Cell ist es möglich, unter anderem folgende Größen im Detail zu untersuchen:
- Anodenausgangsdruck
- Kathodenluftstrom
- Kompressordrehzahl und -ausgangsdruck
- Ein- und Austrittstemperatur des Stack-Kühlmittels
An die Qualität der dSPACE HIL-Hardware und -Software kommt für mich kein anderes HIL-System heran. Insgesamt bin ich sehr zufrieden mit dem HIL-System und damit, wie es uns geholfen hat, unsere Software-Testmöglichkeiten zu verbessern.
Erste Erfolge mit der dSPACE Lösung
„Dank der zahlreichen Vorabtests, die das Entwicklerteam mit dem HIL-System durchführen konnte, war das erste Software-Release für die FCU sehr schnell funktionsfähig – noch bevor es überhaupt auf ein reales System aufgesetzt wurde“, freut sich Daniel Kang. Als die Entwickler schließlich in der Lage waren, die Software auf einem echten System einzusetzen, konnten sie dieses in relativ kurzer Zeit erfolgreich in Betrieb nehmen. Diesen Erfolg führten sie auf die umfangreichen Tests mit dem HIL-System zurück.
Auch bei der Nachbildung potenziell kritischer Testszenarien erweist sich das HIL-System als „Gamechanger“: Betriebsbereiche mit Zellströmen, Temperaturen und Drücken, die außerhalb des normalen Betriebsbereichs liegen, lassen sich nun leicht in die Tests miteinbeziehen – ohne dabei Schäden am realen Brennstoffzellensystem befürchten zu müssen. Die schnelle Aktualisierung und Funktionserweiterung des Brennstoffzellensystems per Mausklick ermöglicht es dem Entwicklerteam außerdem, neue Steuerungssoftware schnell und flexibel auf verschiedenen Systemen und Systemständen zu testen.
Fazit und Ausblick
Auf seine Erfahrungen mit der dSPACE Testlösung angesprochen, zieht Daniel Kang ein durchweg positives Resümee: „Ich habe bereits Erfahrung mit anderen HIL-Systemen. An die Qualität der dSPACE HIL-Hardware und -Software kommt für mich keines heran. Besonders hervorzuheben ist die hohe Skalierbarkeit der Testsysteme: Sie sind so konzipiert, dass sie sich mühelos an neue Konfigurationen anpassen lassen. Insgesamt bin ich sehr zufrieden mit dem HIL-System und damit, wie es uns geholfen hat, unsere Software-Testmöglichkeiten zu verbessern.“
Derzeit setzt Hyzon die HIL-Systeme bereits erfolgreich für die Entwicklung der nächsten FCU-Generation ein. Darüber hinaus arbeitet Hyzon kontinuierlich an technologischen Fortschritten – über sämtliche Schlüsselkomponenten von Brennstoffzellen hinweg. Zukünftig dürften uns also noch spannende Neuerungen im Wasserstoffsektor erwarten.
Mit freundlicher Genehmigung von Hyzon Motors Inc.
dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT JULI 2023
