Entwicklung von Betriebsstrategien für Brennstoffzellen-Antriebssysteme von Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen

Felix Breuer

Nutzen für den Teilnehmer

Aus diesem Beitrag erhält Zuhörer einen Einblick in den Antriebsstrang eines schweren Fahrzeugs, welches mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist. Dabei wird die Komplexität dieses Antriebsstrangs sowie die Herausforderung beim Betrieb eines solchen Fahrzeugs aufgezeigt. Gleichzeitig wird eine Methodik präsentiert, die es auf Basis einer Optimierung ermöglicht Betriebsstrategien für solche Fahrzeuge zu entwickeln und entsprechende Steuerungen bzw. Regelungen abzuleiten.

Zusammenfassung

Um die Zielvorgaben für Treibhausgasemissionen zu erreichen, gewinnt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs für schwere Fahrzeuge, wie Nutzfahrzeuge und mobile Maschinen, zunehmend an Bedeutung. Schwere Lkw im Fernverkehr sowie mobile Maschinen werden nach wie vor überwiegend mit fossilen Kraftstoffen angetrieben. Diese Fahrzeuge haben einen erheblichen Anteil an den gesamten CO2-Emissionen, was zum Teil auf ihr Gewicht und ihren Einsatzbereich zurückzuführen ist. Die schnelle Betankungsmöglichkeit und die hohe gravimetrische Energiedichte von Wasserstoff machen die Brennstoffzelle zu einer attraktiven Lösungsoption für emissionsfreie Antriebe. Aufgrund der langsamen Reaktionszeit des Brennstoffzellensystems auf schnelle Lastwechsel ist ein Energiespeichersystem als Puffer erforderlich. Darüber hinaus beschleunigt eine hohe Lastdynamik den Alterungsprozess des Brennstoffzellensystems. Die Kombination aus Energiespeicher und Brennstoffzellensystem ermöglicht Wasserstoffeinsparungen durch Lastpunktverschiebung und regeneratives Bremsen. Eine zentrale Herausforderung ist es daher, die Batterieladung innerhalb der maximalen Lade- und Entladegrenzen zu halten. Um auch dauerhaft eine elektrische Bremsfähigkeit zu gewährleisten, kann ein Bremswiderstand den Retarder als zusätzliche Stromsenke in einem Antriebsstrang mit Brennstoffzelle ersetzen. Die unterschiedlichen Anforderungen an die Komponenten, wie Betriebsbereiche, Alterungsmechanismen, Wirkungsgrade und Fahrzeuganforderungen, führen zu erheblichen Herausforderungen für den Betrieb des Fahrzeugs. Ein effizienter und nachhaltiger Betrieb des Fahrzeugs erfordert daher eine ausgeklügelte Betriebsstrategie. In diesem Beitrag wird am Beispiel eines Langstrecken-Brennstoffzellen-Lkw die Herausforderungen beim Betrieb eines Brennstoffzellen-Antriebstrangs dargestellt. Gleichzeitig wird eine übertragbare Methodik zur Entwicklung von Betriebsstrategien auf Basis von Optimierungsansätzen präsentiert.