Neue Domänen erfordern neue Modelle

Die LABCAR-MODEL-Produktfamilie wächst um ein Modell für Brennstoffzellen

Fueling H2 gas

Die signifikante Reduktion der Treibhausgasemissionen im Straßenverkehr und die damit verbundene Entwicklung alternativer Antriebe stellt die Automobilindustrie vor eine gewaltige Herausforderung. Als emissionsfreier Energielieferant ist die Brennstoffzelle ein aussichtsreicher Kandidat. Im Rahmen einer mehrjährigen Forschungsarbeit hat ETAS ein Simulationsmodell von Brennstoffzellensystemen für Hardware- und Software-in-the-Loop-Tests entwickelt. Damit lassen sich entsprechende Steuergeräte und ihre Betriebsstrategien effizient testen.

Der Klimaschutzplan 2050 der deutschen Bundesregierung sieht bis 2030 eine Reduktion des Treibhausgasausstoßes im Straßenverkehr gegenüber 1990 um 40 bis 42 Prozent vor. Dies betrifft die Emissionen von PKWs, leichten und schweren Nutzfahrzeugen sowie den ÖPNV. Die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen hat zu einer Elektrifizierung des Antriebsstrangs geführt, der den Einsatz von Brennstoffzellen im automobilen Bereich begünstigt.

In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander; es entstehen elektrischer Strom, Wasser und Abwärme. Diese Reaktion produziert keine Treibhausgase, das heißt, sie ist vollkommen frei von schädlichen Emissionen.

Trotzdem ist die verfügbare Energiedichte vergleichbar mit der von konventionellen Kraftstoffen. Um die erforderliche Leistung für den Automobilbereich zu erzielen, werden einzelne Brennstoffzellen zu einem „Stack“ zusammengeschaltet. Auf diese Weise lassen sich Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Leistungsklassen, zum Beispiel für Nutzfahrzeuge oder PKWs, bereitstellen.

Um eine solche Energiequelle sicher in einem Fahrzeug zu betreiben, bedarf es eines neuen Komponentensteuergeräts, der Fuel Cell Control Unit (FCCU). Dieses sorgt für einen effizienten Treibstoffverbrauch und regelt die Energie-Erzeugung über die Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhr. Im Gegensatz zu den etablierten Motorsteuergeräten, die über Jahrzehnte hinweg entstanden, müssen bei der FCCU die Steuer-, Regel- und Diagnosefunktionen innerhalb weniger Jahre neu entwickelt und zur Serienreife gebracht werden. Um schnelle Entwicklungszyklen zu ermöglichen, ist das Testen und Validieren von FCCUs und ihren Betriebsstrategien gegen ein virtuelles Brennstoffzellensystem unerlässlich, zum Beispiel via Hard-ware-in-the-Loop (HiL) oder via Software-in-the-Loop (SiL).

Genau dazu hat ETAS im Rahmen einer Promotion mit der Uni Stuttgart ein Simulationsmodell für Brennstoffzellensysteme entwickelt: ETAS LABCAR-MODEL-FC. Dabei wurde großes Augenmerk auf eine einfache Parametrierung der komplexen elektrochemischen Vorgänge innerhalb einer Brennstoffzelle auf der Basis von leicht zugänglichen Größen gelegt. Das Modell ist auf die spezifischen Anforderungen der Automobilindustrie, wie etwa des Kaltstartverhaltens oder des Wassermanagements, ausgerichtet.

Durch den Einsatz von speziellen Solvern gestattet das Simulationsmodell Einblicke in die Wasser-, Temperatur- und Stromverteilung innerhalb des Stacks. Diese räumliche Auflösung erlaubt auch die Betrachtung von nichtlinearen Effekten, sodass selbst komplexe Regelungsfunktionen in der FCCU getestet werden können.

LABCAR-MODEL-FC ist speziell für den Einsatz auf den LABCAR HiL-Systemen und in COSYM-SiL-Virtualisierungslösungen konzipiert. Um diese Einsatzszenarien zu ermöglichen, wurde konsequent auf eine echtzeitfähige Implementierung geachtet. Damit stellt LABCAR-MODEL-FC eine realistische Modellierung eines Brennstoffzellensystems für das Testen und Validieren einer FCCU dar.

Fazit

Das Brennstoffzellenmodell LABCAR-MODEL-FC von ETAS ist ein Produkt am Puls der Zeit. Mit seiner Hilfe lassen sich die Steuergeräte für Brennstoff zellen-Antriebssysteme heute und in Zukunft effizient und sicher testen. Auf diese Weise leistet ETAS einen sichtbaren Beitrag zur Elektromobilität.

Autor

Dr. rer. nat. Martin Rosing ist Produktmanager im Bereich Test und Validierung bei der ETAS GmbH.

LABCAR-MODEL-FC wird Teil der LABCAR-MODEL-Produktfamilie. Jedes Modell dieser Familie dient dazu, Steuergeräte einer bestimmten Domäne zu testen.

Wissenschaftlich fundiert: LABCAR-MODEL-FC

Das Testen und Validieren von Steuergeräten für Brennstoffzellen-Antriebssysteme ist mit einer realen Brennstoffzelle aufwendig und auch nicht ganz ungefährlich. Mit LABCAR-MODEL-FC hat ETAS ein auf die Bedürfnisse der Automobilindustrie ausgerichtetes, neues Simulationsmodell entwickelt. Als Basis für dieses Modell diente eine von ETAS und der Universität Stuttgart gemeinsam betreute Dissertation. Damit hat es eine fundierte wissenschaftliche Basis und ist zugleich an der Praxis orientiert – ein Produkt von Ingenieuren für Ingenieure.

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