Viele Herausforderungen bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen sind noch zu meistern. Eine davon ist die kontinuierliche Bereitstellung elektrischer Energie für den großen Aktionsradius von Nutzfahrzeugen. Shangran Power setzt auf die Brennstoffzellentechnologie und nutzt einen Simulator von dSPACE, um die Software für die Brennstoffzelle effizient zu entwickeln und abzusichern. 

Wasserstoff gilt als der sauberste Energieträger des 21. Jahrhunderts. Die Brennstoffzellentechnologie, mit der sich aus Wasserstoff elektrische Energie gewinnen lässt, ist für viele Unternehmen in der Automobilindustrie daher ein Pfeiler der zukünftigen Energieversorgung. Aufgrund von Reichweitenanforderungen und Effizienzkriterien gilt dies insbesondere für den Bereich der kommerziellen Fahrzeuge. Das Technologieunternehmen Shanghai Fuel Cell Vehicle Power System Co., Ltd., kurz Shangran Power, arbeitet an der industriellen Bereitstellung leistungsfähiger Brennstoffzellensysteme. Seit 2001 stehen Systeme für die Leistungsbereiche 40 kW und 55 kW zur Verfügung. Der HIL-Testingenieur Zhang Lingxia, der für die Absicherung der Brennstoffzellen-Controllern sowie die Entwicklung und Wartung von HIL-Systemen verantwortlich ist, erläutert die Zielsetzung des Unternehmens

 „Gerade aus dem Nutzfahrzeugbereich erhalten wir viele Anfragen im Zusammenhang mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Mit einem neuen Hochleistungsbrennstoffzellensystem wollen wir eine auf Nutzfahrzeuge zugeschnittene Energieversorgungslösung anbieten.“

Das Brennstoffzellensystem mit der Bezeichnung START-300E ist für folgende Anforderungen ausgelegt:

  • Die Eigenschaften der Brennstoffzelle orientieren sich an den zukünftigen Einsatzbedingungen von Nutzfahrzeugen.
  • Der Wasserstoffverbrauch des Systems ist besonders niedrig. 
  • Das System verfügt über ein kompaktes, leicht zu integrierendes Design.
  • Das System zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und bietet eine konstante Leistungsabgabe.

Entwicklungs- und Testkonzept

Um diese Eigenschaften zu realisieren, bedarf es eines geeigneten Brennstoffzellenkonzepts, kombiniert mit einem leistungsfähigen Regler, um die Zelle optimal zu betreiben. Das Unternehmen entschied sich für den Aufbau einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die über besonders günstige Eigenschaften für den mobilen Einsatz verfügt. Die Entwicklung der Regler-Software erfolgte parallel zur Entwicklung der Brennstoffzellen-Hardware. Für Shangran Power war es dabei besonders wichtig, frühzeitig Erkenntnisse über die Funktion des Reglers zu erhalten und die Entwicklung so effizient wie möglich zu gestalten. Deshalb machte sich das Unternehmen auf die Suche nach einer geeigneten Lösung.

„Unsere Entwickler wollten neue Revisionsstände der Regelalgorithmen unserer Brennstoffzelle prüfen und diese auf ihre Leistungsfähigkeit hin untersuchen. Da sich die Hardware ebenfalls noch in der Entwicklung befand, waren wir auf der Suche nach einer geeigneten Entwicklungs- und Testlösung. Diese sollte auch für die Freigabetests des finalen Steuergerätes verwendbar sein“, berichtet Liu Fengwei, Leiter der Abteilung für elektrische und elektronische Steuerungen.


Im Gespräch mit dSPACE wurde ein simulationsbasiertes Vorgehen erörtert. Dabei stellte sich heraus, dass bei dSPACE eine vollständige Lösungskette für die Simulation von Brennstoffzellen sowie für die Absicherung der Regler zur Verfügung stand.

Die Vorgänge in der Brennstoffzelle lassen sich während der Simulation genau untersuchen. 

Aufbau des mit ASM modellierten Antriebsstrangs mit der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung. 

Der Schlüssel zum Erfolg: Simulation
Rendering der erfolgreich mit einem HIL-Simulator von dSPACE entwickelten und validierten Brennstoffzelle.

Der Schlüssel zum Erfolg: Simulation

Bei Shangran Power arbeiten vier Personen mit dem HIL-Simulator. Inklusive Inbetriebnahme dauerte es etwa zwei Monate, bis alle Entwickler mit dem Testsystem bestens vertraut waren. Nun gehört es zum Alltag der Entwickler und unterstützt sie bei ihrer Arbeit. Für die Übernahme in den Test-alltag musste die ASM-Brennstoffzellensimulation, die auf dem HIL-Simulator läuft, die Endabnahmeprüfung von Shangran Power bestehen, die auf einem automatischen Verifika­tionsverfahren für den gesamten Betriebsbereich basiert. Während des gesamten Tests war die Simulation in der Lage, alle Sicherheitsmargen einzuhalten und innerhalb aller von der Steuerungssoftware gesetzten und überprüften Grenzen zu arbeiten. Dies zeigte sich deutlich daran, dass im Software-Protokoll des Controllers keine Fehlercodes wie „Power Level Violation“ oder „Shutdown Condition Fault“ gespeichert wurden.

Zhang Lingxia berichtet, welchen Nut­zen sie erzielen konnten: „Die Effizienz beim Testen und Validieren hat sich durch den Einsatz des HIL-Simulators stark verbessert und damit auch die Zuverlässigkeit der Regler-Software.“ Er ergänzt: „Wir sind mit der Testlösung von dSPACE sehr zufrieden. Sie erfüllt unsere Anforderungen an einen umfassenden Funktionstest von Brennstoffzellen.“ Dazu tragen auch die vielen Konfigurationsmöglichkeiten von Simulator-Hardware und Simulationsmodellen bei. In den nächsten Schritten werden auch elektrische Fehlertests in der Absicherung eingesetzt. Ausgestattet mit einem leistungsfähigen Testsystem, sieht sich das Unternehmen gut gerüstet, mit zuverlässigen Komponenten die Elektrifizierung kommerzieller Fahrzeuge weiter voranzutreiben. 

(Links) Wesentliche Größen der virtuellen Brennstoffzelle werden während der Simulation anschaulich dargestellt.

(Rechts) Exakte Parametrierung und Analyse von hochgenau simulierten elektrochemischen Vorgängen in der Zelle.

Shanghai Fuel Cell Vehicle Power System Co., Ltd.

Im Jahr 2001 wurde die Shanghai Fuel Cell Vehicle Power System Co., Ltd. (im Folgenden „Shangran Power“ genannt) in Shanghai als Teil des nationalen „863 Program Major Special Project for Electric Vehicles“ gegründet mit dem Ziel, die Produktentwicklung und die Industrialisierung von großen Spezialprojekten für Elektrofahrzeuge zu realisieren. 

 

Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle, auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle oder Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle. Unter Verwendung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt je nach Arbeitspunkt etwa 60 Prozent. Als Elektrolyt dient dabei normalerweise eine feste Poly-mermembran. Um eine technisch relevante elektrische Spannung zu erzielen, werden mehrere Zellen (zehn bis mehrere hundert) zu einem so genannten Stack (dt.: Stapel) hintereinander in Reihe geschaltet.

Mit freundlicher Genehmigung von Shanghai Fuel Cell Vehicle Power System Co., Ltd.

 

Über die Autoren:

Liu Fengwei

Liu Fengwei

Abteilungsleiter, Elektrische und Elektronische Steuerungen, Shanghai Fuel Cell Vehicle Power System Co., Ltd.

Zhang Lingxia

Zhang Lingxia

HIL-Testingenieur, Shanghai Fuel Cell Vehicle Power System Co., Ltd.

dSPACE MAGAZINE, PUBLISHED NOVEMBER 2021

Weiterführende Informationen

  • Wasserstoff-Brennstoffzellen
    Wasserstoff-Brennstoffzellen

    Entwicklung und Test von Brennstoffzellentechnologien für Elektrofahrzeuge

Produktinformationen

  • ASM Fuel Cell
    ASM Fuel Cell

    ASM Fuel Cell is a model library for the real-time simulation of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell system and makes it possible to set up a realistic test environment for the ECU under test.

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