MA – Brennstoffzellen-Batterie-Hybrid-System für einen Leistungsbereich um 25 kW

Evaluierung eines Brennstoffzellen-Batterie-Hybrid-Systems für einen Leistungsbereich um 25 kW

Kurzzusammenfassung

Die vorliegende Arbeit umfasst die Evaluation eines Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystems für einen Leistungsbereich um 25 kW. Den Ausgangspunkt bildet zunächst die Untersuchung und Gegenüberstellung verschiedener Schaltungstopologien eines Hybridsystems. Des Weiteren beschäftigt sich die Arbeit mit der theoretischen Betrachtung der Kernkomponenten des ausgewählten Gesamtsystems, bestehend aus einer PEM-Brennstoffzelle, einer Lithium-Ionen-Batterie, zwei Gleichspannungswandlern und der Energiemanagementeinheit. Anschließend wird das Hybridsystem simulativ aufgebaut, um Auslegungskriterien und Betriebskonzepte anhand verschiedener Lastprofile auf System- und Komponentenebene analysieren und bewerten zu können. Zudem wird ein Energiemanagement-Verfahren entwickelt, dessen Fokus auf der Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Beanspruchung der Brennstoffzelle liegt. Die Begrenzung des Stromgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle spielen dabei eine wichtige Rolle, um die Lebensdauer dieser zu erhöhen.

Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der technischen Realisierung des Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystems. Durch die elektrische Verschaltung und Ansteuerung aller Kernkomponenten, der Programmierung des Energiemanagements sowie der Inbetriebnahme des Gesamtsystems kann dieses untersucht und vermessen werden. Nach erfolgreichem Funktionsnachweis des Energiemanagement-Verfahrens in realer Testumgebung werden anschließend die Prozessdaten mit den Simulationsergebnissen analysiert und bewertet. Der Vergleich zwischen realen und simulativen Ergebnissen ergibt eine sehr gute Übereinstimmung kleiner 1 %. Abschließend werden als Vorschlag für die Weiterführung des Projektes zukünftige Optimierungsmöglichkeiten zur Verbesserung der Gesamtsystemeffizienz aufgezeigt.

Abstract

The present thesis comprises the evaluation of a fuel cell-battery hybrid system for a power range around 25 kW. The starting point is the investigation and comparison of different circuit topologies of a hybrid system. Furthermore, the thesis deals with the theoretical consideration of the core components of the selected overall system, consisting of a PEM fuel cell, a lithium-ion battery, two DC/DC converters and the energy management unit. The hybrid system is then simulated to analyze and evaluate design criteria and operating concepts based on various load profiles at the system and component levels. In addition, an energy management procedure is developed that focuses on minimizing hydrogen consumption while reducing dynamic stress on the fuel cell. Limiting the current gradient and the operating range of the fuel cell play an important role in increasing its lifetime.

Another part of the thesis deals with the technical realization of the fuel cell-battery hybrid system. The electrical interconnection and control of all core components, the programming of the energy management as well as the commissioning of the entire system allow it to be examined and measured. After successful functional verification of the energy management process in a real test environment, the process data is analyzed and compared with the simulation results. The comparison between real and simulated results shows a very good agreement of less than 1 %. Finally, future optimization possibilities for improving the overall system efficiency are identified as a proposal for the continuation of the project.

Bearbeiter: David Wagner

Betreuer: Dr.-Ing. Bernd Eckardt (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761139; Email: Bernd.Eckardt@iisb.fraunhofer.de;
Michael Braunecker (Siemens Gas and Power GmbH & Co. KG) – Telefon: 09131-1750852; Email: michael.braunecker@siemens.com

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März