Diplomarbeit zum

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Diplomarbeit zum

Technische Fachhochschule
Berlin
University of Applied Sciences
Technische Fachhochschule Berlin
Fachbereich VIII Maschinenbau, Verfahrens– und Umwelttechnik
Diplomarbeit
Vergleich von Energiesystemen zum Antrieb von Elektrofahrrädern
unter Einbeziehung einer Brennstoffzelle als Hybridsystem
Angefertigt am Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in Berlin
Betreuer: Dr.-Ing. Robert Hahn, Fraunhofer IZM
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Krämer, TFH-Berlin
Eingereicht von:
Severin Neubauer
Eingereicht am:
25.10.2006
Matrikel-Nr.:
s706206
Anschrift:
Danzigerstr.96,10405 Berlin
Tel.:
01774455296
E-Mail:
[email protected]
Fachrichtung:
Maschinenbau/Produktionsinformatik
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit erkläre ich, Severin Neubauer, geboren am 09.07.1974 in Meersburg an Eides
statt, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig und ohne unerlaubte Hilfe
angefertigt, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die
benutzten Quellen, wörtlich oder inhaltlich entnommene Stellen, als solche kenntlich
gemacht habe. Diese Arbeit hat in gleicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen.
Berlin, den 25.10.2006
Unterschrift
I
Inhaltsverzeichnis
Eidesstattliche Erklärung ...................................................................................................I
Abbildungsverzeichnis....................................................................................................IV
Tabellenverzeichnis....................................................................................................... VII
Formelverzeichnis ........................................................................................................ VIII
1. Einleitung ......................................................................................................................1
1.1 Aufgabenstellung ....................................................................................................2
1.2 Durchführung ..........................................................................................................2
2. Grundlagen und Stand der Technik...............................................................................3
2.1 Erläuterung zu Elektrofahrrädern............................................................................3
2.2 Übersicht Pedelecs ..................................................................................................5
2.3 Prototyp...................................................................................................................6
2.4 Übersicht Elektrofahrräder mit Brennstoffzellenantrieb.........................................7
2.5 Elektromotoren und Elektronik...............................................................................8
2.5.1 Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren.............................................................9
2.5.2 EC-Motoren .....................................................................................................9
2.5.3 Motorcontroller ..............................................................................................10
2.5.4 Spannungswandler .........................................................................................12
3. Übersicht Energiespeicher ..........................................................................................13
3.1 Akkusysteme .........................................................................................................14
3.1.1 NiMH-Akku ...................................................................................................14
3.1.2 Li-Ionen-Mangan-Akku .................................................................................16
3.1.3 Li-Ionen-Akku Gaia .......................................................................................17
3.2 Brennstoffzellensysteme .......................................................................................18
3.2.1 Brennstoffzellenstack.....................................................................................20
3.3 Wasserstoffspeicher ..............................................................................................22
3.4 Doppelschichtkondensator ....................................................................................24
4. Dimensionierung und Konstruktion............................................................................27
4.1 Dimensionierung...................................................................................................27
4.2 Konstruktion und Modellierung............................................................................30
4.2.1 Fahrradrahmen ...............................................................................................31
4.2.2 Li-Ionen-Akkusystem Gaia............................................................................31
4.2.3 Li-Ionen-Mangan-Akkusystem ......................................................................38
4.2.4 NiMH-Akkusystem ........................................................................................40
4.2.5 Brennstoffzellensystem von MES-DEA ........................................................41
4.2.6 Metallhydridspeicher......................................................................................49
4.2.7 Supercaps .......................................................................................................53
4.2.8 DC/DC Wandler.............................................................................................57
4.2.9 PEM-BZ System ............................................................................................65
4.3 Digitales Mock-Up des PEM-BZ Systems ...........................................................68
4.3.1 Wärmeübertragung durch Konvektion auf den Hydridspeicher ....................68
4.3.2 Wärmeübertragung durch Konduktion auf den Hydridspeicher....................70
5. Realisierung ................................................................................................................73
5.1 Definition Fahrzyklus ...........................................................................................73
5.2 Messungen am Fahrrad .........................................................................................73
5.3 Messplatz ..............................................................................................................76
5.3.1 Messplatzaufbau.............................................................................................76
5.4 Messungen PEM-BZ System ................................................................................78
5.4.1 Berechnungsgrundlagen für die Messwertauswertung ..................................78
5.4.2 Brennstoffzellensystem MES-DEA ...............................................................81
5.4.3 PEM-BZ System ohne DC/DC Wandler .......................................................83
5.4.4 PEM-BZ System mit DC/DC Wandler ..........................................................88
II
5.4.5 Untersuchung des Wirkungsgrades des DC/DC Wandlers............................90
5.4.6 Kapazität bei höchstem Wirkungsgrad ..........................................................92
5.4.7 Kapazität bei reduzierter Last ........................................................................93
5.4.8 Wirkungsgradbetrachtung ..............................................................................94
5.5 Messungen an den Akkusystemen ........................................................................94
5.5.1 Nickelmetallhydrid-Akku ..............................................................................95
5.5.2 Li-Ionen-Akkusystem Gaia............................................................................96
5.5.3 Li-Ionen-Mangan-Akkusystem ......................................................................97
6. Ergebnisauswertung ....................................................................................................99
6.1 Interpolation auf 6 kg ............................................................................................99
6.2 Interpolation auf 8 kg ............................................................................................99
6.2.1 Akkusystem-HP Gaia...................................................................................100
6.2.2 Akkusystem-HE Gaia...................................................................................100
6.2.3 Li-Ionen-Mangan-Akkusystem ....................................................................101
6.2.4 NiMH-Akkusystem ......................................................................................101
6.2.5 PEM-BZ System ..........................................................................................102
6.2.6 Betrachtung der Gewichts- und Volumenverhältnisse.................................103
6.3 Interpolation auf 9,63 kg .....................................................................................105
6.3.1 PEM-BZ System ..........................................................................................105
6.3.2 Li-Ionen-Mangan-Akkusystem ....................................................................105
6.3.3 Akkusystem-HE Gaia...................................................................................106
6.3.4 Betrachtung der Gewichts- und Volumenverhältnisse.................................106
6.4 Weiterführender Vergleich und grafische Darstellung .......................................108
6.4.1 Darstellung des Gewichts und der Energie der Systeme .............................108
6.4.2 Berechnung der Reichweite .........................................................................109
7. Zusammenfassung und Ausblick ..............................................................................111
8. Abkürzungen und Formelzeichen .............................................................................113
9. Quellenverzeichnis....................................................................................................118
Anhang ..........................................................................................................................120
CD-ROM.......................................................................................................................146
III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Unterstützendes Fahren beim Pedelec [2] ..................................................4
Abbildung 2: Pedelec [3] ..................................................................................................4
Abbildung 3: E-bike [3] ....................................................................................................4
Abbildung 4: Aprilia Enjoy Racing [4].............................................................................5
Abbildung 5: Giant Lafree Twist [4] ................................................................................5
Abbildung 6: KTM Life Blitz [4] .....................................................................................5
Abbildung 7: Yamaha XPC Deluce [4] ............................................................................5
Abbildung 8: Prototyp [1] .................................................................................................6
Abbildung 9: Prototyp [1] .................................................................................................6
Abbildung 10: Manhattan Scientific [6] ...........................................................................7
Abbildung 11: Palcan [7] ..................................................................................................7
Abbildung 12: MES-DEA/Gore [8] ..................................................................................7
Abbildung 13: Pios Jörg Weigl [9] ...................................................................................7
Abbildung 14: Masterflex Swizbee [10] C50 ...................................................................8
Abbildung 15: Prinzip Gleichstromsteller [1].................................................................10
Abbildung 16: Strom und Spannungsverläufe eines Gleichstromstellers [1] .................11
Abbildung 17: Nachrüstsatz von Heinzmann [12]..........................................................11
Abbildung 18: Pulsfrequenzmodulation [1]....................................................................12
Abbildung 19: Aufwärtswandler Prinzip [1] ..................................................................12
Abbildung 20: Vergleich von spez. Energie- und Leistungsdichte [1]...........................13
Abbildung 21: Elektrodenaufbau NiMH Zelle [15]........................................................14
Abbildung 22: Saft VH D 9500 [1].................................................................................14
Abbildung 23: Lade-und Entladeprozesse einer Li-Ionen Zelle [19] .............................16
Abbildung 24: Aufbau der Zelle von Gaia [19] ..............................................................17
Abbildung 25: Schematischer Aufbau einer PEM-Zelle [1]...........................................18
Abbildung 26: ZSW 250 W Stack [25]...........................................................................20
Abbildung 27: Fuyuan 200 W Stack [25] .......................................................................20
Abbildung 28: MES-DEA 300 W Stack [25] .................................................................20
Abbildung 29: Staxon 360 W Stack [25] ........................................................................20
Abbildung 30: Übersicht Energiespeicher [28]...............................................................23
Abbildung 31: Hera Metallhydridspeicher [1]................................................................24
Abbildung 32: Aufbau Supercap [30] .............................................................................24
Abbildung 33: Ersatzschaltbild des Supercaps [1] .........................................................24
Abbildung 34: Lade- und Entladekurve im Vergleich [29] ............................................25
Abbildung 35: Darstellung Lastprofil für ein Hybridsystem [1] ....................................29
Abbildung 36: Ablaufschema zur Konstruktion [1] .......................................................30
Abbildung 37: Aluminiumrahmen Duncon [1]...............................................................31
Abbildung 38: Einzelzelle Gaia HP 7,5 [1] ....................................................................32
Abbildung 39: Akkupack Gaia 10S1P HP 7,5 [1] ..........................................................32
Abbildung 40: Zusammenbau Akkusystem [1] ..............................................................32
Abbildung 41: Einbau des Systems in die Ledertasche [1] ............................................33
Abbildung 42: Einbau des Systems in den Fahrradrahmen [1] ......................................33
Abbildung 43: Gaia-Akkusystem ohne Verkabelung [31] .............................................34
Abbildung 44: Verkabeltes Gaia-Akkusystem [1]..........................................................35
Abbildung 45: Layout Batteriemanagement [32] ...........................................................35
Abbildung 46: Parameter für das Balancing [33] ...........................................................36
Abbildung 47: Skizze für die Konfiguration 10S1P [1] .................................................38
Abbildung 48: Li-Ionen-Mangan-Akkusystem mit Balancer [1] ...................................39
Abbildung 49: NiMH-Akkusystem von Heinzmann [1].................................................40
Abbildung 50: MES-DEA Brennstoffzellenstack [1] .....................................................41
Abbildung 51: Rückseite Brennstoffzellenstack MES-DEA [1] ....................................41
IV
Abbildung 52: Steuergerät zur Brennstoffzelle [1].........................................................42
Abbildung 53: Aufbau Serienschaltung des MES-DEA-Stacks [1] ...............................42
Abbildung 54: Schema BZ-System [1] ...........................................................................44
Abbildung 55: U-I-Kennlinie MES-DEA System [1].....................................................45
Abbildung 56: Systemwirkungsgrad des PEM-BZ System [1] ......................................45
Abbildung 57: Brennstoffzellenstack [1] ........................................................................46
Abbildung 58: Brennstoffzellenstack mit Lüftern [1].....................................................46
Abbildung 59: Gesamtsystem Brennstoffzellenstack [1]................................................47
Abbildung 60: Metallhydridspeicher Hera [1]................................................................49
Abbildung 61: Temperaturabsenkung Hydridspeicher [1] .............................................51
Abbildung 62: Hydridspeicher mit Peripherie [1] ..........................................................52
Abbildung 63: Aktives Balancing [1] .............................................................................54
Abbildung 64: Passives Balancing [1] ............................................................................54
Abbildung 65: Einzelmodel Supercap [1].......................................................................55
Abbildung 66: Zusammenbau Supercaps [1]..................................................................55
Abbildung 67: Aufgebaute Reihenschaltung der Supercaps [1] .....................................55
Abbildung 68: Selbstentladung der Supercaps [1]..........................................................56
Abbildung 69: U-I Kennlinie MES-DEA System [1] .....................................................57
Abbildung 70: Wandlermodul VI-200 [1] ......................................................................58
Abbildung 71: Wandlerwirkungsgrade über Belastung [40] ..........................................58
Abbildung 72: Verschaltung der Wandlermodule [1].....................................................59
Abbildung 73: Einzelmodul VI-200 [1]..........................................................................61
Abbildung 74: 2er Modul Vi-200 [1]..............................................................................61
Abbildung 75: 2er Modul VI-200 mit Platine [1] ...........................................................62
Abbildung 76: 3er Modul VI-200 mit Platine [1] ...........................................................62
Abbildung 77: Gesamtzusammenbau des Wandlers [1] .................................................63
Abbildung 78: Aufgebauter Spannungswandler mit Kühlrippen [1]..............................63
Abbildung 79: Aufbauschema PEM-BZ System [1] ......................................................65
Abbildung 80: Ersatzschaltbild PEM-BZ System [1].....................................................66
Abbildung 81: Mock-Up Seite [1] ..................................................................................68
Abbildung 82: Mock-Up hinten [1] ................................................................................69
Abbildung 83: Mock-Up2 [1] .........................................................................................70
Abbildung 84: Wärmeverluste und endotherme Energie Speicher [1] ...........................71
Abbildung 85: Kühlermodul [1] .....................................................................................72
Abbildung 86: Aufbau Elektrofahrrad zur Messung [1] .................................................74
Abbildung 87: Stromprofil bei reinem Elektrobetrieb [1] ..............................................74
Abbildung 88: Stromprofil bei reduzierter Last [1] ........................................................75
Abbildung 89: Messplatzaufbau [1]................................................................................76
Abbildung 90: Messaufbau PEM-BZ-System mit DC/DC Wandler [1] ........................77
Abbildung 91: Stromprofil bei reduzierter Last [1] ........................................................80
Abbildung 92: U-I Kennlinie System MES-DEA [1] .....................................................81
Abbildung 93: U-I Kennlinie BZ-Stack MES-DEA [1] .................................................81
Abbildung 94: Elektrische Leistung und Systemwirkungsgrad [1] ................................82
Abbildung 95: Brennstoffzellenleistung und Wirkungsgrad [1].....................................82
Abbildung 96: Gesamtleistung Wasserstoff und Verlustleistungen [1]..........................83
Abbildung 97: Lastprofileingabe am Beispiel der Messung aus Abb. 115 [1]...............84
Abbildung 98: Brennstoffzellen- und Systemleistung bei Peakbelastung [1] ................84
Abbildung 99: Zyklus PEM-BZ System, 250 W, Maximallast 700 W-2 Sek. [1] .........85
Abbildung 100: Zyklus PEM-BZ System, 270 W, Maximallast 700 W-2 Sek. [1] .......86
Abbildung 101: Zyklus PEM-BZ System, 250 W, Maximallast 600 W-5 Sek. [1] .......86
Abbildung 102: Zyklus BZ/Sc, 250 W, max. 600 W-5 Sek. [1].....................................87
Abbildung 103: Zyklus PEM-BZ System, DC/DC, 200 W, max. 410 W-3 Sek. [1] .....88
V
Abbildung 104: Zyklus BZ/Sc, DC/DC, 200 W, max. 410 W-3 Sek. [1] ......................89
Abbildung 105: Zyklus PEM-BZ System, DC/DC; 200 W, max. 400 W-5 Sek. [1] .....89
Abbildung 106: Systemwirkungsgrad mit/ohne DC/DC [1]...........................................90
Abbildung 107: Elektrische Leistung über Systemwirkungsgrad [1] .............................91
Abbildung 108: Konstante Leistung am PEM-BZ System [1] .......................................92
Abbildung 109: Konstantleistung Pel = 67 Watt [1].......................................................93
Abbildung 110: Entladung NiMH-Akkusystem [1]........................................................95
Abbildung 111: Entladung Gaia Akkusystem [1]...........................................................96
Abbildung 112: Li-Ionen-Mangan-Akku [1] ..................................................................97
Abbildung 113: Volumenverhältnis PEM-BZ System [1]............................................104
Abbildung 114: Gewichtsverhältnis PEM-BZ System [1] ...........................................104
Abbildung 115: Volumenverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku [1].................................104
Abbildung 116: Gewichtsverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku [1].................................104
Abbildung 117: Volumenverhältnis NiMH [1].............................................................104
Abbildung 118: Gewichtsverhältnis NiMH [1]............................................................104
Abbildung 119: Volumenverhältnis Gaia Akku HP/HE [1] .........................................104
Abbildung 120: Gewichtsverhältnis Gaia Akku HE/HP [1] .........................................104
Abbildung 121: Volumenverhältnis PEM-BZ System [1]............................................107
Abbildung 122: Gewichtsverhältnis PEM-BZ System [1] ...........................................107
Abbildung 123: Volumenverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku [1].................................107
Abbildung 124: Gewichtsverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku [1].................................107
Abbildung 125: Volumenverhältnis Gaia Akku HE [1] ...............................................107
Abbildung 126: Volumenverhältnis Gaia Akku HE [1] ...............................................107
Abbildung 127: Gewicht und Energie der Systeme bis 2080 Wh [1]...........................108
Abbildung 128: Gewicht und Energie der Systeme bis 945,45 Wh [1]........................109
VI
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Übersicht Pedelecs [4] .....................................................................................5
Tabelle 2: Übersicht von Brennstoffzellenfahrrädern [5] .................................................7
Tabelle 3: Elektrische Charakteristika Saft VH D 9500 [17] .........................................15
Tabelle 4: Technische Charakteristika VT18650 Sony [20]...........................................17
Tabelle 5: Technische Charakteristika Gaia-Akku 7,5 Ah HP [21]................................17
Tabelle 6: Technische Charakteristika Gaia-Akku 10 Ah HE [22] ................................18
Tabelle 7: Kenndaten der verfügbaren Brennstoffzellenstacks [25]...............................20
Tabelle 8: Vergleich von Brennstoffzelle und Batterie...................................................21
Tabelle 9: Übersicht Wasserstoffspeicher [27] ...............................................................23
Tabelle 10: Übersicht Supercaps.....................................................................................26
Tabelle 11: Kenndaten Metallhydridspeicher .................................................................49
Tabelle 12: Kapazitäten Metallhydridspeicher ...............................................................50
Tabelle 13: Zusammenfassung der Systeme ...................................................................67
Tabelle 14: Konvektion...................................................................................................69
Tabelle 15: Konduktion ..................................................................................................71
Tabelle 16: Fahrzyklus....................................................................................................73
Tabelle 17: Auswertbare Daten der Messung .................................................................78
Tabelle 18: Energie des PEM-BZ Systems.....................................................................93
Tabelle 19: Energie NiMH..............................................................................................95
Tabelle 20: Energie Li-Ionen Gaia..................................................................................96
Tabelle 21: Energie Li-Ionen-Mangan-Akku..................................................................97
Tabelle 22: Vergleich Nennenergie und bei 1C..............................................................98
Tabelle 23: Interpolation auf 6kg....................................................................................99
Tabelle 24: Spezifische Energien der Einzelzelle Akku-HP Gaia ...............................100
Tabelle 25: Spezifische Energien Einzelzelle Akku-HE Gaia......................................100
Tabelle 26: Spezifische Energien der Li-Ionen Mangan Zelle .....................................101
Tabelle 27: Spezifische Energien Einzellzelle NiMH ..................................................101
Tabelle 28: Spezifische Energien Hydridspeicher ........................................................102
Tabelle 29: Interpolation auf 8kg..................................................................................102
Tabelle 30: Nennenergien und gemessene Energien bei 1C/8 kg Systeme ..................103
Tabelle 31: Verhältnisse Aufbau/Elektronik zu Energiespeicher bei 8kg ....................103
Tabelle 32: Interpolation auf 9,63 kg............................................................................106
Tabelle 33: Verhältnisse Aufbauten/Elektronik zu Energiespeicher ............................106
VII
Formelverzeichnis
Formel 1: Beschleunigungskraft FB ..................................................................................3
Formel 2: Rollwiderstand FR.............................................................................................3
Formel 3: Hangabtriebskraft FH ........................................................................................3
Formel 4: Luftwiderstand FLW ..........................................................................................3
Formel 5: Mechanische Leistung ......................................................................................9
Formel 6: Reibungsverluste im Lager...............................................................................9
Formel 7: Reibungsverluste im Kommutator....................................................................9
Formel 8: Wirbelstrom und Hystereseverluste .................................................................9
Formel 9: Elektrische Verlustleistung Bürsten .................................................................9
Formel 10: Ohmsche Verluste an der Ankerwicklung......................................................9
Formel 11: Ladezeitberechnung......................................................................................15
Formel 12: Reaktion Anode ............................................................................................19
Formel 13: Reaktion Kathode .........................................................................................19
Formel 14: Gesamtreaktion BZ.......................................................................................19
Formel 15: Leerlaufspannung .........................................................................................19
Formel 16: Maximaler Wirkungsgrad BZ.......................................................................19
Formel 17: Leistungsdichte Kondensator .......................................................................26
Formel 18: Energiedichte Kondensator ..........................................................................26
Formel 19: Gesamtleistung Motor bei Nenngeschwindigkeit PgesNenn .......................27
Formel 20: Beschleunigungskraft FB das Lastprofil .......................................................28
Formel 21: Motordrehmoment MBP ei Peakbelastung ....................................................28
Formel 22: Gesamtleistung Motor bei Peaklast Pges580 ...................................................28
Formel 23: Beschleunigungszeit t21 auf 21 Km/h ...........................................................28
Formel 24: Gesamtleistung Motor bei 10 Km/h Pges10 ....................................................28
Formel 25: Hangabtriebskraft FH bei 3° Steigung ..........................................................28
Formel 26: Motordrehmoment MBFH infolge der Hangabtriebskraft..............................28
Formel 27: Gesamtdrehmoment MBges am Berg bei 3°...................................................29
Formel 28: Gesamtleistung des Motors am Berg 3° .......................................................29
Formel 29: Volumen Gaia Akku.....................................................................................37
Formel 30: Volumen Li-Ionen-Mangan-Akku-Pack ......................................................39
Formel 31: Volumen Balancer ........................................................................................39
Formel 32: Gesamtvolumen Li Ionen Mangan Akkuystem............................................39
Formel 33: Gesamtgewicht Li-Ionen-Mangan Akkusystem...........................................39
Formel 34: Volumen Nickelmetallhydridspeicher..........................................................40
Formel 35: Volumen Lüfter BZ ......................................................................................47
Formel 36: Volumen Kathode BZ ..................................................................................47
Formel 37: Volumen Brennstoffzelle..............................................................................47
Formel 38: Volumen Magnetventile ...............................................................................47
Formel 39: Volumen Steuerung ......................................................................................48
Formel 40: Gesamtvolumen BZ System .........................................................................48
Formel 41: Gesamtgewicht BZ System ..........................................................................48
Formel 42: Stoffmenge Wasserstoff ...............................................................................50
Formel 43: endotherme Energie......................................................................................50
Formel 44: Prozentualer Anteil der endothermen Energie an der Gesamtenergie..........50
Formel 45: Nennenergie des Hydridspeichers ................................................................51
Formel 46: Volumen Hydridspeicher .............................................................................52
Formel 47: Volumen Hydridspeicher System.................................................................52
Formel 48: Gesamtgewicht Hydridspeicher System.......................................................52
Formel 49: Bestimmung Anzahl Supercpaps..................................................................53
Formel 50: Spannung Serienschaltung............................................................................53
Formel 51: Gesamtkapazität Supercaps ..........................................................................53
VIII
Formel 52: Energieinhalt Supercaps ...............................................................................53
Formel 53: Widerstandsbestimmung für Balancing .......................................................54
Formel 54: Isolationswiderstand .....................................................................................54
Formel 55:Widerstandsberechnung Parallel ...................................................................54
Formel 56: Leckstromberechnung ..................................................................................55
Formel 57: Toleranzberechnung .....................................................................................55
Formel 58: Volumen Supercaps......................................................................................56
Formel 59: Theoretische Leistung Spannungswandler ...................................................58
Formel 60: Umrechnung in linear feet per minute1........................................................60
Formel 61: Temperaturerhöhung bei Normalfahrt1........................................................60
Formel 62: Umrechnung in linear feet per minute2........................................................60
Formel 63: Temperaturerhöhung bei Normalfahrt mit Kühlkörper................................60
Formel 64: Strömunsgeschw. in linear feet per minute Bergfahrt ..................................60
Formel 65: Temperaturerhöhung in Folge Bergfahrt......................................................60
Formel 66: Strömunsgeschw. in linear feet per minute Bergfahrt 2 ...............................61
Formel 67: Temperaturerhöhung in Folge Bergfahrt2....................................................61
Formel 68: Volumen Spannungswandler........................................................................64
Formel 69: Volumen Kühlkörper Spannungswandler ....................................................64
Formel 70: Gesamtvolumen Spannungswandler ............................................................64
Formel 71: Gesamtvolumen PEM-BZ System ...............................................................66
Formel 72: Gesamtmasse PEM-BZ System....................................................................67
Formel 73: Wärmeübergang Konvektion........................................................................69
Formel 74: Wärmeübergang Konduktion .......................................................................71
Formel 75: Umrechnung Energieinhalt Wasserstoff pro sccm .......................................78
Formel 76: Leistung aus Wasserstoffflow ......................................................................79
Formel 77: Brennstoffzellenleistung...............................................................................79
Formel 78: Elektrische Leistung .....................................................................................79
Formel 79: Leistung Supercaps.......................................................................................79
Formel 80: Gesamtleistung Pbs ......................................................................................79
Formel 81: Berechnung der Wirkungsgrade der BZ.......................................................79
Formel 82: Verlustleistung Brennstoffzelle ....................................................................79
Formel 83: Gesamtverlustleistung ..................................................................................80
Formel 84: Verlustleistung Steuerung ............................................................................80
Formel 85: Wirkungsgrad DC/DC Wandler ...................................................................90
Formel 86: Durchschnittlicher Wirkungsgrad DC/DC Wandler ....................................90
Formel 87: Maximaler Wirkungsgrad DC/DC Wandler.................................................91
Formel 88: Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler bei Konstantlast 122 W ...........92
Formel 89: Energie Hydrid .............................................................................................92
Formel 90: Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler bei Konstantlast 67 W .............93
Formel 91: Energie PEM-BZ System bei reduzierter Last .............................................93
Formel 92: Energieberechnung aus Kapazität und mittlerer Spannung..........................94
Formel 93: Entladestrom.................................................................................................94
Formel 94: Elektrische Arbeit Zyklus 68 Watt .............................................................109
Formel 95: Elektrische Arbeit Zyklus 122 Watt ...........................................................110
IX
1. Einleitung
Auf dem Markt für portable Energiespeicher stehen nun neben den etablierten Systemen, wie der Nickel-Metall-Hydrid-Akku und Nickel-Cadmium-Akku auch noch der
Li-Ionen-Akku und die Brennstoffzelle bereit, um die Gunst der Konsumenten zu erwerben.
In der Forschung wird die Brennstoffzelle ständig weiterentwickelt, sodass auch diese
bald zu konkurrenzfähigen Produkten heranreifen werden.
Der Li-Ionen-Akku steht für eine hohe Energie und Leistungsdichte, muss aber wegen
der, von den Substanzen ausgehenden Gefahr mit einer Überwachungselektronik ausgestattet werden, was diese Zelle teuer macht.
Um die in der Arbeit verwendete Brennstoffzelle so klein wie möglich zu dimensionieren und dennoch einer hohen Leistungsdichte gerecht zu werden wird die Brennstoffzelle als Hybridsystem mit Akku oder Doppelschichtkondensatoren verwendet.
Die Arbeit soll eine Darstellung und Übersicht der Möglichkeiten aufzeigen, in welcher
Weise die Systeme konkurrieren und welche Vor- und Nachteile diese mit sich bringen.
Die Systeme werden im Speziellen im Nennleistungsbereich von 250 Watt verglichen,
welche nötig ist, um ein Elektrofahrrad anzutreiben. Da für das Anfahren und bei Bergfahrten hohe Spitzenströme abgedeckt werden müssen, ist des Weiteren eine gute Leistungsdichte erforderlich. Für die Ausarbeitung der Arbeit wird ein standardisiertes
Pedelec herangezogen, welches es auf dem Markt zu kaufen gibt. Durch einen Standardfahrzyklus des Fahrrads werden die Werte gemessen und auf ein Simulations- und
Messsystem übertragen. Die Daten können so objektiv ausgewertet und verglichen
werden.
Das Elektrofahrrad ist bei uns nicht sehr verbreitet, obwohl es doch sehr angenehm ist
beim Pedalieren, durch einen Elektromotor unterstützt zu werden.
„Bei keiner anderen Erfindung ist das Nützliche mit dem Angenehmen so innig verbunden, wie beim Fahrrad.“ (Zitat: Adam Opel (1837-95), dt. Industrieller).
Die Vorteile gegenüber anderen Kleinkrafträdern z.B. Rollern oder Mofas sind ersichtlich, welche wären:
•
Leichte Handhabbarkeit, da die technischen Änderungen zu einem Fahrrad
minimal sind,
•
Keine Geruchsbildung durch Abgase.
•
Kein Lärm; Elektromotoren sind praktisch lautlos.
•
Für Pedelecs gibt es keine Anmeldepflicht als Kleinkraftrad.
1
1.1 Aufgabenstellung
Die vorhandenen Rahmenkonstruktionen für Elektrofahrräder sollen mit den notwendigen Komponenten ausgestattet werden, damit voll funktionsfähige Systeme
entstehen und die Integration verschiedener Akkus und Brennstoffzellen sowie der
notwendigen Elektronik möglich wird.
Für den Vergleich und den Aufbau sollen Li-Ionen-Akkus und Nickelmetallhydrid
verwendet werden.
Dafür ist die Konstruktion verschiedener Gehäuseteile und Halterungen notwendig.
Die verwendeten Akku- und Brennstoffzellensysteme sind an einem PC gesteuerten
Messplatz zu charakterisieren.
Anhand eines zu erarbeitenden Fahrzyklus sind Tests unter realen Einsatzbedingungen durchzuführen.
Vergleich der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Systeme hinsichtlich Gewicht
und Volumenbedarf, somit Energie- und Leistungsdichte und letzten Endes der
Reichweite.
1.2 Durchführung
Zunächst wird in Kapitel 2.1 über das Thema Elektrofahrräder erläutert und über die
gesetzlichen Rahmenbedingungen informiert.
Das Kapitel 2. befasst sich mit der Darstellung vorhandener Technik und Pedelecs.
Unter Kapitel 2.5 werden die Funktionsweisen der Elektronik erläutert.
Alle verwendeten Energiespeicher werden unter Kapitel 3. näher beschrieben, wobei
sich das Kapitel 3.1 mit den Akkusystemen befasst und unter Kapitel 3.2 die Brennstoffzelle näher erklärt wird. Eine Darstellung der Wasserstoffspeicher findet in Kapitel
3.3 statt. Des Weiteren wird in Kapitel 3.4 über Doppelschichtkondensatoren informiert.
Das Kapitel 4 widmet sich der Konstruktion und Dimensionierung der Energiesysteme
und deren notwendigen Komponenten für den Einbau in das Fahrrad. Dafür wird zunächst unter Kapitel 4.1 ein Lastprofil erarbeitet, um die Auslegung der Energiesysteme
vorzunehmen.
Die Realisierung unter Kapitel 5. beschreibt den neu erarbeiteten Lastzyklus und die
Messungen am Fahrrad unter realen Bedingungen. Die Verifizierung der Systemauslegungen und die Messungen der Energien und Leistungen an den Energiespeichern
unter Laborbedingungen werden unter Kapitel 5.4 und Kapitel 5.5 beschrieben. Der
verwendete Messplatz wird unter Kapitel 5.3 dargestellt.
Die Ergebnisauswertung ist unter Kapitel 6 weitergeführt, wobei der Energiedichtevergleich zwischen den Systemen im Vordergrund steht. Des Weiteren werden die Reichweiten mit verschiedenen Akkusystemen errechnet.
Das Kapitel 7. „Zusammenfassung und Ausblick“ erläutert die wichtigsten Ergebnisse.
2
2. Grundlagen und Stand der Technik
In diesem Kapitel werden die Grundlagen und die verwendete Technik beschrieben und
erläutert. Diese Erörterung handelt ausschließlich von der Technik für Pedelecs.
2.1 Erläuterung zu Elektrofahrrädern
Um das Fahrrad in Fahrt zu bringen, ist erst einmal ein Kraftaufwand nötig, welcher der
Fahrer bzw. der Elektromotor aufbringen muss. Dabei hat man folgende Widerstände zu
überwinden:
Die Beschleunigungskraft:
Formel 1: Beschleunigungskraft FB
FB = m * a[ N]
Die aufzubringende Kraft beim Beschleunigen des Fahrrads ist das Produkt aus der
Masse und der Beschleunigung. Dabei ist es also von Vorteil das Gewicht möglichst
gering zu halten. Will man eine hohe Beschleunigung braucht man auch eine große
Kraft, entweder des Fahrers selbst über das Pedal oder aber über ein großes Drehmoment des Elektromotors.
Der Rollwiderstand:
Formel 2: Rollwiderstand FR
FR = m * g * μ[ N]
Der Rollwiderstand verringert sich demnach durch eine geringe Masse und einem kleinen Rollwiderstandswert μ. Die Hauptbeeinflussung auf diesen Wert liegt bei der Beschaffenheit der Bereifung. Ist ein Reifen gut aufgepumpt bedeutet das eine geringe
Reibung.
Die Hangabtriebskraft:
Formel 3: Hangabtriebskraft FH
FH = m * g * sin α[ N]
Diese richtet sich gegen einen Radfahrer am Berg, umso größer die Masse und der Steigungswinkel α, desto anstrengender ist der Anstieg.
Der Luftwiderstand:
Formel 4: Luftwiderstand FLW
FLW = c w * A * p * v 2 [ N]
Der cw eines Radfahrers ist nicht sehr gut und die Angriffsfläche A die der Luft geboten
wird auch relativ groß. Der größte Faktor ist aber die Geschwindigkeit, welche in der
Potenz mit in das Produkt eingeht. Daher ist beim Radfahren irgendwann das Limit der
Geschwindigkeit erreicht.
Elektrofahrräder werden in 2 Kategorien unterschieden:
Pedelec (Pedal Electric Cycle)
Koppelung der Motorleistung über Kraft-/Bewegungssensor an Muskelkraft des
Fahrers, Motor nur während des Tretens aktiv
Gesetzliche Einstufung als Fahrrad (Höchstgeschwindigkeit 25 km/h, max. Leistung
250 W).
3
Abbildung 1: Unterstützendes Fahren beim Pedelec [2]
Die Abbildung 1 zeigt schematisch die Funktion der Unterstützung des Elektromotors
beim Fahren.
E-bike
Die Regelung der Motorleistung geschieht über einen Drehgriff. Die Motorleistung ist
unabhängig von der Muskelkraft. Es ist lediglich ein rein elektrischer Betrieb möglich.
Gesetzliche Einstufung als Leichtmofa. (Versicherungspflicht, Mofaführerschein erforderlich)
Um die Belastung der Batterie zu senken, die Reichweite damit zu erhöhen und wegen
der nicht versicherungspflichtigen Einstufung wird das E-bike in dieser Arbeit außer
Acht gelassen.
Abbildung 2: Pedelec [3]
Abbildung 3: E-bike [3]
Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Funktionsweise des Pedelecs und des E-bikes.
4
2.2 Übersicht Pedelecs
Folgende Übersicht zeigt Pedelecs, welche es zu kaufen gibt.
Abbildung 4: Aprilia Enjoy Racing [4]
Abbildung 5: Giant Lafree Twist [4]
Abbildung 6: KTM Life Blitz [4]
Abbildung 7: Yamaha XPC Deluce [4]
Die Abbildungen 4 – 7 zeigen Elektrofahrräder von einigen Herstellern. Es werden für
die Elektrofahrräder unterschiedliche Antriebstechniken und Akkusysteme verwendet.
Viele Fahrräder wurden von der Firma Extraenergy getestet und bewertet.
Die Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der Fahrleistungen.
Tabelle 1: Übersicht Pedelecs [4]
Hersteller
Reichweite Geschw. Reichweite Geschw.
(incl. Berg)
Ebene
Berg 7 %
Berg 7 %
(km)
(km/h)
(km)
(km/h)
Aprilia
37
18,5
7,4
Biketec
19,9
22,7
Giant
35,5
Heinzmann
Gewicht Akkukapazität
(kg)
(Wh)
12,85
31,02
255,5
8,9
10,68
33,5
177,1
20,1
7,3
11,48
21,9
137,21
26,3
21
5,6
11,35
31,1
171,4
KTM
46,9
20,2
10,8
11,78
29,38
214,1
Sachs
34,7
17,6
8,7
8,5
32,7
254,6
Velocity
22,4
24,6
6,6
13,9
26,75
166,2
Yamaha
37,2
23,1
4,4
12,5
29,8
137,3
5
2.3 Prototyp
Der Prototyp ist von der Firma Craftsmen-Design und stellt die Grundlage für ein
Brennstoffzellenfahrrad dar. Alle Rahmenbauteile sind Einzelanfertigungen aus gefrästen Aluminiumteilen.
Abbildung 8: Prototyp [1]
Abbildung 9: Prototyp [1]
In der Abbildung 8 ist der Prototyp während der Nutzung zu sehen. In Abbildung 9
kann man die Box für die Unterbringung der Elektronik sehen. Der Elektromotor ist im
Hinterrad verbaut. Da die Funktionsfähigkeit nicht gegeben war, habe ich das Fahrrad
modifiziert indem ich eine, den Designansprüchen gerechte Federgabel eingebaut habe.
Auch einige Frästeile wie die Ausfallenden mussten neu ausgerichtet und geschweißt
werden. Die Bohrung für das Lager musste neu gebohrt werden und auch die Box, für
die Unterbringung der Elektronik wurde umgestaltet.
Das Fahrrad ist mit einem 500-Watt-Motor der Firma Heinzmann ausgestattet. Die Pedelec-Steuerung unterstützt beim Pedaltritt. 2 Li-Ionen-Mangan-Akkus (2*10S1P)
stellen die Energie bereit und sind im Rahmen untergebracht.
6
2.4 Übersicht Elektrofahrräder mit Brennstoffzellenantrieb
Einige Firmen haben schon Brennstoffzellenfahrräder zu Erprobung gebaut, die es nicht
für den Privatkonsumenten zu kaufen gibt. Diese sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2: Übersicht von Brennstoffzellenfahrrädern [5]
Max.
Geschw.
Reichweite
Leistung
BZ
(km/h)
(km)
(W)
Material
Druck
(bar)
Volumen
(l)
Manhattan Scientifics / Aprilia /
NovArs
30
80
670
Kohlefaser
300
2
Palcan
20
60
300 1000
Metallhydrid
5 (20°C)
ca. 2
MES-DEA / Gore
40
60
1000
300
2
Jörg Weigl
35
1200
300
Komposit
300
26
Masterflex
25
120
180
MEH
Hersteller
Abbildung 10: Manhattan Scientific
[6]
Wasserstoffspeicher
Abbildung 11: Palcan [7]
Abbildung 13: Pios Jörg Weigl [9]
Abbildung 12: MES-DEA/Gore [8]
7
Abbildung 14: Masterflex Swizbee
[10] C50
Die Abbildungen 10 – 14 zeigen Elektrofahrräder mit Brennstoffzellenantrieb. In Abbildung 13 ist das Liegerad von Jörg Weigl zu sehen, welches einen großen Druckwasserstofftank auf einem Anhänger mit sich führt. Das C50 von Masterflex, in Abbildung 14 ist mit 2 Hydridspeichern ausgestattet. Die kleine Brennstoffzelle mit 180
Watt Leistung wird bei der Beschleunigung von einem Akku unterstützt.
2.5 Elektromotoren und Elektronik
Es werden meistens 24 Volt und 36 Volt Systeme angeboten. Dabei haben die 36 Volt
Motoren eine größere Leistung. Da aber bei Pedelecs sowieso auf die zulassungsbedingte Grenze von 250 Watt geachtet werden muss und auch muskelunterstützend betrieben
wird erscheint eine 24-Volt-Auslegung vorteilhafter. Es gibt für Elektrofahrräder Antriebe für das Hinterrad und das Vorderrad.
Bei Einbau des Antriebs im Vorderrad werden bei Pedelecs die Antriebskraft und das
Gewicht gleichmäßig verteilt. Weiterhin ist der Einbau vorne einfacher, da die Hinterradantriebseinheit bestehen bleiben kann. Der Vorderradantrieb empfiehlt sich bei
flachen und leicht hügeligen Geländen mit guten Straßen und Wegen.
Der Vorteil beim Einbau in das Hinterrad ist die bessere Traktion. Diese empfiehlt sich
für Bergland und schlechte Bodenverhältnisse. Es kommen nur 2 Arten von Elektromotoren in Frage; die bürstenbehafteten Gleichstrommotoren und die elektronisch
kommutierten Gleichstrommotoren.
8
2.5.1 Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren
Im Unterschied zu Verbrennungsmotoren haben Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad, in der Regel variiert dieser von 70 % - 95 %. Nichtsdestotrotz sollte ein
Elektromotor auf seinen eigenen Betriebspunkt ausgelegt werden [11].
Die mechanische Leistung Pmech addiert sich aus der Verlustleistung Pv und der elektrischen Leistung Pel:
Formel 5: Mechanische Leistung
Pmech = Pel + Pv
Die mechanische Verlustleistung Pv setzt sich zusammen [11]:
Formel 6: Reibungsverluste im Lager
•
Reibungsverluste im Lager: Pv Re ib ,Lager = M Re ib ,Lager * 2 * Π * n[ W ]
Formel 7: Reibungsverluste im Kommutator
•
Reibungsverluste im Kommutator: Pv Re ib;Komm = M Re ib ,Komm * 2 * Π * n[ W ]
Formel 8: Wirbelstrom und Hystereseverluste
•
Wirbelstrom und Hystereseverluste: Pv ,Fe = M Fe * 2 * Π * n[ W ]
Formel 9: Elektrische Verlustleistung Bürsten
•
Elektrische Verlustleistung Bürsten: Pv ,Bürste = U B * I[ W ]
Formel 10: Ohmsche Verluste an der Ankerwicklung
•
Ohmsche Verluste an der Ankerwicklung: Pv ,Cu = R A * I 2 [ W ]
Mit zunehmender Spannung nimmt die Drehzahl des Motors zu, was sich bei zunehmender Entleerung des Akkus bemerkbar macht, dann nimmt diese nämlich ab. Das
Drehmoment hängt vom Strom ab.
Ein wichtiger Faktor der Elektromotoren ist der Ankerwiderstand. Ist dieser groß, wird
die Kennlinie des Motors weich. Das bedeutet in der Praxis, dass die Motordrehzahl bei
Belastung zum Beispiel am Berg nachgibt und damit hohe Verluste im Motor auftreten
und viel Wärme erzeugt wird.
Im Gegensatz dazu hat ein Motor mit kleinem Ankerwiderstand und steifer Kennlinie
einen ungezügelten Strombedarf, welcher nur durch die Akkus und den Controller begrenzt werden kann. Daher ist es wichtig einen Controller mit einer Schutzschaltung, zu
verwenden.
2.5.2 EC-Motoren
Elektrisch kommutierte Motoren kommen ohne den verschleißbehafteten Kommutator
aus und damit auch ohne Bürsten. Der mechanische Aufbau unterscheidet sich zum
bürstenbehafteten Motor darin, dass die Magnete nun auf der Welle des Motors angebracht sind und die Kupferwicklungen fest mit dem Gehäuse verbunden sind. Den
Wechsel des Magnetfeldes übernimmt nun ein elektronischer Gleichstromsteller. Um
die Wicklung zum richtigen Zeitpunkt mit Strom zu versorgen, ist ein Sensor notwendig
um die Lage des Rotors an die Steuerung weiterzugeben. Es werden dazu optische Sensoren oder meistens Hallsensoren benutzt.
9
Moderne Schaltungen kommen auch ohne diesen Sensor aus. Die Information der
jeweiligen Rotorposition kann aus der induzierten Spannung in der stromlosen Wicklung gewonnen werden [11]. Die Vorteile der EC-Motoren sind:
•
Wirkungsgrade von 85%-95%
•
Geringe Geräuschemission
•
Praktisch wartungsfrei wegen fehlender Bürsten
•
Hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer
•
Gute Wärmeabführung über die Oberfläche des Motors (Innenläufer)
•
Kein Getriebe notwendig da Drehzahl einstellbar über die Polzahl (Außenläufer)
Die Nachteile liegen im Preis und der Verfügbarkeit solcher Motoren, daher wird für
den Aufbau ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor von der Firma Heinzmann verwendet.
2.5.3 Motorcontroller
Ein Controller ist ein Gleichstromsteller mit einer Pulsweitenmodulation. Die jeweiligen Aus- und Einschaltzeiten werden vom Bedarf geregelt. Die Frequenz, welche konstant bleibt, wird von einem elektronischen Relais (Öffnen und Schließen des Schalters
S) auf der Steuerungsplatine moduliert. Es handelt sich um einen Tiefsetzsteller, bei
welchem die Ausgangsspannung immer kleiner als die Eingangsspannung ist.
Abbildung 15: Prinzip Gleichstromsteller [1]
In Abbildung 15 ist das Prinzip eines Gleichstromstellers abgebildet. Es wird beim Einschalten Energie an die Drossel abgegeben und dort gespeichert. Wird der Schalter geschlossen, steigt der Strom linear an. Er fließt durch die Drossel in den Kondensator
(nicht abgebildet) und in den Motor. Wird der Schalter geöffnet leitet die Diode den
Strom und der Strom in der Spule wird kleiner. Um einen lückenhaften Strom auszuschließen, sollte immer ein RC-Glied nachgeschaltet werden.
10
Abbildung 16: Strom und Spannungsverläufe eines Gleichstromstellers [1]
Die Abbildung 16 zeigt die Zeitverläufe der Ströme und Spannungen am Ein- und Ausgang eines idealen Gleichstromstellers ohne Glättungskondensator.
Steuerung und Gleichstrommotor der Firma Heinzmann
Die Firma Heinzmann vertreibt Elektrofahrräder und stellt auch die Komponenten dafür
her. Es wird eine große Auswahl an Scheibenläufermotoren mit Bürsten, unterschiedlichster Leistungs- und Drehzahlbereiche angeboten.
Abbildung 17: Nachrüstsatz von Heinzmann [12]
Die Abbildung 17 zeigt einen kompletten Nachrüstsatz für ein Pedelec, bestehend aus
Gasgriff, Frequenzscheibe, Nabenmotor, Steuerung, Ladegerät und Batteriekoffer.
Für das Elektrofahrrad wird ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor mit 250 Watt
Nennleistung bei 36 Volt verwendet. Der Motor hat einen Wirkungsgrad von 82 %. Das
Datenblatt des Motors befindet sich im Anhang 2.
Die Steuerung für den Motor stammt ebenso aus dem Angebot der Firma Heinzmann.
Da verschiedene Batterietypen für das Pedelec verwendet werden, unterscheiden sich
die Steuerungen leicht in ihrer Ausführung. Für Nickelmetallhydrid-Akkus wird eine
11
Steuerung mit Mittelspannungsüberwachung und einer Schutzschaltung verwendet,
welche die Motortemperatur überwacht. Die Steuerung ist mit einem Strom von 28
Ampere belastbar.
Die Steuerung für Li-Ionen-Akkus benötigt keine Mittelspannungsüberwachung. Diese
Steuerung verfügt über eine Schutzschaltung zur Temperaturüberwachung des Motors.
Die Steuerung ist mit einem Strom von 28 Ampere belastbar.
Die Steuergeräte werden von der Stellung des Gasgriffs und der Trittfrequenz beeinflusst. Im Gasgriff ist ein 5 kOhm Poti eingebaut. Die Gesetzgebung erlaubt es beim
Pedelec eine Anfahrhilfe zu verwenden, d.h., es ist möglich bis zu einer Geschwindigkeit von 5 Km/h zu fahren, ohne die Pedale zu betätigen.
2.5.4 Spannungswandler
Für die Anwendung in diesem Falle ist ein Spannungswandler (DC/DC) notwendig,
welcher die Spannung der Brennstoffzelle auf die Spannung der Steuerung bzw. des
Motors hochsetzt. Dabei handelt es sich bei der Topologie um einen Hochsetzsteller.
Ähnlich der Steuerung für den Elektromotor, wird im Spannungswandler ein Puls
moduliert. Im Gegensatz zur Pulsweitenmodulation wird hier die Pulsfrequenz moduliert.
Abbildung 18: Pulsfrequenzmodulation [1]
Die Abbildung 18 zeigt die Änderung der Frequenz. Die Amplitude bleibt dabei immer
gleich groß.
Abbildung 19: Aufwärtswandler Prinzip [1]
Beim Aufwärtswandlerprinzip nach Abbildung 19 ist die Ausgangsspannung immer
größer als die Eingansspannung. Der magnetische Speicher wird beim Schließen des
Schalters geladen. Wird der Schalter geöffnet, entlädt sich die Spule schlagartig und die
Energie wird an den Verbraucher und die Kapazität abgegeben.
12
3. Übersicht Energiespeicher
Bei Energiespeichern sind immer eine sehr hohe Energie- und Leistungsdichte erwünscht, daher werden diese Kriterien in der Weiterentwicklung immer eine große
Rolle spielen.
Die Brennstoffzelle hat, in Abhängigkeit des Wasserstoffspeichers, eine große Energiedichte und die Ultracaps eine sehr hohe Leistungsdichte. Werden diese beiden Eigenschaften in einer Synthese genutzt, entsteht daraus ein Hybridsystem, welches sich mit
den Akkusystemen vergleichen lässt.
Zur Übersichtlichkeit stelle ich folgenden Vergleich von spezifischer Energie- und Leistungsdichte auf:
Vergleich von spezifischer Energie- und Leistungsdichte von
Energiesystemen
4000
3906
spez. Leistungsdichte [W/kg]
3500
Ultracap
BCAP0350
3000
2500
Li-Ion
HP50630
Kurzzeit.Li-Ion
HP321420
2000
1500
Langzeit. Li-Ion
HP321420
1000
BZ-System (MESDEA)mit 700bar
Druckspeicher (900Nl)
607
700
500
200
247
200
Li-Ion HE50630
66,67
0
0
50
NiCd
100
150
BZ-System (MESDEA)mit
Hydridspeicher(250Nl)
200
250
93,75
300
350
400
spez. Energiedichte [Wh/kg]
Abbildung 20: Vergleich von spez. Energie- und Leistungsdichte [1]
Die Abbildung 20 zeigt die angegebenen Werte der spezifischen Leistungsdichte und
der spezifischen Energiedichte von verschiedenen Systemen. Die Ultracaps haben eine
spezifische Leistungsdichte von 3906 W/kg. Die spez. Energiedichte mit einem 900 Nl
Wasserstofftank beträgt 337,5 Wh/kg. Die Daten der Energie- und Leistungsdichte entsprechen den Nennangaben der Hersteller.
•
Ultracap BCAP0350 der Firma Maxwell
•
NiCd-Akku der Firma Heinzmann
•
Li-Ionen-Akku-HP-50630 und HE-506030 der Firma Gaia
•
Li-Ionen-Akku-HP-321420 der Firma Gaia bei kurzzeitlicher Entladung und
langzeitlicher Entladung
Die Daten der BZ-Systeme basieren auf folgender Grundlage:
•
BZ-System MES-DEA mit 250 Nl Hydridspeicher; 3 kWh/m3 H2; Wirkungsgrad
0,4; Leistung BZ 300 Watt.
•
BZ-System MES-DEA mit 900 Nl Druckspeicher; 3 kWh/m3 H2; Wirkungsgrad
0,4; Leistung BZ 300 Watt.
13
3.1 Akkusysteme
Es handelt sich bei allen verwendeten Zellen um Sekundärbatterien. Im Gegensatz zu
Primärbatterien kann man diese reversibel betreiben, also wieder aufladen. Es werden
nur moderne Akkusysteme untersucht, wie der Li-Ionen-Akku und der NiMH-Akku.
Der Bleiakku eignet sich nicht als Traktionsbatterie für diese Anwendung, aufgrund der
geringen Energiedichte von 40 – 50 Wh/kg [14]. Der Nickel-Cadmium-Akku wird aufgrund der Toxizität für die Umwelt nicht betrachtet, obwohl dieser gerne für Traktionsanwendungen benutzt wird.
3.1.1 NiMH-Akku
NiMH-Akkus sind als Weiterentwicklung der NiCd-Akkus auf den Markt gekommen
und sind ähnlich aufgebaut, haben aber eine höhere Energiedichte als diese (30%) [11].
Abbildung 21: Elektrodenaufbau NiMH Zelle [15]
Abbildung 22: Saft VH D 9500 [1]
Abbildung 22 zeigt die verwendete Zelle von Saft. Der Elektrodenaufbau ist in Abbildung 21 zu sehen. Der verwendete alkalische Elektrolyt besteht aus 20% KOH.
Beim Ladevorgang des Akkus wird an der positiven Elektrode (Kathode) das 2-wertige
Nickel in das 3-wertige Nickel oxidiert und das Nickelhydroxid in das Nickeloxyhydroxid überführt. Diese Reaktion ist identisch mit der des NiCd-Akkus.
Die negative Elektrode (Kathode), welche aus einer Mischlegierung (gebräuchlichste
Form AB5: La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1) besteht bildet durch die Wasserstoffeinlagerung ein
stabiles Metallhydrid [16].
Zellreaktion beim Entladen [16]
Kathode
Das Nickeloxyhydroxid reduziert zu Nickelhydroxid.
Ni(III)OOH + H2O → Ni(II)(OH)2 + OH Anode:
Das Metallhydrid wird zum Metall oxidiert.
MH + OH − → M + H 2O + e −
Gesamtreaktion:
Ni(III)OOH + MH → M + Ni(II)(OH) 2
14
Dabei entsteht ein Redoxpotenzial von 1,32 Volt.
Die NiMH-Zellen sind zuverlässig, tiefentladefähig, hochstromfähig und auch noch bei
tiefen Temperaturen benutzbar.
Die Nachteile der NiMH Batterien sind:
•
Hohe Selbstentladung bei Temperaturen >30°C
•
Schwierige Erkennung des Ladezustandes durch ein geringes –dU/dt
•
Lazy-Effekt
Der Lazy-Effekt kann bei einer nicht vollständigen Entladung oder bei einer Ladung mit
geringem Strom auftreten. Dabei bilden sich Kristalle an der positiven Elektrode aus
und beeinträchtigen damit die Zellspannung [14].
Es werden Zellen von der Firma Saft benutzt.
Tabelle 3: Elektrische Charakteristika Saft VH D 9500 [17]
Nennspannung Kapazität Impedanz Gewicht Entladestrom Max. Entladestrom
Volt
mAh
mOhm
g
A
A
1,2
9500*
4*
168
50
150*
*Kapazität beim Laden mit C/10-16h; *Impedanz gemessen bei 1KHz.**max. Entladestrom über
0,3 Sekunden.
Die Entladeschlussspannung bei dieser Zelle liegt bei 0,9 Volt.
Ladeverfahren
Geladen werden die Zellen mit einem konstanten Strom, wobei dieser für eine Schnellladung größer 1C sein kann. Es werden folgende Abschaltkriterien benutzt:
•
- ΔV = 0,1%. Sobald die maximale Spannung der Zelle erreicht ist, sinkt diese
wieder ab. Ist diese Absenkung von ca. 15mV erreicht schaltet das System ab.
•
ΔT/dt = 0,5°C/min. Dabei wird die Zelle überladen und der Ladestrom wird
weiter genutzt nur Spaltung des Elektrolyts. Die Zelle erwärmt sich dabei immer
stärker. Ist der Temperaturanstieg zu schnell schaltet das Ladesystem ab.
•
t. Als Zusatzkriterium sollte immer die Ladung nach einer bestimmten Zeit abschalten. Die Zeit bestimmt sich aus:
Formel 11: Ladezeitberechnung
t = k*
Q
IL
k = 1,4-1,5; Ladewirkungsgrad bei NiMH
IL = Ladestrom in mA
Q = Ladungsmenge aus der Kapazität des Akkus in mAh
t = Ladezeit
15
3.1.2 Li-Ionen-Mangan-Akku
Der Elektrolyt besteht aus organischen Lösemitteln mit gelösten Leitsalzen. Die positive
Elektrode besteht aus Manganoxid. Während des Entladevorgangs bildet sich durch die
Einlagerung von Lithium Ionen LiMn2O4. Der Stromkollektor besteht aus Aluminium.
Die negative Elektrode besteht aus einer Kohlenstoff-Grafit-Verbundelektrode.
Während des Ladevorgangs werden die Li-Ionen dort eingelagert. Der Stromkollektor
besteht aus Kupfer [18].
Abbildung 23: Lade-und Entladeprozesse einer Li-Ionen Zelle [19]
Die Abbildung 23 zeigt die Lade- und Entladeprozesse einer Li-Ionen Zelle.
Zellreaktion beim Entladen [18]
Kathode
Li1-yMOx + yLi+ + ye-
⎯
⎯→
LiMOx
Anode
LiyCn
⎯
⎯→
Cn + yLi+ + ye-
Gesamtreaktion
Li1-yMOx + LiyCn
⎯
⎯→
LiMOx + Cn
Die Lithium-Ionen-Akkus haben eine hohe Energiedichte. Die Funktionsfähigkeit wird
weder durch Lazy-Effekt noch durch Memory-Effekt beeinträchtigt.
Die Nachteile der Li-Ionen Zellen sind die sehr reaktiven Lithium Verbindungen.
Lithium reagiert mit Wasser und Sauerstoff sehr heftig. Daher sind Sicherheitsmechanismen erforderlich, was die Systemkosten der Zellen erhöht. Die nominelle Spannung
liegt bei 3,6 Volt.
Die Zelle 18650 VT ist eine zylindrische Zelle, welche in vielen Geräten zur Anwendung kommt, z.B. in Akkuschraubern.
16
Tabelle 4: Technische Charakteristika VT18650 Sony [20]
Volt
mAh
mOhm
G
A
A
3,6
1080*
25**
60
4
10
*Kapazität bei einer Entladung von 1C ** Impedanz gemessen bei 1KHz
Ladeverfahren
Die Li-Ionen Zellen sind nicht schnellladefähig und sollten nicht mit mehr als 1C geladen werden. Es wird das I/U-Ladeverfahren benutzt. Die Zelle wird dabei mit einem
konstanten Strom auf die Entladeschlussspannung geladen (4,1/4,2 Volt). Ist diese
Spannung erreicht, wird der Ladestrom langsam abgesenkt, da sich der Innenwiderstand
der Zelle erhöht. Ist der Ladestrom bei ca. 1/20 C angelangt, stoppt der Ladevorgang.
3.1.3 Li-Ionen-Akku Gaia
Bei diesem Zelltyp handelt es sich um hochstromfähige Akkus für den AutomotiveBereich. Die elektrochemischen Vorgänge sind ähnlich wie bei den Li-Ionen-ManganAkkus. Bei dieser Zelle wird der flüssige Elektrolyt durch eine feste Einlagerung in ein
Polymer ersetzt. Die maximale Ladeschlussspannung liegt bei 4,2 Volt. Um aber die
Lebensdauer zu erhöhnen, wird die Ladeschlussspannung auf 4,1 Volt festegelegt. Die
Entladeschlussspannung bei diesem Zellentyp liegt bei 2,7 Volt. Als Sicherheitsmechanismus vor Überdruck im Zellinneren, aufgrund zu hoher Temperatur und Gasentwicklung, ist eine Berstscheibe eingebaut [21].
Abbildung 24: Aufbau der Zelle von Gaia [19]
Die Abbildung 24 zeigt den Aufbau einer Zelle. Diese Funktionsschichten werden auf
einer Folie aufgebracht und zu einer Zelle aufgerollt.
Die Firma Gaia-Akkumulatorenwerke GmbH stellt uns für die Tests Akkumulatoren
bereit. Dabei handelt es sich um den Typ 7,5 Ah UHP-341450. Folgende Charakteristika haben diese Zellen:
Tabelle 5: Technische Charakteristika Gaia-Akku 7,5 Ah HP [21]
Volt
mAh
mOhm
g
A
A
3,6
7500*
<2.0**
320
15
120***
*Bei 0,2 C **Impedanz gemessen bei 1KHz ***max. Entladestrom über 30s
17
Im Gegensatz zu dieser „Highpower“ Version gibt es noch eine „Highenergy“ Version
des Akkus mit 10 Ah. Dieser Akkutyp wird in den Vergleich mit einbezogen.
Tabelle 6: Technische Charakteristika Gaia-Akku 10 Ah HE [22]
Volt
mAh
mOhm
g
A
A
3,6
10000*
<5.0**
320
3
20
*Bei 0,2 C **Impedanz gemessen bei 1KHz
Ladeverfahren
Die Zellen werden mit dem I/U-Ladeverfahren aufgeladen (siehe Li-Ionen-ManganAkku).
3.2 Brennstoffzellensysteme
Die Brennstoffzelle kann allein nicht als Energiespeicher angesehen werden, da diese
PEM-Brennstoffzelle nicht ohne Wasserstoffzufuhr funktioniert. Sie ist nur ein
„Energieumwandler“; wandelt chemische Energie in elektrische Energie um.
Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle
Die Elektroden Membran Einheit, bildet das Kernstück des Aufbaus. Diese ist eine
dünne Folie mit einer Elektrolytschicht im Kern. Auf beiden Seiten der Folie sind Elektroden, welche mit einem fein verteilten Katalysator (z.B. Platin) versehen sind. Auf
diesen Aufbau kommt nun eine Gasdiffusionsschicht, welche für die Sauerstoff- und
Wasserstoffverteilung sorgt. Eingeschlossen wird dieser Aufbau von Bipolarplatten aus
Grafit. In diesen Bipolarplatten sind Kanäle für den Gastransport eingelassen.
Abbildung 25: Schematischer Aufbau einer PEM-Zelle [1]
Die Abbildung 25 zeigt den schematischen Aufbau einer PEM-Zelle.
18
Elektrochemische Grundlagen Brennstoffzelle [23]
Folgende Reaktionen vollziehen sich in der Brennstoffzelle:
Formel 12: Reaktion Anode
2H 2 ⎯
⎯→ 4H + + 4e −
Formel 13: Reaktion Kathode
O 2 + 4e − ⎯
⎯→ 2O 2−
Formel 14: Gesamtreaktion BZ
2H 2 + O 2 ⎯
⎯→ 2H 2 O
Leerlaufspannung
Wenn eine Brennstoffzelle reversibel arbeiten würde, dann entspräche die entstehende
elektrische Arbeit der freien Energie im unverbrauchten Brennstoff. Bei konstantem
Druck und konstanter Temperatur entspricht diese maximale Arbeit der Leerlaufspannung U 0rev . Dieses gilt bei Standardbedingungen (p = 1,013 bar, 25°C).
Formel 15: Leerlaufspannung
U 0 rev = −
ΔG 0o − 237300J * V
=
= 1,23V
z * F 2 * 96487A * s
ΔG 0o = Reaktionsenthalpie für flüssiges Wasser = 237,3 kj/mol
z=
Anzahl der beteiligten Elektronen während der Reaktion = 2
F=
Faradaykonstante = 96487 As/mol
Wirkungsgrad
Der maximale Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten der freien Reaktionsenthalpie ΔG 0o und aus der Reaktionsenthalpie ΔH 0o .
Formel 16: Maximaler Wirkungsgrad BZ
η max =
ΔG 0o − 237,3kj * mol
=
* 100% = 83,3%
285,8kj * mol
ΔH 0o
ΔH 0o = Reaktionsenthalpie, entspricht dem Brennwert von H2 für flüssiges Wasser.
19
3.2.1 Brennstoffzellenstack
Höhere Spannungen werden durch eine Serienschaltung erreicht (Stack). Die Tabelle 7
und die Abbildungen 26 – 29 zeigen Brennstoffzellenstacks im Bereich von 250 Watt.
Tabelle 7: Kenndaten der verfügbaren Brennstoffzellenstacks [25]
ZSW
Fuyuan FC
Group
MES-DEA
200*140*140
70*260*90
110*180*70 125*40*180
250
200
300
240
Hersteller
Staxon
Nennleistung
(H*B*T)
(mm)
(W)
Gewicht
(kg)
6,4
2
2,2
1,05
Nennspannung/-strom
(V/A)
6/42
9/22
14,4/20
24/15
Leistungsdichte
(W/Kg)
39,1
100
136
229
Leistungsdichte
(W/L)
64
122
216
267
Abmessung
Abbildung 26: ZSW 250 W Stack [25]
Abbildung 27: Fuyuan 200 W Stack [25]
Abbildung 28: MES-DEA 300 W Stack [25]
Abbildung 29: Staxon 360 W Stack [25]
Der Stack aus Abbildung 26 von ZSW ist zu schwer und hat eine zu geringe Leistungsdichte, auch die Nennspannung von 6 Volt ist zu niedrig. Der Brennstoffzellenstack der
Firma Fuyuan, in Abbildung 27 hat sich nach den Messungen als nicht verwendbar erwiesen, da dieser eine zu niedrige Leistung abgibt und auch keine Steuerung für den
Lüfter besitzt. Der Staxon Stack aus Abbildung 29 hat eine sehr hohe Leistungsdichte
und die Nennspannung mit 24 Volt ist sehr hoch. Der Stack hat dennoch keine weitere
Peripherie um das Betriebsverhalten zu regeln. MES-DEA Stack aus Abbildung 28 hat
eine gute Leistungsdichte und ein kleines Volumen. Des Weiteren wird der Stack als
komplettes System mit Peripherie, also Steuerung und Lüftern vertrieben.
20
Vergleich von Brennstoffzelle und Akku
Die Tabelle 8 zeigt die Nachteile und Vorteile von Akku und Brennstoffzelle. Diese
sind gekennzeichnet mit (+/-/o).
Tabelle 8: Vergleich von Brennstoffzelle und Batterie
Brennstoffzelle
Akkumulator
Energiedichte
+ durch den Speicher dimensionierbar
- ca. 200Wh/kg
Leistung
o Durch die Leistungsdichte des Stacks + in der Regel mit der Batterieund dem Aufbau gegeben
größe gekoppelt
Selbstentladung
+ im abgeschalteten Zustand = 0
- ca. 1-10% pro Monat
- Bei Leerlauf wegen der Peripherie
Wirkungsgrad
Kleine Last
- Schlecht wegen der Peripherie
50% Last
o mittel
Volllast
o mittel
Kaltstart
- Beim Start nur 50 % Leistung bei RT
+ sofort lastfähig
Ladedauer
+ Auswechseln der Speicher, sehr schnell
- Ladedauer 30 min – 10h
Systemtechnik
- sehr aufwendig
+ einfach
Kosten
- noch sehr teuer
- preiswert im Vergleich zur BZ
+ hoher Wirkungsgrad
Der Brennstoffzellenstack von MES-DEA aus Abbildung 28 wird für den Aufbau verwendet, da dieser eine Steuerungseinheit hat, welcher den Betriebszustand des Stacks
regelt. Unter 4.2.5 „Brennstoffzellensystem von MES-DEA“ wird das System näher
beschrieben.
21
3.3 Wasserstoffspeicher
Die gebräuchlichsten Methoden zur Speicherung von Wasserstoff sind:
•
Druckwasserstoffspeicherung
•
Flüssigwasserstoffspeicherung
•
Speicherung in Metallhydridspeichern
Bei der Druckwasserstoffspeicherung wird das Gas mit Drücken von 20-30 MPa in
Aluminium oder Stahltanks gespeichert. Auch die Speicherung in Tanks aus Faserverbundwerkstoffen ist schon erprobt [26]. Diese sind mit einem Druck von 70 MPa
befüllbar. Sie haben ein geringes Eigengewicht, da diese aus einem Aluminiumkorpus
gebaut sind, der mit Kohlenstofffasern umsponnen ist.
Die Druckspeicher besitzen sehr hohe Sicherheit da der Berstdruck der Speicher das
2,35-fache des Speicherdrucks beträgt [27]. Die Nachteile liegen beim Aufwand für die
Be-und Entladung, da für das Befüllen Kompressoren notwendig sind und für die Entnahmen des Gases mehrstufige Druckminderer zu Verwendung kommen.
Bei der flüssigen Speicherung von Wasserstoff wird dieser auf eine Temperatur von
252,8°C abgekühlt und dadurch verflüssigt. Die Dichte des Wasserstoffs liegt dann
beim 800-fachen des Gaszustands und ist damit die beste massenbezogene Speichermethode. Der Aufwand für die Kühlung und das Handling beim Speichern des Wasserstoffs ist aber sehr hoch und teuer. Am Tank muss ein großer Aufwand für die Isolierung betrieben werden, um eine Verdampfung zu vermeiden. Diese Art der Speicherung
hat in Kleinstanwendungen keine Relevanz.
Ein Metallhydridspeicher ist optimal für die Verwendung in Kleinstanwendungen,
wenn das Gewicht eine kleinere Rolle spielt, da dieser eine hohe volumenspezifische
Speicherdichte hat. Im Gegensatz dazu hat dieser eine geringe gravimetrische Energiedichte (0,8 – 2 Gew.%), je nach verwendeter Metalllegierung. Die Speicher besitzen
eine hohe Sicherheit da diese nur mit einem geringen Druck beladen werden (5-20 bar).
Die Entnahme kann daher unter Verwendung einfacher Druckregler erfolgen. Ein Nachteil ist die Abkühlung der Metallhydridspeicher bei der Desorption mit hohen Volumenströmen (Näheres unter 4.2.6 „Metallhydridspeicher“).
22
Abbildung 30: Übersicht Energiespeicher [28]
Die Abbildung 30 zeigt die volumen- und gewichtsspezifischen Wasserstoffgehalte verschiedenster Energieträger. Der gewichtsspezifische Gehalt der Metallhydridsysteme ist
nicht sehr hoch und liegt bei 0,8 – 2,0 Gewichtsprozenten. Die volumenspezifische
Speicherdichte ist hingegen mit 20 – 40 kg H2/m3 sehr hoch.
Eine Übersicht über technisch relevante Wasserstoffspeicher für Elektrofahrräder zeigt
folgende Übersicht in Tabelle 9:
Tabelle 9: Übersicht Wasserstoffspeicher [27]
Druckgasspeicher
Material
Fülldruck (bar)
Volumen (L)
Gewicht (kg)
Füllmenge (Nl)
Energiegehalt
(Wh)*
Speicherdichte
(Wh/L)
Speicherdichte
(Wh/kg)
Reichweite (h)**
Metallhydridspeicher
Aluminium/
Aluminium Aluminium Stahl
Aluminium Aluminium
Kohlefaser
150
200
300
700
5 - 14
5 - 14
2
10
0,38
2
0,6
0,75
4,5
12
1,7
Ca. 1
1,6
2,3
280
1800
65
Ca. 1300
150
250
840
5400
195
Ca. 3900
450
750
420
540
513
Ca. 1950
750
1000
187
450
115
Ca. 3900
281
326
1,7
10,8
0,4
7,8
0,9
1,5
*Annahme: 3000Wh/kg H2; **Wirkungsgrad 40% der BZ und einer Leistung von 200Watt
Für die in dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen werden Metallhydridspeicher
der Firma Hera benutzt, da diese auch am Institut vorhanden sind.
23
Abbildung 31: Hera Metallhydridspeicher [1]
Die Abbildung 31 zeigt einen Metallhydridspeicher mit einem Parker Schnellverschluss.
3.4 Doppelschichtkondensator
Doppelschichtkondensatoren (Ultracaps, Supercaps) sind effiziente elektrische Energiespeicher, die elektrische Energie schnell speichern und wieder abgeben können.
Das Funktionsprinzip beruht auf der elektrochemischen Doppelschicht, die sich ausbildet, sobald man eine geladene Elektrode in eine leitfähige Flüssigkeit taucht. Bei
Supercaps, welche eine höhere Spannung (2-3Volt) als normale Kondensatoren haben,
ist diese eine nichtwässrige Flüssigkeit mit organischen Lösungsmitteln.
Die Dielektrikumsdicke beträgt bei diesem Typ nur einige Nanometer und wird weitgehend vom Ionenradius bestimmt. Als Folge können sehr hohe Kapazitätsdichten erzielt werden [29].
Abbildung 32: Aufbau Supercap [30]
Die Abbildung 32 zeigt den inneren Aufbau eines Supercaps.
Ersatzschaltbild
RESR = Ersatzserienwiderstand
C = Kapazität
Ri = Isolationswiderstand
Abbildung 33: Ersatzschaltbild des Supercaps [1]
Das ESB in Abbildung 33 gilt für einen Doppelschichtkondensator bei Gleichspannung,
also bei langsam veränderlichen Vorgängen, daher taucht die Serieninduktivität nicht
24
auf. Der Widerstand RESR ist für hohen Strom bei Entladung und Ladung verantwortlich, der Isolationswiderstand Ri für den Leckstrom Ic.
Vergleich von Akku und Doppelschichtkondensator:
Im Vergleich zu Akkumulatoren bieten Supercaps einen wesentlich geringeren Innenwiderstand (RESR = 1mΏ) und damit sehr hohe Entladeströme (hohe Leistungsdichte).
Die Energiedichte der Supercaps liegt deutlich unter der von Batterien und Akkumulatoren. Das Laden ist genauso schnell wie das Entladen in nur wenigen Sekunden möglich und es kann daher auf eine aufwendige Ladeüberwachung verzichtet werden [29].
Der Kondensator speichert die Energie direkt in elektrischer Form. Bei allen anderen
Energiespeichern wird diese in mechanischer, chemischer oder magnetischer Form gespeichert. Diese besitzen daher auch eine hohe Zyklenfestigkeit und haben eine weitaus
größere Lebensdauer als Akkus. Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen Akkumulator und Supercap ist der Spannungsverlauf als Funktion der Kapazität wie in folgender
Abbildung 34 gezeigt wird.
Abbildung 34: Lade- und Entladekurve im Vergleich [29]
Wie in der Abbildung 20, unter Kapitel 3. „Übersicht Energiesysteme“ zu erkennen ist,
besitzen Doppelschichtkondensatoren, auch Supercaps oder Ultracaps genannt, eine
sehr hohe Leistungsdichte aber eine geringe Energiedichte und lassen sich daher mit der
Brennstoffzelle ideal ergänzen. Weitere Merkmale sind:
•
Sehr lange Lebensdauer
•
500000 Ladezyklen
•
Kurzschlussfest
•
Keine spezielle Laderegelung notwendig
•
Wartungsfrei
•
Kein Memory Effekt
•
Großer Temperaturbereich (-20°C - +60°C)
•
Tiefentladungsfest
•
Umpolfest
•
Geringes Gewicht
25
Übersicht der Doppelschichtkondensatoren
Auswahlkriterien sind eine möglichst hohe gravimetrische Leistungs- und Energiedichte.
Die Recherche nach brauchbaren Typen der Supercaps ergab folgende Auswahl.
Tabelle 10: Übersicht Supercaps
Hersteller
Maxwell
Ness
Epcos
UR
(V)
2,5
2,7
2,5
C
(F)
350
90
100
ESR
Emax
Pd
Gewicht Volumen Nennstrom
(mOhm) (Wh/kg) (W/kg)
(g)
(l)
(A)
3,2
5,1
3900
60
0,05
20
8
4,05
10130
22,5
0,017
21,2
3,5
2,7
3300
65
0,056
8
Erläuterung zur Tabelle:
UR = Nennspannung; RESR = Ersatzserienwiderstand
Pd = Spezifische, gravimetrische Leistungsdichte
Diese errechnet sich aus:
Formel 17: Leistungsdichte Kondensator
0,12 * U ^ 2
ESR [ W / kg]
Pd =
m
Emax = Spezifische, gravimetrische Energiedichte.
Diese errechnet sich aus:
Formel 18: Energiedichte Kondensator
E max =
0,5 * C * V 2
[ Wh / kg]
3600 * m
26
4. Dimensionierung und Konstruktion
Zunächst wird eine Vordimensionierung eines entsprechenden Lastprofils unter Verwendung der Motordaten vorgenommen, um die Auslegung und Konstruktion der
weiteren Bauteile zu ermöglichen.
4.1 Dimensionierung
Für die Vordimensionierung habe ich mir ein Lastprofil für eine Fahrt mit einem
Elektrofahrrad überlegt. Das Lastprofil ist theoretischer Art und nutzt der Vordimensionierung des Hybridsystems und der Akkusysteme. Ein Hybridsystem aus einem Brennstoffzellensystem und einem Pufferspeicher hat den Vorteil das die Brennstoffzelle,
welche keine großen dynamischen Lastsprünge verkraften kann (relativ im Vergleich zu
einer Batterie), auf die Nennleistung zuzüglich des Ladestroms für den Pufferspeicher,
ausgelegt werden kann und damit einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad hat. Die
Lastspitzen werden dann von dem Pufferspeicher abgedeckt.
Das Profil enthält Beschleunigungsphasen, eine Phase mit Nennlast und eine Phase mit
einer erhöhten Last.
Annahmen für das Profil und die idealisierte Berechnung der Leistungsdaten:
•
Die Beschleunigung wird mit a = 1m/s2 angenommen.
•
Die Nenngeschwindigkeit liegt bei 21 Km/h und bei langsamer Fahrt 10 Km/h.
•
Die Brennstoffzelle hat eine Nennleistung von 310 Watt und wird auch bei
dieser Leistung betrieben.
•
Die Brennstoffzelle hat eine Kaltstartphase von 100 Sekunden und kann in dieser Zeit 200 Watt leisten.
•
Es wird ein Pufferakku von Gaia benutzt mit einer Nennspannung von 3,6 Volt
und 7,5 Ah (27 Wh; maximaler Entladestrom 75 A [21]), um die Brennstoffzelle
bei Beschleunigung, Bergfahrt und Kaltstartphase zu unterstützen. Ein DC/DC
Wandler zur Anhebung der Spannung wird nicht berücksichtigt.
•
Die Ladung des Akkus wird auf 50 Watt beschränkt.
•
Das Gewicht für die Berechnung beträgt 100 kg.
•
Die Grundlage ist ein Elektromotor (RN120-2NFB) der Firma Heinzmann mit
36 Volt und 250 Watt Nennleistung. (Motordiagramm siehe Anhang 2)
•
Die Reibung wird nicht einbezogen, dieser muss experimentell ermittelt werden.
Der Luftwiderstand während der Fahrt und weitere Verlustleistungen (Steuerung; Ladeeinheit etc.) werden nicht mit einbezogen.
•
Die Leistung beruht auf reinem Elektrobetrieb, die Leistung des Fahrers wird
nicht betrachtet.
Alle Werte bezüglich des Motors stammen aus dem Datenblatt.
Die Gesamtmotorleistung bei Nenngeschwindigkeit ergibt sich aus der Nennleistung
und dem Wirkungsgrad:
Formel 19: Gesamtleistung Motor bei Nenngeschwindigkeit PgesNenn
PgesNenn =
Pnenn
250 W
=
= 308,64 Watt
η Motor
0,81
27
Die Peakleistung bei Beschleunigung auf 21 Km/h errechnet sich aus der Beschleunigungskraft FB und dem Radius des Rads Rr und des Wirkungsgrads.
Beschleunigungskraft FB:
Formel 20: Beschleunigungskraft FB das Lastprofil
FB = m * a = 100kg *1
m
= 100 N
s2
Das Motordrehmoment MBP bei einem Radradius Rr = 0,33 m (26 Zoll) beträgt:
Formel 21: Motordrehmoment MBP ei Peakbelastung
M BP = FB * R r = 100 N * 0,33m = 33Nm
Aus dem Diagramm Motorleistung PM580 = 580 Watt; ηMotor = 0,75
Formel 22: Gesamtleistung Motor bei Peaklast Pges580
PgesPeak =
580W
= 773Watt
0,75
Die Beschleunigungszeit t21 auf v = 21 Km/h beträgt:
Formel 23: Beschleunigungszeit t21 auf 21 Km/h
t 21 =
v
21Km * h *1000 * s 2
=
= 5,8s
a h * 3600 * s * K *1 * m
Die Gesamtleistung des Motors Pges10 bei 10 Km/h aus der Leistung des Motors und des
Wirkungsgrads:
Formel 24: Gesamtleistung Motor bei 10 Km/h Pges10
Pges10 =
90 W
= 200Watt
0,45
Die Gesamtleistung des Motors PgesBerg bei einer Geschwindigkeit von 10 Km/h ergibt
sich aus der Leistung des Motors am Berg, aus dem Wirkungsgrad des Motors, aus dem
Radius des Rads RR und der Hangabtriebskraft FH bei einer Steigung von 3 °.
Die Hangabtriebskraft FH:
Formel 25: Hangabtriebskraft FH bei 3° Steigung
FH = m * g * sin α = 100kg * 9,81
m
* sin 3 = 51,35 N
s2
Das Motordrehmoment MBFH infolge der Hangabtriebskraft:
Formel 26: Motordrehmoment MBFH infolge der Hangabtriebskraft
M BFH = 51,35 N * 0,33m = 16,94 Nm
28
Das Gesamtmotordrehmoment MBges10 setzt sich aus dem Drehmoment MBFH und dem
gegebenen Drehmoment bei 10 Km/h:
Formel 27: Gesamtdrehmoment MBges am Berg bei 3°
M B ges10 = 16,94 Nm + 6 Nm = 22,94 Nm
Aus dem Diagramm Motorleistung PM400 = 400 Watt; ηMotor = 0,82
Formel 28: Gesamtleistung des Motors am Berg 3°
PgesBerg =
400Watt
= 488Watt
0,82
Aus den errechneten Werten entsteht folgendes Lastprofil in Abbildung 35 über eine
Zeit von 700 Sekunden.
Darstellung eines Lastprofils für ein Hybridsystem aus BZ-System und
Akku als Pufferspeicher
750
Peakleistung
durch
Beschleunigung
Peakleistung durch
Beschleunigung
650
Steigung 3°
10 Km/h
Leistung P [W]
550
450
350
21 Km/h
250
21 Km/h
150
10 Km/h
Kaltstartphase BZ
50
-50
2,9 Wh
Entladung Akku
3,3 Wh
3,3 Wh
Aufladung Akku
2,9 Wh
-150
-20 0
40
100
160
220
280
340
400
460
520
580
640
700
Zeit t [s]
BZ-Leistung
Leistung-Akku
Motorleistung
Abbildung 35: Darstellung Lastprofil für ein Hybridsystem [1]
Die Abbildung 35 zeigt die Leistungen des BZ-Systems und die Lade- und Entladeleistung am Akku. Der Akku wird während der Nennleistungsphasen und bei kleinerer
Leistungsanforderung geladen. Die Nennleistung liegt nun bei PgesNenn = 308,64 Watt.
Rechnet man die Ladeleistung von 50 Watt dazu, steigt die Nennleistung auf 358,64
Watt. Es ist zu sehen das es keiner großen Kapazität bedarf. Nach Abbildung 35 ergibt
sich aus den Integrationsbereichen eine maximale Energie von 3,3 Wh.
Da das Brennstoffzellensystem als separates Modul verwendet werden soll und es keine
anderen BZ-Systeme in diesem Nennbereich zu kaufen gibt, muss der Nennleistungsbereich nach unten verschoben werden, um das MES-DEA-Brennstoffzellensystem
nutzen zu können.
Des Weiteren wäre es im Rahmen dieser Diplomarbeit zu aufwendig eine Regelungseinheit für solch ein Hybridsystem zu entwickeln. Daher beschränkt sich diese Arbeit
auf ein Hybridsystem aus Brennstoffzellensystem und Supercaps in der weiteren Ausführung PEM-BZ System genannt. Die Supercaps haben keine große Kapazität können
aber große Anfahrströme abdecken.
Die einzelnen Module werden in den jeweiligen Kapiteln abgearbeitet.
29
4.2 Konstruktion und Modellierung
Es wird für den Einbau ein Rahmen der Firma Hawk Bikes verwendet. Der Rahmen
bietet aufgrund seiner Form genug Freiraum für die Komponenten (Abbildung 37).
Auf die Anfrage an die Firma Hawk Bikes hat diese mir eine 2-D Zeichnung ihrer
Rahmengeometrie des Modells geschickt. Zunächst habe ich ein 3-D Modell dieses
Rahmens erstellt. Nun ist es möglich durch ein digitales Mock-Up die Komponenten
versuchsweise zu verbauen.
Abbildung 36: Ablaufschema zur Konstruktion [1]
Die Abbildung 36 verdeutlicht die Vorgehensweise zur Konstruktion. Alle konstruktiven Lösungen, auch das Layout für die Belichtungsfolien zur Leiterplattenherstellung,
werden mit dem CAD-Programm Pro/E realisiert. Die folgenden Beschreibungen und
Abbildungen zeigen die Ablauffolge der Herstellung. Die Platinen habe ich bei der
Firma Bungard bestellt. Die Qualität ist FR4 und hat eine doppelseitige Kupferbeschichtung mit 70 μm. Die Schwierigkeit war die Herstellung der Belichtungsfolien,
da es für Pro/E keine Vorlage gibt. Daher habe ich die Zeichnungsdateien der Platinen
als *.jpeg gespeichert und diese dann mit einem Bildbearbeitungsprogramm schwarz
eingefärbt und anschließend auf die korrekte Größe formatiert. Gedruckt wurden diese
Layouts auf speziellen Folien für den Belichter.
Belichtet und geätzt habe ich die Platinen an der Technischen Universität Berlin, im
Labor für Elektrotechnik. Die Bohrungen und Aussparungen habe ich in der Werkstatt
des Fraunhofer Instituts angefertigt.
Das Gewicht und das Volumen der Systeme wurden für die weitere Beurteilung ermittelt. Das Gewicht der Verkabelung zwischen einzelnen Bauelementen und Systemen
ist nicht hinzugerechnet.
30
4.2.1 Fahrradrahmen
Das 3-D Modell wurde entsprechend den Maßen des 2-D Modells entwickelt. Der
Rahmen stammt vom Modell „Duncon“ aus der Serie der Hawk Classic Fahrräder. Da
die Komponenten alle im Rahmenbereich vorne verbaut werden, habe ich auch nur
diesen Teil modelliert. Die anderen Rahmenteile haben keine Relevanz.
Abbildung 37: Aluminiumrahmen Duncon [1]
Zu sehen ist in Abbildung 37 der Aluminiumrahmen „Duncon“, welcher aus einer 2-D
Zeichnung modelliert wurde.
4.2.2 Li-Ionen-Akkusystem Gaia
Für den Antrieb wird eine Serienschaltung mit dem Akkutyp „HP“ aufgebaut, also
10S1P, mit einer Nennspannung von 36 Volt. In Zusammenarbeit mit der Firma Gaia
entstand dieses sehr anspruchsvolle System, welches mit einem Batteriemanagementsystem überwacht werden muss.
Die folgenden Bedingungen mussten eingehalten werden, um das System in den Rahmen einzupassen:
•
Wegen der von den Akkus ausgehenden Gefahr und der Empfindlichkeit der
elektronischen Bauteile musste für das gesamte System eine Box gebaut werden.
•
Eine Ledertasche sollte für die Box angepasst werden, um das Design des Fahrrads stimmig zu gestalten. Diese Ledertasche sollte oben zu öffnen sein.
•
Die Box sollte an dem Rahmen montiert werden und dem Verlauf des Vorderrohrs und Hinterrohrs folgen.
•
Die Ledertasche mit Box durfte eine Breite von 76 mm nicht übersteigen, da es
sonst zu einem Kontakt mit den Tretkurbeln kommt.
•
Kompakte Bauweise
31
Entwicklungsstadien
Abbildung 38: Einzelzelle Gaia HP 7,5 [1]
Abbildung 39: Akkupack Gaia 10S1P HP 7,5 [1]
Abbildung 38 und 39 zeigen die Zelle als Bauteil und als Baugruppe.
Abbildung 40: Zusammenbau Akkusystem [1]
In Abbildung 40 sind alle Module in einer Baugruppe dargestellt.
32
Abbildung 41: Einbau des Systems in die Ledertasche [1]
Abbildung 41 zeigt die Gesamtbaugruppe mit der Metallbox und die Einpassung in eine
Ledertasche.
Abbildung 42: Einbau des Systems in den Fahrradrahmen [1]
In Abbildung 42 ist der Einbau der Gesamtbaugruppe in den Rahmen mit den Halterungen zu sehen.
33
Da es sich bei allen Komponenten, ausgenommen der Fahrradsteuerung, um Einzelanfertigungen handelt und der Einbau der Lithium-Ionen-Akkus nur von Fachleuten
durchgeführt werden darf, übernahmen die Firma Gaia folgende Aufgaben:
•
Fertigung der Einzelakkus und Montage auf einer Kunststoffgrundlatte
•
Installation aller elektronischen Bauelemente, inklusive der Verkabelung
•
Programmierung des Batteriemanagementsystems
•
Qualitäts-, Funktions- und Sicherheitsabnahme
Die Firma Gaia hat das System in Abbildung 43 aufgebaut.
Abbildung 43: Gaia-Akkusystem ohne Verkabelung [31]
Die Abbildung 43 zeigt die eingebauten Komponenten in der Metallbox ohne Verkabelung.
1. Akkupack 10S1P
2. BMS
3. Slave
4. Mosfet
5. Steuerung für den Motor
34
Abbildung 44: Verkabeltes Gaia-Akkusystem [1]
Die Abbildung 44 zeigt das Akkusystem mit der Verkabelung. Für den Einbau am Fahrrad mussten einige Änderungen an der Verkabelung vorgenommen werden, worauf ich
aber nicht näher eingehen werde.
Aufbau und Funktionsweise des Batteriemanagements
Abbildung 45: Layout Batteriemanagement [32]
In der Abbildung 45 sind die Verschaltung und die Schnittstellen der Masterplatine und
der Slaveplatine zu sehen.
35
Slaveplatine
Es werden folgende Messwerte der einzelnen Akkus und des gesamten Akku-Packs
aufgenommen:
•
Die Temperatur an der Außenwandung des Batterie-Packs
•
Die Spannung der Einzelzellen und die Gesamtspannung
Das Balancing übernimmt die Slaveplatine allein. Daher muss auch jedes einzelne in
Serie geschaltete Batteriepack einen Slave haben. Das Balancing ist während des Ladens und wenn kein Strom fließt (I<100mA) aktiv.
Abbildung 46: Parameter für das Balancing [33]
Die Balken in Abbildung 46 zeigen einzelne Zellen eines Serien-Packs. Nur Zellen welche eine höhere Spannung als DisLog_MinUc = 3,4 Volt haben werden in das
Balancing mit einbezogen. Der Parameter DisLog_DeltaUc hat einen einprogrammierten Wert von 40 mVolt. Es werden daher alle Zellen welche außerhalb dieser
Varianz von 40mVolt liegen, entladen. Die Entladung erfolgt über einen Strom mit
40mA.
Über eine RS 485 Schnittstellen sind die Platine mit der Masterplatine verbunden. Die
Daten werden zur Auswertung an die die Masterplatine übergeben.
Masterplatine
Schnittstellen und deren Bedeutung der Masterplatine sind:
•
RS485 Bus:
Kommunikation mit der Slaveplatine
•
KL15, KL30, KL31:
Stromversorgung
•
Current Measuring Interface:
Anschluss an einen Hallsensor zur Strommessung.
•
Relay&Switches:
schaltbare Ausgänge, in diesem Falle ein
Mosfet.
•
Interface:
CAN und RS232 Schnittstelle zur
Datenübertragung.
36
Die wichtigsten Grenzwerte und Parameter, welche in das BMS programmiert wurden,
sind (komplette Parameterliste unter Anhang 4 - 6):
Err-U-Min-Cell:
2700mV (Abbruch bei minimaler Spannung)
Err-U-Max-Cell:
4200mV (Abbruch bei maximaler Spannung)
Warn-U-Min-Cell:
2800mV (Warnung bei minimaler Spannung)
Warn-U-Max-Cell:
4100mV (Warnung bei minimaler Spannung)
Err-I-Max-Charge:
30000mA
4,0 C (Abbruch max. Ladestrom)
Err-I-Max-Discharge:
37500mA
5,0 C (Abbruch max. Entladestrom)
Warn-I-Max-Charge:
15000mA
2,0 C (Warnung max. Ladestrom)
Warn-I-Max-Discharge:
15000mA
2,0 C (Warnung max. Entladestrom)
IPeak-Max-Charge_Im:
50000mA
6,7 C (Peakstrombelastung Laden)
IPeak-Max-Discharge_Im:
50000mA
6,7 C (Peakstrombelastung Entladen)
Mosfetplatine
Die Mosfetplatine wird von der Masterplatine mit einem „low“ oder „high“ Pegel aus
und eingeschaltet. Sind alle Parameter innerhalb der Toleranzwerte, bleibt der Mosfet
auf Durchgang geschaltet. Der Mosfet stellt eine Sicherheitsinstanz dar (Eine Stückliste
und Zeichnung für die Befestigung für das System befindet sich im Anhang 5 - 6).
Bestimmung des Volumens und des Gewichts
Für die spezifischen Energie- und Leistungsdichten werden das Gewicht und Volumen
+
benötigt. Die Abmaße (A*B) ( 2 mm) ergeben das Volumen:
−
Formel 29: Volumen Gaia Akku
VGaia = 65,17cm 2 * 75mm = 4887,75cm 3
Das Gewicht mit Gehäuse beträgt (
+
2 %):
−
mGaG = 6670 g
Es ergibt sich eine spezifische Kapazität bei einer Nennspannung von 36 Volt:
7,5 Ah*36 V/4,88 Liter = 55,32 Wh/Liter
7,5Ah * 36 V/6,67kg = 40,47 Wh/kg
Die Entladeschlussspannung für das Gesamtsystem wird auf 28 Volt festgelegt.
Bestimmung des Volumens und des Gewichts Akku-HE 10 Ah
Die Zellen sind identisch mit den HP-Zellen daher ändert sich nur die Kapazität des
Systems:
10 Ah*36 V/4,88 Liter = 73,77Wh/Liter
10 Ah*36 V/6,67kg = 53,97 Wh/kg
37
4.2.3 Li-Ionen-Mangan-Akkusystem
Um den Akku am Fahrrad zu nutzen, wird eine 10S3P-Kongiguration benutzt, 3 AkkuPacks werden parallel verschaltet, um eine höhere Kapazität, und vor allem die Akkus
wegen der sehr hohen Ströme nicht zu zerstören. Die Akku-Packs wurden bei der Firma
BMZ nach meinen Wünschen konfiguriert und montiert:
Abbildung 47: Skizze für die Konfiguration 10S1P [1]
Die Abbildung 47 zeigt die Skizze für die Montage der Akkus, der Messlitzen und der
stromführenden Kabel.
Die Li-Ionen-Mangan-Akkus brauchen, ähnlich der des Gaia-Akkusystems eine Elektronik um die Balancierung zwischen den Zellen einer Serienschaltung vorzunehmen.
Dazu habe ich bei der Firma Schulze-Elektronik einen Balancer gekauft. Dieser wird
zwischen dem Ladegerät und dem Akku eingeschleift. Über die Messlitzen wird bei der
Ladung jede einzelne Zelle gemessen. Steigt die Spannung um eine bestimmte Toleranz
(10mV) wird die jeweilige Zelle mit einem Ausgleichsstrom von maximal 1 A entladen.
Die Ladestrombegrenzung wird über einen Poti eingestellt.
Der Balancer kann für andere Zelltypen verwendet werden. Die Konfiguration und der
Datentransfer zu einem PC, erfolgen über eine RS232-Schnittstelle. Es kommen keine
weiteren Überwachungsmechanismen zum Einsatz.
Der Balancer wird als notwendige Elektronik mit dazu gerechnet, aber nur 1 Balancer
für 3 Packs.
38
Abbildung 48: Li-Ionen-Mangan-Akkusystem mit Balancer [1]
Die Abbildung 48 zeigt den Balancer, angeschlossen an einem Li-Ionen-Mangan-AkkuPack, in Betrieb (Verschaltungsskizze unter Anhang 3).
+
benötigt. Die Abmaße (H*B*L) ( 2 mm) ergeben das Volumen:
−
Formel 30: Volumen Li-Ionen-Mangan-Akku-Pack
VLi = (21 * 37 * 340) * (mm) = 264,18cm 3
Das Gewicht beträgt (
+
2 %):
−
mLi = 545 g
Das Balancer Modul hat folgendes Volumen (H*B*L) (
Formel 31: Volumen Balancer
VBal = (17 * 118 * 102) * (mm) = 204,61cm 3
+
2 %):
−
mBal = 155 g
Das Gesamtvolumen des Systems beträgt:
Formel 32: Gesamtvolumen Li Ionen Mangan Akkuystem
VLi _ ges = 3 * 264,18cm 3 + 204,61cm 3 = 997,51cm 3
Das Gesamtgewicht des Systems beträgt:
Formel 33: Gesamtgewicht Li-Ionen-Mangan Akkusystem
m Li = 3 * 545g + 155g = 1790g
39
+
2 mm):
−
3*1,08 Ah*36 V/1 Liter = 116,64 Wh/Liter
3*1,08 Ah*36 V/1,79kg = 65,16 Wh/kg
4.2.4 NiMH-Akkusystem
Die Firma Heinzmann verkauft für ihre Elektrofahrräder ein NiMH-Akku mit einer
Nennspannung von 36 Volt und einer Kapazität von 9,5 Ah. Darin befinden sich 30
Akkus des Typs VH D 9500 von Saft, welche in Serie geschaltet sind. Der Koffer ist
mit einer Zustandsanzeige für die Akkus ausgestattet. Zur Absicherung der Batterien ist
eine 30-A-Sicherung vorhanden. Zur Ladeschlusserkennung für das Ladegerät ist ein
temperaturabhängiger Widerstand zwischen den Zellreihen eingeklebt.
Abbildung 49: NiMH-Akkusystem von Heinzmann [1]
Die Abbildung 49 zeigt den Batteriekoffer mit den NiMH-Akkus von der Firma Heinzmann.
+
benötigt. Die Abmaße (H * B * L) ( 2 mm) ergeben das Volumen:
−
Formel 34: Volumen Nickelmetallhydridspeicher
VNiMH = (70 *120 * 360) * (mm) = 3024cm 3
+
2 %):
−
mNiMH = 5880 g
9,5 Ah*36 V/3,02 Liter = 113,24 Wh/Liter 9,5Ah* 36 V/5,88kg = 58,16 Wh/kg
40
4.2.5 Brennstoffzellensystem von MES-DEA
Den Brennstoffzellenstack der Firma MES-DEA habe ich für den Antrieb des Fahrrads
genutzt. Der Stack ist sehr kompakt aufgebaut und verfügt über ein Steuergerät, welches
das Betriebsverhalten überwacht. Das Brennstoffzellensystem ist einer der wenigen
Systeme im Leistungsbereich von 250 Watt auf dem Markt, welche komplett ausgerüstet sind mit einer auf den Stack abgestimmten Peripherie.
Abbildung 50: MES-DEA Brennstoffzellenstack [1]
Die Abbildung 50 zeigt die Frontansicht des MES-DEA-Stacks. Zu sehen ist der positive Abgriff auf der Oberseite, den adaptierten Wasserstoffschlauch und der Kathodenlüfter für die Luftzufuhr.
Abbildung 51: Rückseite Brennstoffzellenstack MES-DEA [1]
Auf der Rückseite des Brennstoffzellenstacks, (Abbildung 51), ist das Magnetventil für
die Wasserstoffzufuhr, das Ventil für den Ausgang am Wasserstoffkanal und die Axiallüfter zur Kühlung des Stacks zu sehen.
41
Abbildung 52: Steuergerät zur Brennstoffzelle [1]
In Abbildung 52 ist das Steuergerät der Brennstoffzelle zu sehen.
Der Stack ist mit 20, in Serie, geschalteten Zellen aufgebaut. Dazwischen befindet sich
ein gewelltes Blech zur Stromleitung und zur Wärmeabführung durch den Luftstrom der
Kühlungslüfter. Die Hauptzufuhrkanäle für Wasserstoff und Luft sind mit Dichtungen
versehen.
Abbildung 53: Aufbau Serienschaltung des MES-DEA-Stacks [1]
Die Abbildung 53 zeigt den Aufbau einer Serienschaltung zweier Brennstoffzellen(1)
von MES-DEA, den Leitblechen (2) und den Dichtungen für die Gaszufuhrkanäle(3).
Die Bipolarplatten und die MEA sind fest verklebt und bilden eine Zelle.
42
Arbeitsweise:
Durch einen Mikrocontroller wird die Brennstoffzelle während des Betriebs überwacht
und auf ihren optimalen Betrieb geregelt. Das beinhaltet die Temperaturüberwachung,
des Stacks sowie die Strom- und Spannungsüberwachung.
Die Steuerung regelt die Kühlventilatoren, den Zuluftventilator für die Kathode und die
beiden Magnetventile. Das Gerät verfügt über eine RS 232 Schnittstelle zur Datenauswertung (Temperatur, Spannung).
Technische Charakteristika des Brennstoffzellensystems [34]
Bei folgenden Bedingungen: Reinstwasserstoff 99,999 %
Stacktemperatur: 60 °C
Wasserstoffüberdruck: 0.4bar
Luftdruck: Umgebungsdruck
Umgebungstemperatur: 0-35 °C
Keine zusätzliche Befeuchtung
Typ:
Dea 0.5 Prototyp
Nennleistung:
500Watt elektrisch; 500Watt thermisch
Nennspannung:
12Volt(20 Zellen)
Wasserstoffverbrauch:
6.5 L/min
Größe:
180 x 150 x 140 mm
Gewicht:
2,4 Kg
Volumen:
2,6 Liter
Leistungsdichte:
190 W/Liter
Aktive Zellfläche:
61 cmˆ2 pro Zelle
Maximale Leistungsdichte: 0,59 W/cmˆ2 (719,8 Watt)
Die angegebenen Werte gelten ohne Anschluss der Peripherie.
Zu beachten ist während des Betriebs Folgendes:
Die Steuereinheit muss während des Betriebes an einer Spannung von 10.5 – 12 Volt
angeschlossen sein. Diese benötigt während des Starts maximal 1 Ampere.
Die Versorgungsspannung darf während der ersten 20 Sekunden nicht unter 10,5 Volt
fallen, ansonsten schaltet das System wieder ab.
Es sollte keine Last angeschlossen sein, welche eine höhere Spannung, als die Ausgangsspannung des BZ-Systems hat.
Am Steuergerät 2 Schalter vorhanden. Schalter 1 aktiviert dem Mikrokontroller. Die
Betriebsbereitschaft wird dann auf der Stirnseite durch die grüne LED angezeigt. Die
Betriebsaufnahme geschieht durch Umlegen des zweiten Schalters.
Während der Startprozedur öffnet das Eingangsventil und versorgt den Stack mit
Wasserstoff. Das Ventil bleibt während des Betriebes ständig geöffnet. In den ersten 4
Sekunden öffnet das Ausgangsventil, um die Kanäle der MEA mit Wasserstoff zu
spülen.
43
Abbildung 54: Schema BZ-System [1]
Das Schema in Abbildung 54 zeigt den Aufbau des BZ-Systems. Für die Stromversorgung der Steuerung ist ein 12-Volt-Akku vorgesehen.
Elektrische Verluste entstehen primär durch die Brennstoffzellenverluste, während des
Betriebs. Zusätzliche Verluste entstehen durch die Verbraucher der Peripherie und der
Steuerung selbst. Die elektrischen Peripheriegeräte haben folgende Nennleistungen:
•
2 Axiallüfter (D604T Micronel) zur Kühlung: 2*6,68 Watt
•
Kathodenlüfter (U97LM Micronel) zur Luftversorgung: 4 Watt
•
2 Magnetventile (Typ 117 Bürkert) zur Wasserstoffversorgung: 2*4 Watt
Die Gesamtleistung ohne den Verbrauch der Steuerung selbst beträgt 25,36 Watt. Die
Verluste werden anhand der Messung präzisiert.
Um die Eignung für den Antrieb des Elektrofahrrads zu testen, habe ich eine U-I Kennlinie aufgenommen, über eine Zeit von 1800 Sekunden.
44
18
360
16
320
14
280
12
240
10
200
8
160
6
120
4
80
2
40
0
0
0
5
10
15
20
25
30
Leistung Pel [W]
Spannung Uel [V]
U-I Kennlinie System MES-DEA
35
Strom Iel [A]
Leistung Pel
Spannung Uel
Abbildung 55: U-I-Kennlinie MES-DEA System [1]
Zu sehen, in Abbildung 55, ist eine maximale Belastung der BZ mit Iel=29,7 A bei
Uel=10,77 Volt. Das ist eine Leistung von Pel=320 Watt. Die Messung und die Messumgebung werden unter 5.3.1 „Messplatzaufbau“ näher beschrieben.
Da das System auf den höchsten Wirkungsgrad ausgelegt werden sollte ist der Systemwirkungsgrad der U-I-Kennlinie des BZ-Systems aus Abbildung 55 zu untersuchen.
70
350
60
300
50
250
40
200
30
150
20
100
10
50
0
Leistung Pel [W]
Wirkungsgrad WSy [%]
Elektrische Leistung und Systemwirkungsgrad
0
0
5
10
15
20
25
30
Strom Iel [A]
Leistung Pel
Wirkungsgrad Wsy
Abbildung 56: Systemwirkungsgrad des PEM-BZ System [1]
Wie in Abbildung 56 zu sehen, liegt der Systemwirkungsgrad bei einer Leistung von Pel
= 125 Watt bei WSy = 55 %.
45
Entwicklungsstadien
Abbildung 57: Brennstoffzellenstack [1]
Die Abbildung 57 zeigt den Stack von MES-DEA ohne periphere Bauelemente.
Abbildung 58: Brennstoffzellenstack mit Lüftern [1]
In Abbildung 58 ist der aufgebaute Stack mit allen Lüftern als Baugruppe dargestellt.
46
Abbildung 59: Gesamtsystem Brennstoffzellenstack [1]
Bei der Abbildung 59 handelt es sich um die Gesamtdarstellung des Brennstoffzellensystems.
+
benötigt. Die Abmaße (H * B * L) ( 2 mm) ergeben das Volumen:
−
Volumen der Lüfter:
Formel 35: Volumen Lüfter BZ
Vlü 2 = 2 * V1 = 2 * ((
Π
* (56,5) 2 mm 2 ) * 60mm)) = 2 *150.43cm 3 = 300,86cm 3
4
Formel 36: Volumen Kathode BZ
Vlü1 = ((
Π
* (98) 2 mm 2 ) * 24mm)) = 181,03cm 3
4
Volumen der Brennstoffzelle:
Formel 37: Volumen Brennstoffzelle
VBz = (177 * 110 * 72) * (mm) = 1401,84cm 3
Volumen Magnetventile:
Formel 38: Volumen Magnetventile
Vmagn = 2 * (20 * 52,8 * 26,5)(mm) = 55,97cm 3
47
Gewicht der Brennstoffzelle mit Komponenten ohne Steuerung (
+
2 %):
−
mBz = 2320g
Die Steuerung hat folgendes Volumen (H*B*L) (
+
2 mm):
−
Formel 39: Volumen Steuerung
VBzSt = (35 *127,2 * 200) * (mm) = 889cm 3
+
2 %):
−
mBzSt = 1100 g
Die Akkus (3S1P) haben folgendes Volumen (H*B*L) (
+
2 mm):
−
VAkku = 10,2 cm3
mAkku = 130 g
Das Gesamtvolumen des ganzen Systems beträgt:
Formel 40: Gesamtvolumen BZ System
VBzges = ((300,86 * 181,03) + 1401,84 + 889 + 55,97 + 10,2) * cm 3 = 2838,9cm 3
Das Gesamtgewicht des ganzen Systems beträgt:
Formel 41: Gesamtgewicht BZ System
m Bzges = 2320g + 1100g + 130g = 3550g
48
4.2.6 Metallhydridspeicher
Die Speicher der Firma Hera des Typs SL015 haben eine angegebene Speicherkapazität
von 150 Normlitern.
Technische Daten [35]:
Tabelle 11: Kenndaten Metallhydridspeicher
Metallhydrid-Legierung:
Hydralloy C5
Menge der Legierung:
1,0 kg
Ventil:
Parker Schnellkupplung
Maximaler Befülldruck:
20 bar bei 25 C°
Dimensionen
D*L = 51mm*310mm
Gewicht
1,6 kg
Behälterleervolumen
300ml
Wasserstoff hat eine Dichte von 0,089 g/l (273,15 K/1013mbar) [36]. Die Speicherfähigkeit der Legierung liegt bei ca. 1,5%-1,6% des Gewichts. Der Wasserstoff wird in
intermetallischen Verbindungen gespeichert. Bei der Einlagerung des Wasserstoffs mit
Überdruck kommt es zu einer exothermen Reaktion, daher muss der Speicher beim Befüllen gekühlt werden. Bei der Desorption des Wasserstoffs entsteht wiederum Kälte,
deshalb muss Wärme zugeführt werden.
Abbildung 60: Metallhydridspeicher Hera [1]
Die Abbildung 60 zeigt, dass, in Pro/E generierte, Model des Metallhydridspeichers.
49
Wasserstoffvolumen und Betankung der Speicher
Die Befüllung der Speicher erfolgt im Labor an einer „Wasserstofftankstelle“. Über eine
Medienleitung, welche auf 20 bar ausgelegt ist, kann über einen Druckminderer, der
Befüllungsdruck von 0-20 bar eingestellt werden. Die dabei entstehende Wärme wird
über einen Wasserstrom abgeführt.
Die Füllmenge bei den 20 bar befüllten Tanks wird beim Entladen gemessen. Bei der
Desorption wird dem Speicher Wärme entzogen, daher muss die Entladung nach einer
bestimmten Zeit unterbrochen werden, um wieder Raumtemperatur zu erreichen und
damit auch den Druck wieder zu erhöhen. Diese Entladung wird solange durchgeführt,
bis der Druck unter 400 mbar fällt. Bei der Messung am PEM-BZ System wird aus
diesem Grund auf die Verwendung des Hydridspeichers verzichtet und anstatt dessen
die normale Medienversorgung verwendet. Es stehen 2 der Metallhydridspeicher zur
Verfügung.
Die Messungen bei der Entleerung ergaben:
Tabelle 12: Kapazitäten Metallhydridspeicher
Hydridspeicher1
Hydridspeicher 2
Kapazität (Nl H2) Kapazität (Nl H2)
145,43
158,88
Es wird für die Energiemenge Metallhydridspeicher mit einem Wert von 158,88
Normlitern herangezogen. In einem Speicher mit 158,88 Nl steckt folgende Energie:
EHydrid = (158,88 Nl/1000) *3000Wh/Nm3 = 476,64Wh
Berechnung der Kälteenergie [37]
Reaktionsenthalpie:
30kj/mol
Molvolumen:
22,4l/mol
Energieinhalt Wasserstoff:
3000Wh/Nm3
Bei der Desorption von 158,88 Normliter Wasserstoff entsteht folgende Kälteenergie:
Formel 42: Stoffmenge Wasserstoff
158,88l
= 7,1mol = 7,1g Wasserstoff
22,4l / mol
Formel 43: endotherme Energie
E end = 30kJ / mol * 7,1mol = 213kJ = 59,16Wh
Daraus ergibt sich ein prozentualer Anteil an der Gesamtenergie:
Formel 44: Prozentualer Anteil der endothermen Energie an der Gesamtenergie
A Eges = 100% *
59,16Wh
= 12,41%
476,64 Wh
50
Um die mögliche Verwendung eines Metallhydridspeichers zusammen mit einer Brennstoffzelle zu untermauern, wird folgende Abschätzung durchgeführt:
Unter Berechnung der Kälteenergie wurde für 158,88 NL Wasserstoff eine endotherme
Energie von 59,16 Wh berechnet. Hat die Brennstoffzelle einen angenommenen elektrischen Wirkungsgrad von ηel = 0,4, entsteht folgende elektrische Nennenergie:
Formel 45: Nennenergie des Hydridspeichers
E HydridNenn
3000Wh * m 3
= 0,4 *158,88Nl *
= 190,66Wh
Nl *1000 * m 3
Der Rest also: 476,64 Wh-190,66 Wh = 285,98 Wh sind thermische Verluste. Die endotherme Energie entspricht also einem prozentualen Anteil an der Verlustleistung von:
AEVerlust = (100 %*59,16 Wh)/285,98 Wh = 20,69 %
Die notwendige Wärmemenge um den Hydridspeicher auf normaler Temperatur zu halten kann also theoretisch durch die Verlustleistung abgedeckt werden. Die Übertragung
der Wärme wird durch den konstruktiven Aufbau bestimmt und wird unter 4.2.9 „PEMBZ System“ dargestellt.
Temperaturabsenkung Hydridspeicher
25
Temperatur T [C]
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
Zeit t[sek]
Temperatur_Hydridspeicher
Linear (Temperatur_Hydridspeicher)
Abbildung 61: Temperaturabsenkung Hydridspeicher [1]
Die Abbildung 61 zeigt die gemessene Absenkung der Temperatur in einer Zeitspanne
von 95 Sekunden, bei einer Flussrate von 100 ml/min, von 21,3 °C auf 7,6 °C. Das ist
eine Absenkung von 0,14421°C/s.
Die Gaszufuhr an die Brennstoffzelle wird über einen Kunststoffschlauch realisiert. Der
Speicher kann durch den Parker Schnellverschluss getrennt werden. Der nötige Vordruck von 400 mbar wird durch ein Druckregelventil eingestellt.
51
Abbildung 62: Hydridspeicher mit Peripherie [1]
Die Abbildung 62 zeigt den Hydridspeicher, verbunden über eine Druckschlauch mit
einen Parker Schnellverschluss, Druckanzeige, Absperrhahn und einem Druckregelventil. Das 1-stufige Druckregelventil PR1-3213 der Firma Udomi hat einen Regelbereich von 0 – 0,7 bar.
+
benötigt. Die Abmaße (H * Durchmesser) ( 1 mm) ergeben das Volumen:
−
Formel 46: Volumen Hydridspeicher
Π
Π
* (50,5) 2 mm 2 ) * 217 mm) + (( * (23,5) 2 mm 2 ) * 71mm)
4
4
3
3
3
= 434,65cm + 30,74cm = 465,39cm
Vhyd = V1 + V2 = ((
Das Gewicht (
+
2 %) eines beladenen Speichers beträgt: mhyd=1510 g
−
Das Volumen und das Gewicht für Parker Schnellkupplung und Druckregler:
VDm = 7 cm3; mDm = 50 g
VParker = 9cm3; mParker = 70 g
Das Gesamtvolumen des Hydridspeichers:
Formel 47: Volumen Hydridspeicher System
V hydges = Vhyd + VDm + VPar ker = 481,39cm 3
Gesamtgewicht für den Hydridspeicher:
Formel 48: Gesamtgewicht Hydridspeicher System
m hydges = m hyd + m Dm + m Par ker = 1630g
52
Es ergibt sich eine spezifische Kapazität:
190,66 Wh/0,481 Liter = 396,38 Wh/Liter
190,66 Wh/1,63 kg = 116,96 Wh/kg
Die gemessene Kapazität des Speichers mit 158,88 Nl Wasserstoff wird als Entladeschluss festgelegt.
4.2.7 Supercaps
Für den weiteren Aufbau wurden Supercaps der Firma Maxwell mit einer Kapazität von
350 Farad genutzt, da diese einfach zu beziehen sind und eine sehr hohe Leistungsdichte
haben. Diese sorgen für die Überwindung der Anfahrlastspitzen.
Die Supercaps werden in Serie geschaltet, um eine ausreichende Spannung zu erhalten.
Um eine Beschädigung der Ultracaps auszuschließen, sollte die Spannung der Ultracaps
nicht mehr als 2,5 Volt betragen. Die erforderliche Spannung beträgt 17 Volt, da die
Supercaps zwischen Brennstoffzelle und DC/DC Wandler eingebaut werden.
Formel 49: Bestimmung Anzahl Supercpaps
→ 17V / 2,5V = 6,8
Auswahl 8 Stück
Formel 50: Spannung Serienschaltung
→ 17V / 8 = 2,125V
Die Kapazität in der Serienschaltung verringert sich dadurch auf folgenden Wert:
Formel 51: Gesamtkapazität Supercaps
C ges =
350F
= 43,75F
8
Für den Energieinhalt wird eine Spannungsvarianz von 17 Volt – 10 Volt angenommen,
welche aus der Spannung des BZ-Systems im Leerlauf und der Spannung unter Last
resultiert (siehe U-I-Kennlinie unter 4.2.5 „Brennstoffzellensystem von MES-DEA“).
Formel 52: Energieinhalt Supercaps
WSc =
1
As
* C * (Vmax − Vmin ) 2 = 0,5 * 43,75
* 49V 2 = 1071,87 Ws = 0,29 Wh
2
V
Der Isolationswiderstand der Ultracaps variiert teilweise sehr stark, daher ist in einer
Serienschaltung immer eine Balancierung der einzelnen Supercaps nötig, außer es wird
sichergestellt, dass die maximale Spannung nie erreicht werden kann. Es gibt die
Möglichkeit die Schaltung aktiv oder passiv zu regeln.
53
R2
Rbyp
Cn
Cn
R1
S
Uc
Uc
R1
=
Uref
Abbildung 63: Aktives Balancing [1]
Abbildung 64: Passives Balancing
[1]
Die Abbildung 63 zeigt einen Aufbau mit aktivem Balancing. Die Abbildung 64 ist hingegen ein passives Balancing zu sehen.
Aktives Balancing
Die Spannung, welche eingehalten werden muss, wird nach folgender Formel dimensioniert:
Formel 53: Widerstandsbestimmung für Balancing
Uc _ balanced = Uref ∗
(R1 + R 2)
R1
Steigt die Spannung am Spannungsteiler zwischen R1 und R2 über die Referenzspannung, schließt der Schalter S und es fließt ein Entladestrom über den Bypasswiderstand
Rbyp. Eine präzise Referenzspannungsquelle und ein Komparator sorgen für die Regelung. Der Aufbau einer solchen Schaltung ist zu aufwendig und wird daher hier nicht in
Betracht gezogen.
Passives Balancing
Dabei wird zum Isolationswiderstand Ri ein Widerstand R1, mit geringer Toleranz, parallel geschaltet, um den Gesamtleckstrom und damit die Gesamttoleranz zu dominieren.
Der Leckstrom Ic beträgt nach Herstellerangaben 1mA (+-25%) [38].
Der Isolationswiderstand beträgt:
Formel 54: Isolationswiderstand
Ri = 2,5V / 0,001A = 2,5kΩ . Empfohlen wird ein Verhältnis von 10:1 [39]
Auswahl: 220Ώ/ E96/ 0,6 Watt Metallfilmwiderstand 1% Toleranz.
Formel 55:Widerstandsberechnung Parallel
Rges =
2500Ω * 220Ω
= 202,20Ω
2500Ω + 220Ω
54
Dadurch erhöht sich der Leckstrom Ic auf:
Formel 56: Leckstromberechnung
Ic = 2,5V / 202,20Ω = 12,36mA
Die Toleranz verringert sich dadurch auf:
+
363μA .
−
Das bedeutet eine Toleranz, gesunken von 25% auf:
Formel 57: Toleranzberechnung
Toleranz =
0,36mA *100
= 2,91%
12,36mA
Konstruktive Lösung für die Serienschaltung
Abbildung 65: Einzelmodel Supercap [1]
Abbildung 66: Zusammenbau Supercaps [1]
In Abbildung 65 ist das Einzelmodul zu sehen und in Abbildung 66 das Supercapmodul
als Baugruppe in Pro/E. Die fertig aufgebaute und gelötete Platine ist in Abbildung 67
zu sehen.
Abbildung 67: Aufgebaute Reihenschaltung der Supercaps [1]
Die Abbildung 67 zeigt die aufgebaute Platine mit den Supercaps. Diese werden mit
Hilfe von Nietmuttern im Rahmen verschraubt werden. Die Position wird im digitalen
Mock-Up gezeigt (Die Stückliste und die Layouts befinden sich unter Anhang 7 - 8).
55
+
−
Formel 58: Volumen Supercaps
VSc = (70 * 33 * 286)mm = 660,66cm 3
+
2 %):
−
mSc = 520 g
Es ergibt sich eine spezifische Energie:
0,29 Wh/0,66 Liter = 0,44 Wh/Liter
0,29 Wh/0,52 kg = 0,56 Wh/kg
Da die Supercaps für das Starten des Brennstoffzellensystems mindestens mit 12 Volt
geladen sein müssen, wird die Selbstentladung an den Supercaps mithilfe des Basytec
Messgeräts überprüft.
Selbstentladung_Supercaps
20
18
Spannung U [V]
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Zeit t [h]
Selbstentladung_Supercaps
Abbildung 68: Selbstentladung der Supercaps [1]
Die Abbildung 68 zeigt die gemessene Selbstentladung der aufgebauten Reihenschaltung mit 8 Supercaps und der Widerstandsbeschaltung. Nach 8 Stunden ist die Spannung, infolge des Leckstromes Ic auf 12 Volt abgefallen. Nach 40 Stunden liegt die
Spannung bei 4 Volt. Die Supercaps gewährleisten also nur eine Betriebsbereitschaft
innerhalb 8 Stunden der letzten Fahrt. Daher müssen diese in einer Anwendung über
eine Ladeschaltung aufgeladen werden bzw. die Stromzufuhr zu den Supercaps geregelt
werden.
56
4.2.8 DC/DC Wandler
Die Auslegung des DC/DC Wandlers erfolgt nach den folgenden Kriterien:
•
Auslegung auf die maximale Leistung des BZ-Systems und einem gewissen
Leistungspuffer, da die Leistung der Supercaps mitübertragen werden muss.
•
Der DC/DC Wandler muss sehr kompakt sein und eine hohe Leistungsdichte
haben.
•
Dieser muss ein geringes Gewicht haben.
•
Der Eingangsspannungsbereich des Wandlers muss der Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle entsprechen.
•
Die Ausgangsspannung des Wandlers entspricht der zu verwendeten Spannung
an der Steuerung.
Folgende U-I-Kennlinie legt den Spannungswandlerbereich fest.
18
360
16
320
14
280
12
240
10
200
8
160
6
120
4
80
2
40
0
Leistung Pel [W]
Spannung Uel [V]
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Strom Iel [A]
Leistung Pel
Spannung Uel
Abbildung 69: U-I Kennlinie MES-DEA System [1]
In der Abbildung 69 ist der Spannungsabfall aufgrund des Stroms zu erkennen. Die
Spannung variiert zwischen 16 und 11 Volt. Die maximale Leistung beträgt 320 Watt.
Der höchste Wirkungsgrad des BZ-Systems liegt mit 55 % bei 125 W (Abbildung 56).
Die Firma Vicor vertreibt Spannungswandlermodule mit einer großen Auswahl an Eingangs-und Ausgangsspannungsbereichen. Das Modul VI-200 mit einem Eingangsspannungsbereich von 10-20 Volt und einer Ausgangsspannung von 40 Volt hat folgende
Daten [45]:
•
Leistung 75 Watt
•
Leistungsdichte bis zu 50 Watt/in3
•
Abmessungen: 116,8mm*61mm*12,7mm
•
Frequenz bis zu 20 MHZ
•
Wirkungsgrade bis 90%
57
Abbildung 70: Wandlermodul VI-200 [1]
Die Abbildung 70 zeigt ein Wandlermodul mit 75 Watt Ausgangsleistung.
Bei einer Eingangsspannung von 12 Volt beträgt die nominelle Leistung 92 Watt. Daraus folgt ein Strom von 7,6 Ampere pro Modul. Durch die Parallelschaltung von 5 Modulen kann dadurch eingangsseitig ein Strom von 38 Ampere fließen. Ausgangsseitig
kann theoretisch folgende Leistung übertragen werden:
Formel 59: Theoretische Leistung Spannungswandler
PthDc = (5 * 75W ) *
110%
= 412,5Watt
100%
Abbildung 71: Wandlerwirkungsgrade über Belastung [40]
Die Abbildung 71 zeigt die theoretischen Wandlerwirkungsgrade, aufgetragen über die
Last für verschiedene Modelle.
Die Module haben einen internen Überstromschutz. Dieser arbeitet nach dem Prinzip
des „Straight-Line Current Limiting“, dabei wird die Ausgangsspannung immer konstant gehalten. Übersteigt der Strom das absolute Limit, fällt die Spannung auf 0 V ab
und schaltet sich automatisch wieder ein, wenn der Überstrom nicht mehr vorhanden ist.
Es wurde eine Treiber Booster Kombination, unter Benutzung der DC/DC Wandler der
Fa. Vicor aufgebaut, d.h., es werden 5 Module parallel verschaltet, um die Leistung zu
erhöhen. Ein Modul „treibt“ die anderen 4 Booster Module und gibt die Taktfrequenz
58
über die Gate Ein- und Ausgänge vor. Da die Lieferzeit für die „Booster“ Module zu
lange war, wurden anstatt dessen Driver Module verwendet. Diese mussten intern deaktiviert werden. Dazu war es nötig die Senseausgänge mit Widerständen zu beschalten
[24].
Die stromführenden doppelschichtigen Kupferbahnen der Platine mit einer Breite von 8
mm und einer doppelschichtigen Auflagen von 70 μm ergeben einen Leitungsquerschnitt von 1,12 mm2. Um die Leitungsverluste gering zu halten, wurde auf den zuführenden Leiterbahnen eine Kupferlitze mit 2,5 mm2 aufgelötet.
+
+
+S
Vi-200 Trim
Driver
C
Gate out
DC
R1
-S
Widerstände
R1
1,9 kohm
R2
2,07 kohm
-
Gate in
Vi-200
Booster
R1
R2
Gate out
PWM
Gate in
f
Vi-200
Booster
M
nf
Vi-200
Booster
f
Vi-200
Booster
Abbildung 72: Verschaltung der Wandlermodule [1]
In Abbildung 72 ist die Parallelschaltung der Module dargestellt. Die notwendigen
Widerstände zur Justierung der Ausgangsspannung sind bezeichnet.
Dieser Aufbau unter Verwendung der DC/DC Wandlermodule bringt die Nachteile mit
sich, dass die Peakleistung auf die maximale Übertragungsleistung der Spannungswandler PthDc = 412,5 Watt eingeschränkt wird. Bei Verwendung von weiteren Modulen
zur Erhöhung der Leistung würde der Spannungswandler aber zu groß ausfallen.
Aufgrund der Verlustleistung muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Es bietet
sich an, die Module mit dem Fahrtwind zu kühlen. Daher wird die Wärme durch Konvektion abgeführt. Folgende Annahmen werden getroffen:
•
Bei einer Bergfahrt mit voller Last darf der Spannungswandler nicht überhitzen.
•
Angenommene Nennleistung bei Normalfahrt mit dem Fahrrad = 125 Watt.
•
Einzelmodullast = 125 Watt/5 = 25 Watt
•
Angenommener Wirkungsgrad ηe = 0,86 aus Abbildung 72 bei 25 % Last.
•
Angenommene Einzelmodullast bei Vollastfahrt mit 320 Watt
•
Einzelmodullast bei Vollast = 320 W/5 = 64 Watt
•
Angenommener Wirkungsgrad ηe = 0,90 aus Abbildung 72 bei 85 % Last.
59
Der Strömungsverlust infolge der Fahrradgeometrie wird mit einem Faktor von kv = 0,5
[41] festgelegt. Die Berechnung erfolgt nach Vorgaben des Firma Vicor [40]. Der
Temperaturanstieg infolge der Verlustleistung errechnet sich aus:
Temperaturanstieg ΔT (C°)= θsa * Pout* (
1
− 1)
ηe
ηe = Wirkungsgrad Wandler; Pout = Ausgangsleistung des Moduls; θsa = thermal Impedance [°C/W]
Kühlung mit Fahrtwind bei 21 Km/h = 5,83 m/s ohne Kühlkörper
Formel 60: Umrechnung in linear feet per minute1
v = 5,83
m
60s
lf
* 3,28 *
* 0,5 = 573,67
s
min
min
θsa = 1,4 °C/W [43]
Formel 61: Temperaturerhöhung bei Normalfahrt1
ΔT1 = 1,4
°C
1
* 25W * (
− 1) = 5,7°C
W
0,86
Kühlung mit Fahrtwind bei 21 Km/h = 5,83 m/s mit Kühlkörper
0,4-Zoll-Kühlkörper, θbm = 0,2 [43]
Formel 62: Umrechnung in linear feet per minute2
v = 5,83
m
60s
lf
* 3,28 *
* 0,5 = 573,67
s
min
min
θsa = 1 °C/W [43]
Formel 63: Temperaturerhöhung bei Normalfahrt mit Kühlkörper
ΔT 2 = 1
°C
1
* 25W * (
− 1) = 4,1°C
W
0,86
Kühlung mit Fahrtwind bei Bergfahrt mit 12 Km/h = 3,33 m/s ohne Kühlkörper
Formel 64: Strömunsgeschw. in linear feet per minute Bergfahrt
v = 3,33
m
60s
lf
* 3,28 *
* 0,5 = 327,67
s
min
min
θsa = 2,5 C°/W [43]
Formel 65: Temperaturerhöhung in Folge Bergfahrt
ΔT 3 = 2,5
°C
1
* 64 W * (
− 1) = 17,77°C
W
0,9
60
Kühlung mit Fahrtwind bei Bergfahrt mit 12 Km/h = 3,33 m/s mit Kühlkörper
0,4-Zoll-Kühlkörper, θbm = 0,2 [43]
Formel 66: Strömunsgeschw. in linear feet per minute Bergfahrt 2
v = 3,33
m
60s
lf
* 3,28 *
* 0,5 = 327,67
s
min
min
θsa = 1,34 °C/W [43]
Formel 67: Temperaturerhöhung in Folge Bergfahrt2
ΔT 4 = 1,34
°C
1
* 64W * (
− 1) = 9,5°C
W
0,9
Aufgrund des Temperaturanstiegs bei einer Bergfahrt muss die Wärme über zusätzliche
Kühlkörper abgeleitet werden. Es werden dazu 0,4-Zoll-Kühlkörper der Firma Vicor
verwendet. Damit sinkt der Temperaturanstieg auf 9,5 °C
Entwicklungsstadien
Abbildung 73: Einzelmodul VI-200 [1]
Abbildung 74: 2er Modul Vi-200 [1]
Die Abbildungen 73 und 74 zeigen das Modell eines Moduls bzw. eine Baugruppe aus 2
Modulen.
61
Abbildung 75: 2er Modul VI-200 mit Platine [1]
Eine Baugruppe aus 2 Modulen und der Platine ist in der Abbildung 75 dargestellt.
Abbildung 76: 3er Modul VI-200 mit Platine [1]
Die 3er Baugruppe aus den Modulen und der Leiterplatte ist in Abbildung 76 zu sehen.
62
Abbildung 77: Gesamtzusammenbau des Wandlers [1]
Die generierte Gesamtbaugruppe aus den beiden Baugruppen und den Kühlkörpern ist
in Abbildung 77 dargestellt.
Abbildung 78: Aufgebauter Spannungswandler mit Kühlrippen [1]
Die Abbildung 78 zeigt den aufgebauten Spannungswandler.
63
Zwischen den Platinen sind Abstandshülsen aus Kunststoff. Die Module sind mit 4mm-Gewindestangen und Muttern verschraubt. Die Klemmleisten der Anschlüsse sind
hochstromfähig und auf der Platine verlötet.
Die Eingänge sind mit jeweils 10-A-Sicherungen versehen. Die Ausgänge sind mit
jeweils 3-A-Sicherungen versehen (sie Stückliste und Layouts des DC/DC Wandlers
befinden sich im Anhang 9 - 12).
+
−
Formel 68: Volumen Spannungswandler
VSw = V1 + V2 = (210 * 190 * 18)(mm) + (190 * 135 * 25)(mm) =
718,2cm 3 + 641,25cm 3 = 1359,45cm 3
+
2 %):
−
mSw = 1240 g
Volumen und Gewicht der Kühlkörper:
Formel 69: Volumen Kühlkörper Spannungswandler
Vfin = (116 * 61 * 10)(mm) = 70,76cm 3
Das Gewicht aller Finnen beträgt (
+
2 %): mfin = 6*57g = 342 g
−
Das Gesamtvolumen des Spannungswandlers ergibt dann:
Formel 70: Gesamtvolumen Spannungswandler
VDcges = 5 * Vfin + VSw = 5 * 70,76cm 3 + 1359,45cm 3 = 1713,25cm 3
Das Gesamtgewicht: mDcges=342g+1240g = 1582g
64
4.2.9 PEM-BZ System
Das Hybridsystem wird nur aus einer Kombination von Supercaps und dem MES-DEABrennstoffzellensystem realisiert (die Erläuterung dazu unter 4.1 „Dimensionierung“).
Aus dem Vergleich von spezifischer Energie- und Leistungsdichte (Abbildung 21) ist zu
erkennen, dass die Doppelschichtkondensatoren eine sehr hohe Leistungsdichte bereitstellen und das Brennstoffzellensystem, mit einem entsprechend großen Speicher, eine
gute Energiedichte vorweist. Da die Brennstoffzelle für den Gebrauch auf die Leistung
mit dem größten Wirkungsgrad dimensioniert, ist es also eine gute Kombination, um
dem weniger dynamisch reagierenden Brennstoffzellensystem einen guten Leistungspuffer einzurichten.
Betrachtet man nur die Energie der Supercaps mit 0,29 Wh = 1044 Ws, ist es also möglich 1044 Watt, eine Sekunde lang abzudecken. Unter 5.4. „Messungen PEM-BZ
System“ wird diese Theorie noch durch Messungen verifiziert.
Folgendes Schema zeigt die Verschaltung der Baugruppen miteinander.
Abbildung 79: Aufbauschema PEM-BZ System [1]
In Abbildung 79 ist die Parallelschaltung der Supercaps zu sehen. Es wird in diesem
Aufbau keine Regelung über eine Leistungselektronik verwendet. Der Strom Iba,
welcher in diesem Nebenzweig fließt, hängt von den Innenwiderständen der Brennstoffzelle und der Supercaps ab. Da die Supercaps einen sehr kleinen Innenwiderstand RESR
haben, können die Supercaps einen sehr hohen Strom liefern. In Folge der Entladung
sinkt die Spannung ab. Dadurch fängt die Brennstoffzelle an, Strom direkt an den Spannungswandler und in die Supercaps zu liefern. Dadurch fällt die Spannung an der
Brennstoffzelle ab und der Stromfluss in die Supercaps wird aufgrund des ansteigenden
Innenwiderstands verringert.
Es sollte eine Diode zum Schutz der Steuerung und der Brennstoffzelle verwendet
werden, das wird in diesem Fall nicht realisiert, da der Aufbau zu Versuchszwecken ist
und ein Spannungsabfall von 0,7 Volt einen weiteren Leistungsverlust von bis zu 21
Watt zur Folge hätte. Der gemessene Spannungsabfall an der Steuerung beträgt bis zu
0,85 Volt bei 30 A Last.
65
Mit einem Oszilloskop wurde am Ausgang des MES-DEA-Systems eine Taktung mit
15,6 kHz, durch die Steuerung festgestellt. Daher muss vor dem Spannungswandler
zwangsläufig eine Kapazität sein, um die Restwelligkeit am Eingang des DC/DC Wandlers niedrig zu halten.
Die Supercaps können nicht nach dem Spannungswandler geschaltet werden, da der
DC/DC Wandler immer eine konstante Ausgangsspannung hat (siehe unter 4.2.8.
„DC/DC Wandler“) und dadurch immer eine gleichgroße Stromanforderung an das
MES-DEA-System zur Folge hätte. Auch eine Vergrößerung der Serienschaltung der
Supercaps auf 40 Volt wäre nötig.
Für die Stromversorgung der Brennstoffzelle wird ein 12-Volt-Akku (3*10S1P Li-Ionen
Mangan) verwendet um die Steuerung der Brennstoffzelle zu versorgen. Über einen
Laderegler kann diese wieder während des Betriebs aufgeladen werden. Während des
Betriebs am Teststand wird die Stromversorgung durch ein Netzteil sichergestellt.
Abbildung 80: Ersatzschaltbild PEM-BZ System [1]
Die Abbildung 80 zeigt das Ersatzschaltbild des PEM-BZ-Systems.
•
Supercaps
•
DC/DC Wandler
•
•
Brennstoffzellensystem
Gesamtvolumen des PEM-BZ Systems
Formel 71: Gesamtvolumen PEM-BZ System
Vhyb1 = VSc + VDcges + VBzges + Vhydges
= 660,66cm 3 + 1713,25cm 3 + 2838,9cm 3 + 481,39cm 3 = 5694,2cm 3 = 5,69Liter
66
Gesamtgewicht des PEM-BZ Systems
Formel 72: Gesamtmasse PEM-BZ System
m hyb1 = m Sc + m Dcges + m Bzges + m hydges
= 520g + 1582g + 3550g + 1630g = 7282g = 7,28kg
Es ergibt sich eine spezifische Kapazität aus dem Energieinhalt des Metallhydridspeichers und der Supercaps:
190,95 Wh/5,69 Liter = 33,56 Wh/Liter
190,95 Wh/7,28kg = 26,26 Wh/kg
Zusammenfassung
Folgende Übersicht zeigt eine Zusammenfassung aller Systeme mit den Nennwerten.
Tabelle 13: Zusammenfassung der Systeme
cm3
g
Wh
Wh/kg
Vol.
spez.
Kap.
Wh/l
4887,75
6670
270
40,47
55,32
4887,75
6670
360
53,97
73,77
VLiges/mLiges
997,51
1790
116,64
65,16
116,64
VNiMH/mNiMH
3024
5880
342
58,16
113,24
Vbzges/mBzges
2838,9
3550
-
-
-
Vhydges/mhydges
481,39
1630
190,66
116,96
396,38
VSc/mSc
660,66
520
0,29
0,56
0,44
VDcges/mDcges
1713,25
1582
-
-
-
Vhyb1/mhyb1
5694,2
7282
190,95
26,26
33,56
Bezeichnung
Volumen
Volumen/Masse
Gaia Akkusystem HP
Gaia Akkusystem HE
Li-Ionen
Mangan Akkusystem
NiMH Akkusystem
Mes-Dea
Supercaps
Spannungswandler
PEM-BZ System
VGaia/mGaG
67
Masse
NennGew.
kapazität spez. Kap.
4.3 Digitales Mock-Up des PEM-BZ Systems
Der Aufbau als Baugruppe geschieht nach folgenden Gesichtspunkten:
•
Die Bewegungsfreiheit beim Pedalieren darf nicht gestört werden, daher ist auf
eine geringe Breite der Module zu achten.
•
Der Brennstoffzellenstack und der Hydridspeicher sind auf gleicher Höhe angeordnet, um eine Wärmeübertragung zu gewährleisten.
•
Der DC/DC Wandler ist gekoppelt mit dem Fahrradrahmen und ist so angeordnet, dass dieser ausreichend mit Fahrtwind angeströmt wird.
•
Das Supercapmodul ist auf dem Oberrohr befestigt und stört damit nicht das
Pedalieren.
4.3.1 Wärmeübertragung durch Konvektion auf den Hydridspeicher
Folgende Möglichkeit für den Einbau der Module besteht.
Abbildung 81: Mock-Up Seite [1]
Die Abbildung 81 zeigt den konstruktiven Aufbau der Komponenten. In Abbildung 96
werden die Verlustleistungen des Brennstoffzellensystems der U-I-Kennlinie (Abbildung 92) dargestellt. Die Verluste der Brennstoffzelle steigen dabei auf bis zu 300
Watt an. Diese Verluste, in Form von Wärme, werden durch die Kühlungslüfter abgeführt. Die kritischen Komponenten sind der Brennstoffzellenstack und die Axiallüfter.
Die Gesamtbreite beträgt dadurch 142mm, daher werden diese durch einen Radiallüfter
ausgetauscht, welcher einen ähnlichen Luftstrom fördert [42]. Durch konvektive
Wärmeübertragung wird die Wärme dem Hydridspeicher zugeführt.
68
Abbildung 82: Mock-Up hinten [1]
Abbildung 82 gestattet einen anderen Blickwinkel auf den Aufbau. Zu sehen ist der
Radiallüfter, welcher seitlich am Brennstoffzellenstack angebracht ist, um den Luftstrom auf den Hydridspeicher zu fördern.
Unter 4.2.6 „Metallhydridspeicher“ wurde die Möglichkeit zur Wärmeübertragung
schon dargestellt. Die Wärmeübertragung errechnet sich aus folgender Formel [41]:
Formel 73: Wärmeübergang Konvektion
Φ th = α * A * ( t fl − t w )
Tabelle 14: Konvektion
Φ th
W
α
W
m *K
Wärmeübergangskoeffizient
A
m2
Wärme übertragende Fläche
tw
K
Wandtemperatur
tfl
K
Temperatur des strömenden Mediums
Übertragbarer Wärmestrom
2
Für die Wärmeübertragung von dem Radiallüfter auf den Hydridspeicher sind weitere
Konstruktionsarbeiten nötig um die Wärmeübertragung zu gewährleisten. Da sich die
Wärmeübertragung dynamisch verhält, also die Wandtemperatur und der Wärmestrom
sich über die Zeit ändern, kann auf eine rechnerische Weise kein brauchbares Ergebnis
erzielt werden. Es ist entweder eine Simulation oder eine Messung am realen Aufbau
nötig. Diese Thematik wird in dieser Diplomarbeit aber nicht weiter vertieft (Im Anhang 13 - 18 befinden sich die Stücklisten und Zeichnungen von diesem Aufbau).
Die Kühlung der Spannungswandlermodule wird über den Fahrtwind gewährleistet (Berechnung dazu unter 4.2.8 „DC/DC Wandler“).
69
4.3.2 Wärmeübertragung durch Konduktion auf den Hydridspeicher
Eine weitere konstruktive Lösung ist die Kopplung des Hydridspeichers mit den Spannungswandlermodulen und der Steuerung der Brennstoffzelle. Durch konduktive
Wärmeübertragung kann über einen Aluminiumkörper Wärme an den Speicher abgegeben werden.
Abbildung 83: Mock-Up2 [1]
Die Abbildung 83 zeigt das Packaging der Module zur Verbesserung der Abwärmenutzung durch Konduktion. Dabei ist der Hydridspeicher über eine Aluminiumbefestigung mit dem 2er und dem 3er Modul der DC/DC Wandler und der Steuerungseinheit
gekoppelt.
Es gilt nun zu untersuchen, ob die Wärmeverluste der Steuerung und des Wandlers die
endotherme Energie abdecken können.
Die endotherme Energie beträgt 12,41 % des Energieinhalts des Wasserstoffs (4.2.6
„Metallhydridspeicher-Berechnung Kälteenergie“). Diesen Anteil kann man über den
Strom der U-I-Kennlinie, aus Abbildung 55, auftragen. Bei einem durschnittlichen Wirkungsgrad des Spannungswandlers von ηSw = 81 % (Formel 85 „Durchschnittlicher
Wirkungsgrad des DC/DC Wandlers unter Kapitel 5.4.5) und dem Verlust der Steuerung ergibt sich folgendes Schaubild in Abbildung 84.
70
Wärmeverluste des DC/DC Wandlers und der Steuerung und
endotherme Leistung Metallhydridspeicher
Wärmeverlustleistung
Pwandl/Pvst/Pend [Watt]
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
Strom Iel [A]
Wärmeverluste des DC/DC Wandlers und der Steuerung
Endotherme Leistung des Metallhydridspeichers
Abbildung 84: Wärmeverluste und endotherme Energie Speicher [1]
Die Wärmeverluste sind in diesem Fall größer als die endotherme Energie, wie in Abbildung 84 zu sehen ist. Die konduktive Wärmeübertragung errechnet sich nach [41]:
Formel 74: Wärmeübergang Konduktion
Φ th = k * A( t 1 − t 2 )
Tabelle 15: Konduktion
Φ th
W
Übertragbarer Wärmestrom
W
m *K
Wärmeübergangszahl
A
m2
Wärme übertragende Fläche
t1
K
Wandtemperatur 1
t2
K
Wandtemperatur 2
k
2
Da sich die Wärmeübertragung dynamisch verhält, also beide Wandtemperaturen sich
über die Zeit ändern, kann auf rechnerische Art kein brauchbares Ergebnis erzielt
werden. Es ist entweder eine Simulation oder eine Messung am realen Aufbau nötig.
Dies wird in dieser Diplomarbeit nicht durchgeführt.
71
In Abbildung 85 ist das Packaging im Einzelnen zu sehen.
Abbildung 85: Kühlermodul [1]
Die Abbildung 85 zeigt das Packaging der Module. Die Stücklisten und Zeichnungen
dieses Aufbaus befinden sich unter Anhang 19 – 23).
72
5. Realisierung
5.1 Definition Fahrzyklus
Für die Messungen habe ich ein Fahrzyklus entworfen, welcher einer Stadtfahrt entspricht. Dieser Zyklus wird in Wedding und Mitte abgefahren. Er beginnt am Fraunhofer Institut in der Gustav-Meyer-Allee, geht nach Berlin-Mitte und endet mit einem
Anstieg auf den Prenzlauer Berg, die Veteranenstraße entlang. Die Strecke habe ich mit
einem Streckenzähler vermessen. Die notwendigen Höhenpunkte, zur Errechnung der
Steigung hat mir das Vermessungsamt Berlin-Mitte zur Verfügung gestellt.
Tabelle 16: Fahrzyklus
Kreuzung (Straße/Straße)
Start
Strecke
(+-10 m)
Steigung
(%)
Steigung
(%)
Gustav-Meyer-Allee/
Hussitenstraße
Stop/Start
Brunnenstraße/Gustav-MeyerAllee
560
0
0
Stop/Start
Brunnenstraße/Bernauer Straße.
730
0
0
Stop/Start
Brunnenstraße/Anklamer Straße
250
-1,4
1,4
Stop/Start
Brunnenstraße/Veteranenstraße
250
-2,7
2,7
Stop/Start
Veteranenstraße/Fehrbelliner
Straße
300
4,5
-4,5
Die Tabelle 16 zeigt die Stops und Starts während des Zyklus, die jeweiligen Steigungen der Straßenabschnitte und deren Länge. Die Fahrstrecke hat eine Gesamtlänge
von 2,09 km.
5.2 Messungen am Fahrrad
Eine quantitative Bestimmung der bei den Testfahrten aufgebrachten Leistung und
Energie ist im Pedelec Betrieb schwierig, da keine geeignete Möglichkeit zur Verfügung steht, die durch die Muskelkraft des Fahrers aufgebrachte Leistung zu bestimmen. Es wird zunächst ein Profil aufgenommen, welches dem reinen Elektrobetrieb
entspricht. Dies ist ohne Veränderung des Systems möglich, indem ein seht kleiner
Gang verwendet und mit hoher Drehzahl aber ohne nennenswerten Krafteinsatz getreten
wird. Die Geschwindigkeit wird am Tachometer überwacht.
Als 2. Messung wird ein Profil mit reduzierter Last aufgenommen, welches dem
Pedelec Betrieb entspricht. Dabei soll die Geschwindigkeit am Berg und auf der Ebene
dem Durchschnitt aus den Angaben der Tabelle 1 entsprechen, also 11,6 Km/h am Berg
und 20,98 Km/h auf der Ebene.
73
Abbildung 86: Aufbau Elektrofahrrad zur Messung [1]
Die Abbildung 86 zeigt den Aufbau für die Messung des Fahrprofils. Der Sensor für die
Frequenzmessung ist nicht sichtbar, da dieser unterhalb des Tretlagers befestigt ist.
Zur Messung am Fahrrad wird das NiMH-Akkusystem benutzt. Der Strom wird mit
einer Strommesszange gemessen, welche an einem LEM-189 Voltmeter mit Datenspeicher angeschlossen ist. Zwischen den Messreihen wird der Akku entleert und wieder
aufgeladen.
Stromprofil bei reinem Elektrobetrieb
30
Brunnenstr. 25 Km/h
Brunnenstr.
Bernauerstr.
25 Km/h
Gustav-Meyer Allee
27 Km/h
Strom I [A]
25
Veteranenstr.
23 Km/h
Brunnenstraße
27 Km/h
20
GustavMeyer Allee
15
10
5
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Zeit t [sek]
Bei reinem Elektrobetrieb
Abbildung 87: Stromprofil bei reinem Elektrobetrieb [1]
In Abbildung 87 sind die Messwerte bei einer Fahrt in reinem Elektrobetrieb abgebildet.
Bei reinem Elektrobetrieb steigt der Strom bei der Beschleunigung bis auf 28 Ampere.
Das ist die Grenze der Steuerung. Bei der Fahrt auf der Ebene liegt der Strom, bei einer
Geschwindigkeit von 27 Km/h, zwischen 8 und 10 Ampere, was die Nennleistungs74
berechnung unter 4.1 „Dimensionierung“ bestätigt. An der Steigung der Veteranenstraße wird ein Strom von 17 Ampere benötigt.
Um die Last zu reduzieren, muss der Widerstand am Poti des Gasgriffs erhöht werden.
Um diesen einzustellen, wird der Gasgriff fest arretiert. Das Pedalieren war bei der
reduzierten Unterstützung dennoch angenehm.
Stromprofil bei reduzierter Last
12
10
Strom I [A]
8
Gustav-Meyer-Allee
21 Km/h
6
Brunnenstr./
Anklamerstr.
17 Km/h
Brunnenstraße
21 Km/h
Veteranenstr.
13 Km/h
200
400
Brunnenstr./
Bernauer Str.
21 Km/h
Brunnenstr.
21 Km/h
Gustav-Meyer Allee
21 Km/h
4
2
0
0
600
800
1000
1200
Zeit t [sek]
Abbildung 88: Stromprofil bei reduzierter Last [1]
Die Abbildung 88 zeigt die gemessenen Werte bei reduzierter Last im Fahrzyklus. Die
Stromspitzen steigen zum Teil bis auf 11 Ampere. Bei der Bergfahrt mit einer Geschwindigkeit von 13 Km/h, fließt ein Strom von 3,5 Ampere.
Der durchschnittliche Stromfluss bei ebener Strecke und einer Geschwindigkeit von 21
Km/h liegt bei 2 Ampere.
75
5.3 Messplatz
Die Messeinrichtung steht im Elektrotechnik Labor des Fraunhofer Instituts. Dort ist ein
Teststand vorhanden, der speziell für Messungen an Brennstoffzellen eingerichtet wurde.
Zur Messung der Akkusysteme, bis zu einem Strom von 10 A, wird ein weiteres Messsystem der Firma Basytec verwendet. Es können über die PC-Schnittstelle Lade- und
Entladealgorithmen programmiert werden. Es wird aber nicht näher beschrieben.
5.3.1 Messplatzaufbau
Die Medienbereitstellung für den Betrieb von Brennstoffzellen erfolgt aus 200 bar
Druckgasflache mit Wasserstoff der Klasse 5 mit einer Reinheit von 99,999%. Der
Vordruck wird auf 10 bar für die Medienleitung geregelt und danach auf 400mbar für
den Messplatz reduziert.
Das Messsystem dient der Messung der charakteristischen elektrischen Eigenschaften
von Batterien und Brennstoffzellen. Die Leistung richtet sich nach der zu verwendeten
Last, in diesem System also 900 W oder 150 A, kurzzeitig.
Dazu wird das Messobjekt mit einer gesteuerten elektronischen Last beaufschlagt und
die Messsignale werden über Schnittstellen und eine Multifunktionskarte eingelesen,
ausgewertet, dargestellt und gespeichert.
Abbildung 89: Messplatzaufbau [1]
Abbildung 89 zeigt den Aufbau des Messplatzes. Durch die Software kann ein Lastprofil einprogrammiert werden, welches dann in der vorgegebenen Zeit abgefahren
wird. Die Software ist mit Labview 7 programmiert.
Die elektronische Last wird durch den Rechner gesteuert und beaufschlagt das Messobjekt, hier eine Brennstoffzelle mit einem elektrischen Strom.
76
Dabei wird die Brennstoffzelle aktiv überwacht durch die Temperatursensoren und die
Leistungsüberwachung der Kühlungs- und Kathodenventilatoren.
Die Klemmspannung an der Brennstoffzelle wird aufgenommen und der Strom, welcher
direkt an der Brennstoffzelle fließt, wird durch den Hallsensor gemessen.
Über die Schnittstelle wird auch die MKS-Steuerung angesprochen, welche den
Flowcontroller wiederum regelt, bzw. den Wasserstoffdurchfluss ausliest und an die
Software übergibt.
Alle Messsignale werden über die Messbox entnommen, welche zwischen die Brennstoffzelle und die Steuerung adaptiert ist.
An der Druckanzeige kann der jeweilige Vordruck des Wasserstoffs abgelesen werden.
Die Spannungsversorgung dient zur Versorgung der BZ-Steuerung, wobei kontinuierlich 12Volt anliegen müssen, bzw., zur Supplementierung beim Systemstart mit Strom.
Das Hioki Messgerät dient zur zusätzlichen Messung der Zellimpedanzen (eine Messgeräteliste befindet sich im Anhang 1).
In der Abbildung 90 ist der Messaufbau zur Messung an den Systemen detaillierter beschrieben.
Abbildung 90: Messaufbau PEM-BZ-System mit DC/DC Wandler [1]
In Abbildung 90 ist der Aufbau zur Messung am PEM-BZ System mit DC/DC Wandler
dargestellt. Die Strommessung von Iba erfolgt am PEM-BZ System durch einen Hallsensor und misst den Strom der Supercaps. Der Spannungsabgriff zur Messung von Uba
erfolgt an gleicher Stelle.
Die Werte Uel, Iel, Pel werden direkt von der elektronischen Last an Labview zurückgegeben. Die auswertbaren Daten sind in Tabelle 17 dargestellt.
77
Auswertbare Daten
Folgende Daten werden aus den Messungen gewonnen und in Excel aufbereitet.
Tabelle 17: Auswertbare Daten der Messung
Bezeichnung
Messgröße
Einheiten
Iel
Strom
A
Strom von der elektrischen Last
Uel
Spannung
V
Spannung der elektrischen Last
Ibz
Strom
A
Strom, gemessen an der Brennstoffzelle
Ubz
Spannung
V
Spannung, gemessen an der Brennstoffzelle
Lka
Spannung
V
Lüfterspannung an der Kathode
Lkü
Spannung
V
Lüfterspannung der Kühlung
T1-T4
Temperatur
°C
Werte der Temperaturfühler
V H2
Volumenstrom H2
cm3/min
Werte des MKS-Flowmeters
t
Zeit
S
Messzeit
Iba
Strom
A
Strom, gemessen am Nebenzweig
Uba
Spannung
V
Spannung, gemessen am Nebenzweig
°
Bemerkung
5.4 Messungen PEM-BZ System
5.4.1 Berechnungsgrundlagen für die Messwertauswertung
Zur Berechnung der Energie des Wasserstoffs bzw. der Leistung wird der untere Heizwert von Wasserstoff herangezogen: Hi = 10,8 MJ/Nm3 [36].
Der Flowcontroller übergibt die Wasserstoffflussrate in sccm (Standardkubikcentimeter
pro min = milliliter/min). Der Energieinhalt pro sccm H2:
Formel 75: Umrechnung Energieinhalt Wasserstoff pro sccm
MJ KWs *1000
h
*
*
3
J
3600 * s
Nm
3
KWh
Nm
60 min 1000 0,18W min
=3
* 6
*
*
=
3
3
h
Nm 10 Ncm
cm 3
H i = 10,8
78
Die theoretische Leistung ergibt sich aus dem Heizwert pro ml/min und dem Volumenstrom des Wasserstoffs:
Formel 76: Leistung aus Wasserstoffflow
°
PH 2 = V H 2 [ml / min] *
0,18W min
cm 3
Die Brennstoffzellenleistung ist das Produkt aus:
Formel 77: Brennstoffzellenleistung
Pbz = I bz * U bz [ W ]
Die elektrische Leistung ist das Produkt aus:
Formel 78: Elektrische Leistung
Pel = I el * U el [ W ]
Die Leistung der Supercaps ergibt sich aus:
Formel 79: Leistung Supercaps
PSc = I ba * U ba [ W ]
Die Gesamtleistung aus der Brennstoffzellenleistung und der Leistung der Supercaps
ist:
Formel 80: Gesamtleistung Pbs
Pbs = PSc + Pbz [ W ]
Die Wirkungsgrade des Brennstoffzellenstacks WBZ und der des Gesamtsystems WSy
ergeben sich aus:
Formel 81: Berechnung der Wirkungsgrade der BZ
WBZ =
Pbz
*100[%] < 100%
PH 2
WSy =
Pel
*100[%] < 100%
PH 2
Die Verlustleistung der Brennstoffzelle und die Gesamtverlustleistung ergeben sich aus:
Formel 82: Verlustleistung Brennstoffzelle
Pvbz = (1 −
WBZ
) * PH 2 [ W ]
100
79
Die Gesamtverlustleistung errechnet sich aus:
Formel 83: Gesamtverlustleistung
Pvsys = (1 −
WSy
100
) * PH 2 [ W ]
Die Verlustleistung der Steuerung folgt aus der Differenz:
Formel 84: Verlustleistung Steuerung
Pvst = Pvsys − Pvbz [ W ]
Das bei der zweiten Testfahrt gemessene Lastprofil (Abbildung 88) wird für die weiteren Untersuchungen am Labormessplatz auf die elektronische Last als Stromprofil übertragen. Diese Messung wird direkt am PEM-BZ System vorgenommen, um sicher zu
stellen, dass das System diese dynamische Last bewältigen kann. Diese Messreihe gilt
als Referenz.
Stromprofil bei reduzierter Last (Messplatz)
450
400
Leistung Pel [W]
350
300
250
200
150
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Zeit t [s]
Abbildung 91: Stromprofil bei reduzierter Last [1]
Die Abbildung 91 zeigt das Messergebnis aus der Messung mit reduzierter Last. Es ist
davon auszugehen, dass alle Akkusysteme diesen Lastzyklus bewältigen können und
der Spannungsabfall infolge des Stroms nicht groß ist. Daher werden alle Leistungskurven integriert und die durchschnittliche Last zur Messung der Kapazität verwendet.
Es ergibt sich eine durchschnittliche Last von 66,44 Watt.
80
5.4.2 Brennstoffzellensystem MES-DEA
Bei der Messung am Brennstoffzellensystem werden der Spannungswandler und die
Supercaps nicht verwendet. Die ausgegebenen Werte der elektronischen Last entsprechen damit der anliegenden Last am Brennstoffzellensystem direkt. Zunächst wurden
die Wirkungsgrade der folgenden U-I Kennlinien untersucht.
18
360
16
320
14
280
12
240
10
200
8
160
6
120
4
80
2
40
0
Leistung Pel [W]
Spannung Uel [V]
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Strom Iel [A]
Leistung Pel
Spannung Uel
Abbildung 92: U-I Kennlinie System MES-DEA [1]
Die Abbildung 92 zeigt die U-I-Kennlinie des Brennstoffzellensystems bei linear steigendem Strom. Bei 29,77 Ampere ist die Abschaltspannung erreicht.
20
400
18
360
16
320
14
280
12
240
10
200
8
160
6
120
4
80
2
40
0
Leistung Pbz [W]
Spannung Ubz [A]
U-I Kennlinie MES-DEA
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Strom Ibz [A]
Leistung Pbz
Spannung Ubz
Abbildung 93: U-I Kennlinie BZ-Stack MES-DEA [1]
Die Abbildung 93 zeigt die U-I-Kennlinie des Brennstoffzellenstacks bei der oben genannten Belastung. Diese wird um die Verlustleistung der Steuerung, höher belastet.
Die Abschaltspannung ist bei 30,75 Ampere erreicht.
81
Es ergeben sich folgende Wirkungsgradverläufe.
70
350
60
300
50
250
40
200
30
150
20
100
10
50
0
Leistung Pel [W]
Wirkungsgrad WSy [%]
Elektrische Leistung und Systemwirkungsgrad
0
0
5
10
15
20
25
30
Strom Iel [A]
Leistung Pel
Wirkungsgrad Wsy
Abbildung 94: Elektrische Leistung und Systemwirkungsgrad [1]
Die Abbildung 94 zeigt, dass das Gesamtsystem einen maximalen Wirkungsgrad WSy =
55 %, bei einer Leistung von Pel = 122 Watt hat. Ab einer elektrischen Leistung von Pel
= 50 Watt und der Maximalleistung liegt der Systemwirkungsgrad immer über 40%.
70
400
60
350
300
50
250
40
200
30
150
20
Leistung Pbz [W]
Wirkungsgrad WBZ [%]
Leistung BZ und Wirkungsgrad BZ
100
10
50
0
0
0
5
10
15
20
25
30
Strom Ibz [A]
Leistung Pbz
Brennstoffzellenwirkungsgrad WBZ
Abbildung 95: Brennstoffzellenleistung und Wirkungsgrad [1]
Der Brennstoffzellenwirkungsgrad hat das Maximum bei Wbz = 65 %, bei einer Leistung von Pbz = 153 Watt, wie in Abbildung 95 gezeigt wird.
82
Leistung Ph2/Pvsys/Pvbz/Pvst [W]
Gesamtleistung Wasserstoff und Verlustleistungen
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
Strom Iel [A]
Verlustleistung BZ Pvbz
Verlustleistung Steuerung Pvst
Gesamtverlustleistung Pvsys
Leistung Wasserstoff PH2
Abbildung 96: Gesamtleistung Wasserstoff und Verlustleistungen [1]
Die Abbildung 96 zeigt die Gesamtleistung und die Verlustleistung der Brennstoffzelle
und der Steuerung. Die Verlustleistung der Steuerung steigt zwischen 5 und 15 A leicht
an, aufgrund der höheren Leistung der Lüfter. Die Verlustleistung der Brennstoffzelle
hat einen flachen Verlauf zwischen 8,5 und 17 A (Bereich mit dem höchsten Wirkungsgrad).
5.4.3 PEM-BZ System ohne DC/DC Wandler
Der Spannungswandler wird bei dieser Messung nicht verwendet. Daher entsprechen
die übergebenen Werte der elektronischen Last, der anliegenden Last am Brennstoffzellensystem und Supercaps.
Die Wasserstoffversorgung am Teststand erfolgt aus der Medienversorgung. Die
Metallhydridspeicher werden nicht verwendet, da die Abkühlung zu stark ist und
dadurch der Druck abfällt, da eine thermische Kopplung zwischen Tank und BZ-Stack
nicht realisiert wurde.
Es wurde untersucht wie dynamisch das System auf Lastwechsel reagiert, ähnlich der
Lastspitzen beim Anfahren. Es wurden die Amplitude der Kurzzeitbelastung, die Zeit
dieser Belastung, die Grundleistungsanforderung und die Absenkungszeit auf die Leerlaufleistung variiert. Die Spitzenbelastungen folgen immer nach einem Leerlauf, identisch eines Fahrprofils des Elektrofahrrads. Hierfür wurde das PEM-BZ System zunächst ohne Spannungswandler aufgebaut und getestet. Die Systemleistung Pel resultiert aus der Antwort auf die Lastanforderung der Eingabe am Messsystem. Vor dem
Start der Messung läuft das BZ-System schon im Leerlauf.
83
Abbildung 97: Lastprofileingabe am Beispiel der Messung aus Abb. 115 [1]
Die Abbildung 97 zeigt die Lastprofileingabe in der Labview Benutzeroberfläche, aus
der Messung mit 400 Watt 5 Sekunden aus Abbildung 105.
Die Gesamtzeit des Zyklus hat zwischen 158 und 169 Sekunden. Die Leistungsanforderung im Leerlauf erfolgt sofort. In einer Sekunde wird die Maximalleistung erreicht und
gehalten. Dann folgt eine Absenkung auf die Grundlast und wird weitergeführt bis t =
70 Sekunden. Es folgt eine Absenkung auf die Leerlaufleistung und wiederum ein
schneller Lastanstieg in einer Sekunde auf die Maximallast mit der gleichen Haltezeit.
Es folgt ein Abstieg auf die Grundlast in einer Sekunde. Danach folgen eine Grundlast
mit t = 70 Sekunden und dann eine Absenkung auf die Leerlaufleistung mit kurzer Haltedauer.
Brennstoffzellenleistung und Systemleistung
500
450
Pbz/Pel [Watt]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Zeit t [Sekunden]
Leistung_BZ Pbz
Systemleistung Pel
Abbildung 98: Brennstoffzellen- und Systemleistung bei Peakbelastung [1]
Die Abbildung 98 zeigt das MES-DEA-System ohne Hybridisierung mit den maximal
erreichbaren Lasten. Die maximale Anforderung dauert 5 Sekunden mit 330 Watt und
einer Dauerlast mit 250 Watt. Die Brennstoffzellenleistung ist aufgrund der Steuerungsverluste höher.
84
Im Vergleich dazu zeigt die Abbildung 99 den Leistungsverlauf des PEM-BZ Systems
ohne DC/DC Wandler.
PEM-BZ Systemleistung 700 W 2 Sekunden 250 W
Leistung Pbz/Psc/Pel [Watt]
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-200
-400
Zeit t [Sekunden]
Leistung_Supercaps Psc
Leistung_BZ Pbz
Systemleistung Pel
Abbildung 99: Zyklus PEM-BZ System, 250 W, Maximallast 700 W-2 Sek. [1]
Die Abbildung 99 zeigt die stetige Belastung mit Pel = 250 Watt und Lastspitzen von
700 Watt, mit einer Dauer von 2 Sekunden. Die Supercaps sind im Leerlauf voll aufgeladen, was sich beim Anfahren bemerkbar macht. Die Brennstoffzellenleistung hat
einen stetigen und langsamen Anstieg. Das erste Maximum der Brennstoffzellenleistung
wird bei der Ladung der Supercaps erreicht. Die Spannungen der Supercaps und der
Brennstoffzelle gleichen sich während der konstanten Last an. Die Supercaps werden
beim kurzen Leerlauf mit 230 Watt geladen. Die Brennstoffzelle hat in diesem Moment
noch nicht die Leerlaufspannung erreicht und hat daher das Maximum an Leistung abzugeben. Ein langsames Absenken der Leistung durch das Aufladen der Supercaps folgt
bis auf die Konstantleistung. Am Ende des Zyklus werden die Supercaps wieder voll
aufgeladen. Die Supercaps stellen in den ersten 6 Sekunden eine Energie von 1502 Ws
bereit.
85
PEM-BZ Systemleistung 700W 2 Sekunden mit 270 W
Leistung Psc/Pbz/Pel [Watt]
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-200
-400
Zeit t [Sekunden]
Leistung BZ Pbz
Leistung Supercaps Psc
Systemleistung Pel
Die Abbildung 100 zeigt wiederum eine Peakbelastung mit 700 Watt und einer leicht
erhöhten Dauerlast von 270 Watt. Nach dem 2. Peak wird die Brennstoffzelle über eine
relativ lange Zeit am Maximum betrieben, um die Supercaps wieder aufzuladen. Die
Supercaps stellen in den ersten 6 Sekunden eine Energie von 1345 Ws bereit.
PEM-BZ Systemleistung 600 W 5 Sekunden 250 W
700
Leistung Psc/Pbz/Pel [ Watt]
600
500
400
300
200
100
0
-100 0
20
40
60
80
100
120
140
160
-200
-300
Zeit t [Sekunden]
Systemleistung Pel
Leistung BZ Pbz
Die Leistungsanforderung von 600 Watt über 5 Sekunden wird von dem System bewältigt, wie die Abbildung 101 zeigt. Die Grundlast liegt bei 250 Watt. Die Supercaps
stellen in den ersten 8 Sekunden eine Energie von 1903 Ws bereit.
86
Die Gesamtleistung Pbs aus der Brennstoffzellenleistung und der Leistung der Supercaps
wird im Vergleich zur Systemleistung in Abbildung 102 dargestellt. Die Dauerlast und
die Maximallast sind unverändert zu Abbildung 101.
Gesamtleistung aus Bz/Sc Pbs 600 W 5 Sekunden 250 W
Leistung Psc/Pbz/Pel [ Watt]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Zeit t [Sekunden]
Systemleistung Pel
Gesamtleistung Bz/Sc Pbs
Abbildung 102: Zyklus BZ/Sc, 250 W, max. 600 W-5 Sek. [1]
In Abbildung 102 ist zu sehen, dass die Gesamtleistung die Lastanforderung Pel, aufgrund der Verluste der Steuerung und der Verluste der Supercaps beim Laden- und Entladen, übersteigt. Beim zweiten Peak sind die Verluste mit ca. 80 Watt leicht erhöht.
Der Mittelwert der Verluste beträgt 36,8 Watt.
87
5.4.4 PEM-BZ System mit DC/DC Wandler
Der Messaufbau entspricht dem in Abbildung 90 dargestellten Aufbau. Das Profil für
die Messung des PEM-BZ Systems mit Wandler ist leicht verändert, dabei fällt die
Leistungsanforderung nach 70 Sekunden langsamer ab, um die Ladung der Supercaps
zu gewährleisten, dargestellt in Abbildung 103.
PEM-BZ Systemleistung mit DC/DC Wandler 410 W 3 Sekunden
200 W
500
Leistung Pbz/Psc/Pel [W]
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-100
-200
-300
Zeit t [Sekunden]
Leistung Bz Pbz
Systemleistung Pel
Abbildung 103: Zyklus PEM-BZ System, DC/DC, 200 W, max. 410 W-3 Sek. [1]
Zu sehen ist in Abbildung 103 eine maximale Leistung von 410 Watt bei einer Konstantleistung mit 200 Watt. Das Leistungslimit der Spannungswandlermodule beträgt
demnach 82 Watt/Modul, was dem theoretischen Wert entspricht (Kapitel 4.2.8
„DC/DC Wandler“). Zu erkennen ist, dass die Leistung der Supercaps die Systemleistung, beim Start peak, übersteigt, aufgrund der Verluste des Wandlers. Die Supercaps
stellen in den ersten 7 Sekunden eine Energie von 1232 Ws bereit.
Die Gesamtleistung aus der Brennstoffzellenleistung und der Leistung der Supercaps
wird im Vergleich zur Systemleistung in Abbildung 104 dargestellt. Die Dauerlast und
die Maximallast sind unverändert zu Abbildung 103.
88
Gesamtleistung aus Bz/Sc mit DC/DC Wandler 410 W 3 Sekunden
200 W
700
Leistung Pbs/Pel [W]
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Zeit t [Sekunden]
Gesamtleistung Bz/Sc Pbs
Systemleistung Pel
Abbildung 104: Zyklus BZ/Sc, DC/DC, 200 W, max. 410 W-3 Sek. [1]
In Abbildung 104 ist die Gesamtleistung Pbs zu sehen, welche sich aus der Brennstoffzellenleistung und der Leistung der Supercaps addiert. Diese übersteigt die Lastanforderung um ca. 40%. Die Verluste setzen sich zusammen aus den Verlusten der Steuerung, den Verlusten des DC/DC Wandlers und den Verlusten der Supercaps beim Laden
und Entladen. In Abbildung 98 ist zu sehen, dass die Systemverluste bei der Peakbelastung des Systems über 100 Watt betragen im Gegensatz zur stetigen Erhöhung der
Leistung wie in Abbildung 96 zu sehen ist. Die Verlustleistung der Steuerung Pvst =
steigt nicht über 50 Watt an.
PEM-BZ Systemleistung mit DC/DC Wandler 400 W 5 Sekunden
200 W
600
Leistung Pel/Pbz/Psc [W]
500
400
300
200
100
0
-100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-200
-300
Zeit t [Sekunden]
Systemleistung Pel
Leistung Bz Pbz
Abbildung 105: Zyklus PEM-BZ System, DC/DC; 200 W, max. 400 W-5 Sek. [1]
Es ist möglich über eine Zeit von 5 Sekunden eine Leistung von 400 Watt abzugeben,
wie in Abbildung 105 gezeigt wird. Die Supercaps stellen in den ersten 9 Sekunden eine
Energie von 1817 Ws bereit.
89
5.4.5 Untersuchung des Wirkungsgrades des DC/DC Wandlers
Um den Wirkungsgradverlauf des Spannungswandlers zu untersuchen, wurde die
Messung der U-I-Kennlinie aus Abbildung 92 nochmals mit dem Wandler durchgeführt.
Dabei erhöht sich die Leistung der Brennstoffzelle um die Verlustleistung des Wandlers.
Der Wirkungsgrad des Spannungswandlers während des Betriebs mit dem PEM-BZ
System kann nicht direkt gemessen werden. Bei gleicher Vorgabe des elektrischen
Stroms durch das Messsystem ergibt sich ein abweichender zeitlicher Verlauf der
Messung. Die Messung bricht beim Abschalten des Brennstoffzellensystems aufgrund
der maximalen Brennstoffzellenleistung ab. Die unterschiedlichen Wirkungsgrade mit
und ohne DC/DC Wandler können daher nur als eine Funktion der Brennstoffzellenleistung dargestellt werden. Es lässt dich daher nur der durchschnittliche Wirkungsgrad aus
der Summe aller Werte über die Zeit berechnen.
Vergleich Systemwirkungsgrad mit und ohne DC/DC Wandler
Wirkungsgrad WSy/WSy2 [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Leistung Pbz [W]
Systemwirkungsgrad ohne DC/DC Wandler
Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler
Abbildung 106: Systemwirkungsgrad mit/ohne DC/DC [1]
Die Abbildung 106 zeigt die Systemwirkungsgrade mit und ohne DC/DC Wandler. Die
Systemwirkungsgrade unterscheiden sich um den Wirkungsgrad des Spannungswandlers und der Supercaps. Die Verluste der Supercaps sind dabei vernachlässigbar. Der
Wirkungsgrad des Wandlers errechnet sich aus:
Formel 85: Wirkungsgrad DC/DC Wandler
WSy 2 (mitDC / DC)
WSy (ohneDC / DC)
= ηSw *100[%]
Der durchschnittliche Wirkungsgrad ergibt sich aus der Integration aller Werte:
Formel 86: Durchschnittlicher Wirkungsgrad DC/DC Wandler
ηSw =
38,63%
= 0,86 *100 * % = 81%
47,91%
90
Der Spannungswandler hat nach Abbildung 106, die höchsten Wirkungsgrade zwischen
Pbz = 262 Watt und Pbz = 285 Watt. Durch Integration der Werten, in diesem Bereich,
ergibt sich ein maximaler Spannungswandlerwirkungsgrad von:
Formel 87: Maximaler Wirkungsgrad DC/DC Wandler
ηSw =
46,57%
= 0,91 *100 * % = 91%
51,13%
70
350
60
300
50
250
40
200
30
150
20
100
10
50
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Leistung Pel [W]
Wirkungsgrad WSy2 [%]
Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler und Elektrische
Leistung über Brennstoffzellenleistung
0
500
Leistung Pbz [W]
Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler
Elektrische Leistung Pel
Abbildung 107: Elektrische Leistung über Systemwirkungsgrad [1]
Die Abbildung 107 dient zur Übertragung der Brennstoffzellenleistung in die elektrische Leistung. Überträgt man den Bereich Pbz = 262 – 285 Watt in das Diagramm,
kann man dadurch die elektrische Leistung von Pel = 200 Watt und Pel = 220 Watt ablesen.
Es ergibt sich dadurch eine Leistung von 40 – 44 Watt / DC/DC Wandlermodul, also
einer Last von 50 %. In Abbildung 71, unter 4.2.8 „DC/DC Wandler“, ist der theoretische Wirkungsgrad abgebildet. Dieser wird mit 90 % angegeben.
Die Kurve des Systemwirkungsgrades, in Abbildung 107, spiegelt nicht den Wirkungsgrad des Spannungswandlers wieder. Dieser ist nur aus der Differenz der beiden
Systemwirkungsgrade in der Abbildung 106 zu erkennen.
91
5.4.6 Kapazität bei höchstem Wirkungsgrad
Um einen Vergleich mit den Batteriesystemen zu machen, wird das PEM-BZ System
beim größten Wirkungsgrad gefahren, also mit Pel = 122 Watt. Als Entladeschluss gilt
dafür die Kapazität des Metallhydridspeichers mit 158,88 Nl. Die Messung wird am
Brennstoffzellenmessplatz durchgeführt, wie in Abbildung 108 zu sehen ist.
Konstantleistung Pel = 122 Watt
250
Leistung Pel/Pbz [W]
200
150
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Zeit t [s]
Brennstoffzellenleistung Pbz
Abbildung 108: Konstante Leistung am PEM-BZ System [1]
Aus der Messung in Abbildung 108 ergab sich eine elektrische Arbeit von 63,22 Wh in
einer Zeit von 1801 Sekunden mit einem Wasserstoffverbrauch von 53,13 Liter Wasserstoff. Der Systemwirkungsgrad WSy2 liegt bei dieser Leistung bei:
Formel 88: Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler bei Konstantlast 122 W
WSy 2 =
63,22Wh * l
= 0,40 *100% = 40%
53,13Nl * 3Wh
Damit ergibt sich für den Hydridspeicher eine nutzbare, elektrische Energie von:
Formel 89: Energie Hydrid
E hyd =
63,22 Wh *158,88LH 2
= 189,1Wh
53,13LH 2
92
5.4.7 Kapazität bei reduzierter Last
Für die Messung wurde eine Kurve mit konstanter Leistung bei 67 Watt eingegeben,
wie in Abbildung 109 zu sehen ist.
Konstantleistung Pel = 67 Watt
200
180
Leistung Pel/Pbz [W]
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Zeit t [s]
Brennstoffzellenleistung Pbz
Abbildung 109: Konstantleistung Pel = 67 Watt [1]
Gemessen wird eine Leistung von 68,4 Watt mit t = 956 Sekunden. Das ergibt eine
elektrische Arbeit von 18,17 Wh, bei einem Wasserstoffverbrauch von 17,76 Liter.
Formel 90: Systemwirkungsgrad mit DC/DC Wandler bei Konstantlast 67 W
WSy 2 =
18,17 Wh * l
= 0,34 * 100% = 34%
17,76 Nl * 3Wh
Damit ergibt sich für den Hydridspeicher eine nutzbare, elektrische Energie von:
Formel 91: Energie PEM-BZ System bei reduzierter Last
E hyd 2 =
18,17 Wh * 158,88LH 2
= 162,54 Wh
17,76LH 2
Die Entladung mit dem höchsten Wirkungsgrad wird für den Vergleich als 1C festgelegt.
Tabelle 18: Energie des PEM-BZ Systems
Entladung
1C
<1C
Verfahren (I/P) (A/W) 122 W 68,4 W
Energie
(Wh)
189,1
162,54
93
5.4.8 Wirkungsgradbetrachtung
Betrachtet man den Wirkungsgrad des PEM-BZ Systems mit DC/DC Wandler aus Abbildung 107, wird ersichtlich, dass das System mit mindestens 130 Watt betrieben
werden sollte, das entspricht einer Leistung Pel = 100 Watt. Zwischen dieser Leistung
und Pel = 240 Watt liegt der Wirkungsgrad zwischen 43 und 46 %. Das entspricht, nach
Abbildung 107, einer Brennstoffzellenleistung von Pbz = 130 – 300 Watt.
In diesem Leistungsbereich sind, ohne DC/DC Wandler, Wirkungsgrade von 48 – 55 %
möglich (Abbildung 106).
Die Nutzung des PEM-BZ Systems bei zu geringer Last mit 67 Watt, aus Abbildung
109, spiegelt den schlechten Wirkungsgrad mit 34 % in diesem Bereich wieder.
Aus der Berechnung des durchschnittlichen Wirkungsgrades des DC/DC Wandlers mit
81 %, wird es ersichtlich, das es sinnvoll ist, einen effizienteren DC/DC Wandlers zu
nutzen.
Einige Diskrepanzen in der Wirkungsgradbetrachtung sind bei den Messungen und
Auswertungen zu erkennen.
Betrachtet man den errechneten Systemwirkungsgrad von 40 %, bei 122 Watt Konstantlast (Abbildung 108 und Formel 87) und den dargestellten Systemwirkungsgrad aus
Abbildung 106 oder Abbildung 107 (Übertragung von Pel = 122 W in Abbildung 107;
Pbz = 175 W), mit WSy2 = 45 %, ist die Abweichung festzustellen.
Bei Betrachtung des Systemwirkungsgrades bei 67 Watt Konstantleistung (Abbildung
109 und Formel 89) ist die entsprechende Diskrepanz festzustellen.
Die Abweichungen sind auf die Wirkungsgradberechnung aus den Momentanwerten
zurückzuführen, da der sekündlich gemessene Wasserstoffdurchfluss, aufgrund des
„Purgens“, nicht konstant ist und sich zur gemessen elektrischen Leistung Pel nicht
linear verhält. Ein weiteres Motiv ist das abweichende Verhalten des PEM-BZ Systems
bei einer Konstantlast und bei einem variierenden Lastverlauf.
5.5 Messungen an den Akkusystemen
Die Messungen der Akkus mit der Belastung bis 10 A werden am Basytec Messsystem
vorgenommen. Die 2-C-Entladungen können nur an der elektronischen Last des Brennstoffzellenmessplatzes durchgeführt werden, dabei werden nur der Entladestrom und die
Zeit dokumentiert.
Daher ergibt sich die Energie der Speicher ESp durch die 2-C-Entladung aus:
Formel 92: Energieberechnung aus Kapazität und mittlerer Spannung
E Sp = t * I EL * U m [ Wh ]
t = Entladezeit; Um = mittlere Spannung des Akkus während der Entladung; IEl = Entladestrom
Die Entladung am Basytec Messsystem mit einer konstanten Leistung von 68 Watt entspricht bei allen Akkusystemen <1C. Der Entladestrom nimmt zum Ende, nach dem
gleichen Verlauf der abfallenden Spannung, zu und liegt bei maximal:
Formel 93: Entladestrom
I EL =
68W
= 2,52A
27V
94
5.5.1 Nickelmetallhydrid-Akku
Entladung NiMH-Akku
45
40
Spannung U [V]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Zeit t [h]
2C Entladung
1C Entladung
Konstant Leistung 68 Watt
Abbildung 110: Entladung NiMH-Akkusystem [1]
Das Diagramm 110 zeigt den Spannungsverlauf bei der Entladung des NiMH-Akkus
mit verschiedenen C-Raten bis zur Entladeschlussspannung von 27 Volt. Es wurden
folgende Energien gemessen.
Tabelle 19: Energie NiMH
Entladung
2C
1C
<1C
Verfahren (I/P) (A/W) 19 A
9,5 A
68 W
Energie
(Wh)
255,12 289,93 303
95
5.5.2 Li-Ionen-Akkusystem Gaia
Entladung Gaia-Akku
45
40
Spannung U [V]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Zeit t [h]
Entladung 1C
Konstante Leistung 68 W
Entladung 2C
Abbildung 111: Entladung Gaia Akkusystem [1]
Bei der Entladung des Akkusystems von Gaia wurde die Entladeschlussspannung von
27 Volt nicht erreicht, wie in der Abbildung 111 zu sehen ist. Das Batteriemanagement
sperrte aufgrund der zu geringen Spannung einer Zelle den Mosfet Schalter schon bei
29,5 Volt. Um dieses Verhalten zu korrigieren, müssen die Parameter der BMSSoftware, via CAN-Bus geändert werden. Da die Abweichung der Kapazität sehr gering
ist, ist diese Konfiguration nicht notwendig.
Tabelle 20: Energie Li-Ionen Gaia
Entladung
2C
1C
<1C
Verfahren (I/P) (A/W) 15 A
7,5 A
68 W
Energie
(Wh)
246,25 252,56 258,50
96
Entladung 10S3P Li-Ionen-Mangan
45
40
Spannung U [V]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Zeit t [h]
Entladung_2C
Entladung 1C
Konstant Leistung 68 Watt
Abbildung 112: Li-Ionen-Mangan-Akku [1]
Die Abbildung 112 zeigt den Spannungsverlauf bei der Entladung des NiMH-Akkus mit
verschiedenen C-Raten bis zur Entladeschlussspannung von 27 Volt. Die 2-CEntladung wurde auch am Basytec durchgeführt. Es wurden folgende Energien gemessen:
Tabelle 21: Energie Li-Ionen-Mangan-Akku
Entladung
2C
Verfahren (I/P) (A/W) 6,48 A
Energie
(Wh)
1C
<1C
3,24 A
68 W
106,32 111,17 114,76
Beim NiMH-Akkusystem ist zu beobachten, dass bei einer 2-C-Belastung gegenüber
der <1C Belastung die Kapazität um 15,8 % gemindert wir. Bei dem Li-Ionen-ManganAkkusystem beträgt die Minderung 7,4 % und bei dem Li-Ionen-Akkusystem von Gaia
4,7 %.
97
Tabelle 22 zeigt die Abweichung der Energien bei 1C von den Nennenergien. Die
Werte sind aus der Messung der Energien der Akkusysteme und des PEM-BZ Systems.
Tabelle 22: Vergleich Nennenergie und bei 1C
Bezeichnung
Volumen/Gewicht
AkkusystemHP Gaia
AkkusystemHE Gaia
Li-IonenManganAkkusystem
NiMHAkkusystem
PEM-BZ
System
VGaia/mGaG
Nennenergie
Wh
Energie 1C
Wh
270*
252,56
360*
336,6
VLiges/mLiges
116,64**
111,17
VNiMH/mNiMH
342***
289,93
Vhydges/mhydges
190,66
189,1
Vhyb1/mhyb1
190,66
189,1
Entladung bei: 0,2 C*; 1 C**; 0,1 C***
Die größten Abweichungen sind bei dem Nickelmetallhydrid-Akkusystem zu erkennen.
Da die Nennenergien aus Entladungen < 1 C gemessen wurden, ergeben sich bei 1 C
niedrigere Kapazitäten bzw. Energien. Bei dem Li-Ionen-Mangan-Akkusystem sollten
die Werte übereinstimmen, da die Nennangaben aus einer 1-C-Entladung stammen.
98
6. Ergebnisauswertung
Um die Reichweite bei einem Fahrzyklus zu bestimmen und damit einen Vergleich der
Energiesysteme zu erstellen, ist es nötig die Systeme auf ein gemeinsames Energieniveau zu bringen, da die Systeme verschiedene Energien haben.
Daher wird jedes System auf ein Gewicht von 6 Kg bzw. 8 Kg interpoliert.
6.1 Interpolation auf 6 kg
Es wird angenommen, dass ein Spannungswandler welcher zum Einsatz bei einem
Hybridsystem kommt, ein geringeres Gewicht als 1582 g hat. Daher wird für das PEMBZ System ein Gesamtgewicht von 6,49 Kg, anstatt 7,28 Kg, zugrunde gelegt. Um auf 6
kg des Li-Ionen-Mangan Systems zu kommen, werden 3 Stück von diesen Packs addiert, die Energie verdreifacht sich dementsprechend. Für die Energie der Gaia-Akkus
HE, bei den verschiedenen Entladeraten, wird die prozentuale Minderung der Energie
der Gaia-Akkus HP zugrunde gelegt.
Nennenergie: 360 Wh; bei 1C: 336,6 Wh (93,5%); bei <1C: 344,52 Wh (95,7%)
Die Tabelle 23 zeigt die Übersicht der errechneten Werte für die 6-kg-Systeme.
Tabelle 23: Interpolation auf 6kg
System
Gewicht
6 +−00,,63
63
(kg)
Energie
Energie
1C (Wh)
< 1C (Wh)
Akkusystem-HP Gaia
6,67
252,55
258,50
Akkusystem-HE Gaia
6,67
336,6
344,52
Li-Ionen-ManganAkkusystem
5,37
333,51
344,28
NiMH-Akkusystem
5,88
289,93
303
PEM-BZ System
6,49
189,1
162,54
Bei den Akkusystemen vergrößert sich die Kapazität nochmals mit geringerer Entladung (1C - <1C) um 4,5% beim NiMH-Akkusystem, 3,1% beim Li-Ionen-ManganAkkusystem und 2,3% beim Akkusystem von Gaia.
Die Energie des PEM-BZ Systems verringert sich indessen, da bei Pbz < 122 Watt der
Wirkungsgrad stark abfällt. Der Wirkungsgrad bei der reduzierten Leistung liegt, nach
Abbildung 109 bei 34%, also einer Minderung von 1 C auf <1 C um 14 %.
6.2 Interpolation auf 8 kg
Diese Betrachtung ist rein rechnerischer Art und die Ergebnisse beruhen nicht auf Messungen. Für die einzelnen Systeme werden nun die Akkus bzw. Hydridspeicher einzeln
mit ihrer Energie dazugerechnet, um auf ein Gewicht von 8 Kg zu kommen. Dabei wird
nur das Speichervolumen erhöht, bei nahezu gleich bleibendem Gewicht der Peripherie/Elektronik bzw. der Brennstoffzelle.
99
6.2.1 Akkusystem-HP Gaia
Es werden 4 Zellen und ein Slave Baustein addiert.
Einzellzellengewicht: 320 g
4*320 g = 1280 g
Gewicht Slave: 120 g
Gesamtgewicht: 1280 g + 6670 g + 120 g = 8070 g
Energie bei 1 C: (
252,55Wh
* 4) + 252,55Wh = 353,57 Wh
10
Energie bei <1 C: (
258,5Wh
* 4) + 258,5Wh = 361,9 Wh
10
Volumen Slave: 100 cm3; Volumen Einzelzelle: 155,13 cm3
Gesamtvolumen: 100 cm3 + 4*155,13 cm3 + 4887,75 cm3 = 5608,27 cm3
Daraus ergeben sich die spezifischen Energien der Einzelzelle:
Tabelle 24: Spezifische Energien der Einzelzelle Akku-HP Gaia
Spezifische Energie Wh/kg
Wh/l
1C
78,9
162,90
<1C
80,63
166,45
6.2.2 Akkusystem-HE Gaia
Dieses System wird für den Vergleich mit einbezogen. Das Gewicht und das Volumen
des Systems sind identisch mit denen des HP Systems.
Einzelzellengewicht: 320 g; Volumen Einzelzelle: 155,13 cm3
Gesamtvolumen: 5608,27 cm3
Gesamtgewicht: 8070 g
Für die Energien bei den verschiedenen Entladeraten wird die prozentuale Minderung
der Energien der HP-Akkus von Gaia zugrunde gelegt.
Nennenergie: 360 Wh; bei 1C: 336,6 Wh (93,5%); Bei <1C: 344,52 Wh (95,7%)
Energie bei 1 C: (
336,6 Wh
* 4) + 336,6Wh = 471,24Wh
10
Energie bei <1 C: (
344,52Wh
* 4) + 344,52Wh = 482,33Wh
10
Daraus ergeben sich die spezifischen Energien der Einzelzelle:
Tabelle 25: Spezifische Energien Einzelzelle Akku-HE Gaia
Wh/l
1C
105,19
217,16
<1C
107,66
222,27
100
Es werden 4 Packs und 3 Balancer addiert.
Gewicht Balancer: 155 g
3*155 g = 465 g
Gewicht 10S1P: 545 g
4*545 g = 2180 g
Energie bei 1 C: (
111,17 Wh
* 4) + 333,51Wh = 481,74Wh
3
Energie bei <1 C: (
114,76Wh
* 4) + 344,28Wh = 497,29Wh
3
Volumen Balancer: 204,61 cm3; Volumen 10S1P: 264,18 cm3
Gesamtvolumen: 4*264,18 cm3 + 3*204,61 cm3 + 3*997,51 cm3 = 4663,08 cm3
Spezifische Energien der Einzelzelle:
Tabelle 26: Spezifische Energien der Li-Ionen Mangan Zelle
Wh/l
1C
89,94
215,19
<1C
92,84
222,14
6.2.4 NiMH-Akkusystem
Einzelzellengewicht: 168 g
12*168 g = 2016 g
Gesamtgewicht: 2016 g + 5880 g = 7896 g
Energie bei 1 C: (
289,93Wh
*12) + 289,93Wh = 405,90Wh
30
Energie bei <1 C: (
303Wh
*12) + 303Wh = 424,2Wh
30
Volumen Einzelzelle: 47,28 cm3
Gesamtvolumen: 12*47,28 cm3 + 3024 cm3 = 3591,36 cm3
Spezifische Energien der Einzelzelle:
Tabelle 27: Spezifische Energien Einzellzelle NiMH
Wh/l
1C
57,52
204,41
<1C
60,11
213,62
101
6.2.5 PEM-BZ System
Ein Hydridspeicher wird addiert.
Einzelgewicht Hydridspeicher: 1510 g
Gewicht Druckregler und Schnellkupplung: 120 g
Energie bei 1 C: 2 * 189,1Wh = 378,2 Wh
Energie bei <1 C: 2 *162,54Wh = 325,08Wh
Gesamtvolumen: 4833,38 cm3 + 481,39 cm3 = 5314,77 cm3
Spezifische Energien des Speichers:
Tabelle 28: Spezifische Energien Hydridspeicher
Wh/l
1C
125,23
393,14
<1C
107,64
349,55
Zusammenfassung
Die Tabelle 29 zeigt die Übersicht der errechneten Werte für die 8-kg-Systeme.
Tabelle 29: Interpolation auf 8kg
System
Gewicht 8 +−00,,12
1
(kg)
Volumen
(Liter)
Energie
Energie
1C (Wh)
< 1C (Wh)
Akkusystem-HP Gaia
8,07
5,61
353,57
361,9
Akkusystem-HE
Gaia
8,07
5,61
471,24
482,33
8,02
4,66
481,74
497,29
NiMH-Akkusystem
7,9
5,28
405,9
424,2
PEM-BZ System
8,12
5,31
378,2
325,08
Ein 8-kg-System ist noch in einen Fahrradrahmen integrierbar. Ab einem höheren Gewicht bzw. Volumen ist es nicht realistisch, ein Fahrrad mit diesen Systemen aufzubauen.
Das Li-Ionen-Mangan-Akkusystem hat die größte Energie mit 481,74 Wh.
Das PEM-BZ System hat eine Energie von 325,08 Wh.
102
Die Vergleichstabelle 30, der spezifischen Energien der Nennwerte und den Messwerten bzw. den errechneten Werten des 8-kg-Systems zeigen die Differenzen. Die
spezifischen Energien ergeben sich aus den Energien in Tabelle 29, dividiert durch das
jeweilige Volumen bzw. Gewicht.
Tabelle 30: Nennenergien und gemessene Energien bei 1C/8 kg Systeme
Wh/kg
Vol. spez.
Nennenergie
Wh/l
40,47
43,81
55,32
63,02
53,97
-
73,77
-
VLiges/mLiges
65,16
60,06
116,64
103,37
VNiMH/mNiMH
58,16
51,37
113,24
113,03
Vhydges/mhydges
116,96
125,23
396,38
393,14
Vhyb1/mhyb1
26,26
46,58
33,56
71,22
Bezeichnung Volumen/Gewicht
AkkusystemHP Gaia
AkkusystemHE Gaia
NiMHAkkusystem
PEM-BZ System
Gew. spez.
Nennenergie
Wh/kg
VGaia/mGaG
Gew. spez.
Energie 1C
Vol. spez.
Energie 1C
Wh/l
6.2.6 Betrachtung der Gewichts- und Volumenverhältnisse
Die Verhältnisse der jeweiligen Gewichte und Volumen der notwendigen Elektronik
zum Energiespeicher bei einem System mit 8 kg zeigt die Tabelle 31.
Tabelle 31: Verhältnisse Aufbau/Elektronik zu Energiespeicher bei 8kg
AkkusystemHP/HE Gaia
NiMHAkkusystem
PEM-BZ System
Volumen
Elektronik/
Aufbauten
cm3
Volumen
Energiespeicher
cm3
Gewicht
Elektronik
g
Gewicht
Energiespeicher
g
2114,99
2171,82
1/1,02
3590
4480
1/1,32
1227,66
3434,34
1/2,08
930
7085
1/7,62
1605,24
1985,76
1/1,23
840
7056
1/8,4
3870,6
962,78
4,02/1
4860
3260
1,49/1
Verhältnis
103
Verhältnis
Die Abbildungen 113-120 stellen die Verhältnisse aus Tabelle 31, grafisch dar.
Volumenverhältnis PEM-BZ System
Gewichtsverhältnis PEM-BZ System
0,96l; 20%
3,26kg; 40%
4,86kg; 60%
3,87l; 80%
Volumen Peripherie
Volumen Energiespeicher
Gewicht Peripherie
Gewicht Energiespeicher
Abbildung 113: Volumenverhältnis PEM-BZ
System [1]
Abbildung 114: Gewichtsverhältnis PEM-BZ
System [1]
Volumenverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku
Gewichtsverhältnis Li-Ionen-Mangan-Akku
0,93kg; 12%
1,23l; 26%
3,43l; 74%
7,09kg; 88%
Volumen Peripherie
Gewicht Peripherie
Abbildung 115: Volumenverhältnis Li-IonenMangan Akku [1]
Abbildung 116: Gewichtsverhältnis Li-IonenMangan Akku [1]
Volumenverhältnis NiMH-Akkusystem
Gewichtsverhältnis NiMH-Akkusystem
0,84kg; 11%
1,61l; 45%
1,99l; 55%
7,06kg; 89%
Volumen Peripherie
Gewicht Peripherie
Abbildung 117: Volumenverhältnis NiMH [1]
Abbildung 118: Gewichtsverhältnis NiMH [1]
Volumenverhältnis Akkusystem-HE/HP Gaia
2,17l; 51%
Gewichtsverhältnis Akkusystem-HE/HP Gaia
3,59kg; 44%
2,11l; 49%
4,48kg; 56%
Volumen Peripherie
Gewicht Peripherie
Abbildung 119: Volumenverhältnis Gaia Akku
HP/HE [1]
Abbildung 120: Gewichtsverhältnis Gaia Akku
HE/HP [1]
In Abbildung 113 ist zu erkennen, dass der Volumenanteil des Energiespeichers nur 20
% ausmacht. Zu Abbildung 115 und Abbildung 116 ist anzumerken, dass sowohl der
Volumenanteil als auch der Gewichtsanteil des Energiespeichers, beim Li-IonenMangan-Akkusystem sehr hoch ist.
104
6.3 Interpolation auf 9,63 kg
Der Metallhydridspeicher, die Li-Ionen-HE Zelle von Gaia und die Li-Ionen-Mangan
Zelle haben die größten spezifischen Energien (Tabelle 24 – 28). Daher werden diese
Systeme nochmals verglichen, um zu untersuchen, wann das PEM-BZ System mit zusätzlichen Hydridspeichern die Energie der einzelnen Akkusysteme übertrifft.
Es werden für diese rechnerische Darstellung nur die Einzelzellen bzw. Hydridspeicher
und deren Kapazität verwendet und auf ein nahezu einheitliches Gewicht gebracht. Da
bei 1C mit 122 Watt, das PEM-BZ System den größten Wirkungsgrad hat und die
Differenz der Energien bei 1 C und <1 C, mit 2,9 Wh bei den Li-Ionen-Akkusystemen
sehr klein ist wird der Vergleich nur bei 1 C dargestellt.
6.3.1 PEM-BZ System
1 Speicher wird addiert.
Zusätzlicher Speicher m = 1,51 kg; V = 0,481 l
Gesamtgewicht m2 = 8,12 kg + 1,51 kg = 9,63 kg
Gesamtvolumen V2 = 5,32 l + 0,48 l = 5,8 l
Gesamtenergie = 378,2 Wh + 189,1 Wh = 567,3 Wh
Gewichtsspezifische Energie =
567,3Wh
Wh
= 58,91
9,63kg
kg
Volumenspezifische Energie =
567,3Wh
Wh
= 97,81
5,80l
l
3 Akku-Packs werden addiert.
Zusätzliche Zellen m = 3*0,545 kg = 1,64 kg; V = 3*0,264 l = 0,792 l
Gesamtenergie = 481,74 Wh + 111,17 Wh = 592,91 Wh
592,91Wh
Wh
= 61,37
9,66kg
kg
592,91Wh
Wh
= 108,79
5,45l
l
105
6.3.3 Akkusystem-HE Gaia
5 Zellen werden addiert.
Zusätzliche Zellen m = 5*0,32 kg = 1,6 kg; V = 5*0,155 l = 0,775 l
Gesamtkapazität = 471,24 Wh + 168,3 Wh = 639,54 Wh
639,54Wh
Wh
= 66,14
9,67kg
kg
639,54Wh
Wh
= 100,40
6,37l
l
Zusammenfassung
Die Tabelle 32 zeigt die Übersicht der errechneten Werte für die 9,63-kg-Systeme.
Tabelle 32: Interpolation auf 9,63 kg
Energie
Volumen
(Liter)
1C (Wh)
9,67
6,37
639,54
9,66
5,45
592,91
PEM-BZ System
9,63
5,8
567,3
System
Gewicht 9,63 +0, 04 (kg)
Akkusystem-HE
Gaia
Bei dieser Konstellation haben die Systeme ungefähr die gleichen spezifischen Energiedichten. Dem PEM-BZ System müssen demnach mindestens 3 Hydridspeicher zur Verfügung stehen, um die Energie der Akkusysteme zu übertreffen.
6.3.4 Betrachtung der Gewichts- und Volumenverhältnisse
Folgende Übersicht zeigt die Verhältnisse zwischen der Elektronik und Energiespeicher.
Tabelle 33: Verhältnisse Aufbauten/Elektronik zu Energiespeicher
Volumen Elek- Volumen
tronik/ Aufbau- Energieten
speicher
PEM-BZ
System
Akkusystem-HE
Gaia
Verhältnis
Gewicht
Elektronik/Auf
bauten
g
Gewicht
Energiespeicher
Verhältnis
cm3
cm3
3870,6
1442,78
1/2,68
3590
5990
1/1,69
1227,66
4226,34
1/3,44
930
8725
1/9,38
3425
2945
1/1,66
3590
6080
1/1,69
106
g
Bei dem Akkusystem-He von Gaia und dem PEM-BZ System sind das Volumen und
das Gewicht der Elektronik und Aufbauten sehr groß. Im Gegensatz dazu haben die LiIonen-Mangan-Akkus nur einen knapp 10-prozentigen Gewichtsanteil der Elektronik.
Die Abbildungen 121 – 126 stellen diese Ergebnisse grafisch dar.
Volumenverhältnis PEM-BZ System
Gewichtsverhältnis PEM-BZ System
3,6kg; 38%
1,44; 27%
5,99kg; 62%
3,87; 73%
Volumen Peripherie
Gewicht Peripherie
Abbildung 121: Volumenverhältnis PEM-BZ
System [1]
Abbildung 122: Gewichtsverhältnis PEM-BZ
System [1]
Volumenverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku
Gewichtsverhältnis Li-Ionen-Mangan Akku
0,93kg; 10%
1,22l; 22%
4,22l; 78%
Volumen Peripherie
8,73kg; 90%
Gewicht Peripherie
Abbildung 123: Volumenverhältnis Li-IonenMangan Akku [1]
Abbildung 124: Gewichtsverhältnis Li-IonenMangan Akku [1]
Volumenverhältnis Akkusystem-HE Gaia
Gewichtsverhältnis Akkusystem-HE Gaia
3,59kg; 37%
2,95l; 46%
3,43l; 54%
6,08kg; 63%
Volumen Peripherie
Gewicht Peripherie
HE [1]
HE [1]
Der Gewichtsanteil der Hydridspeicher, beim PEM-BZ System ist nun schon 62% gestiegen (Abbildung 122), der Volumenanteil des Energiespeichers, hingegen bleibt
relativ klein (Abbildung 121).
Die Gewichts- und Volumenanteile des Energiespeichers, des Li-Ionen-ManganAkkusystems haben sich weiter erhöht (Abbildung 123 und Abbildung 124).
107
6.4 Weiterführender Vergleich und grafische Darstellung
6.4.1 Darstellung des Gewichts und der Energie der Systeme
Die Energiesysteme, werden in ein Diagramm übertragen (Gewicht über Energie) und
der Vergleich bis zu einer Energie von 2080 Wh weitergeführt. Es werden die Vergleichswerte der 6 kg, 8 kg und 9,63 kg Systeme aufgetragen.
Von diesen Werten an wird die Energieerhöhung nur noch linear mit den Werten der
gewichtsspezifischen Energien der Einzelzellen, aufgetragen. Die Energieerhöhung
beim PEM-BZ System, folgt aus der Zunahme von Hydridspeichern und wird daher
treppenförmig weitergeführt.
Darstellung des Gewichts und der Energie der Systeme
bis 2080 Wh(1733 Nl Wasserstoff) bei konstanter Entladung mit 122 Watt
40
35
Gewicht [kg]
30
25
20
15
E = 2080 Wh; Bei 122 Watt Konstantlast:
2080 Wh/122 W = 17,05 h Betriebszeit
10
5
0
0
500
1000
1500
2000
Energie [Wh]
PEM-BZ System MES-DEA mit Hydridspeicher
NiMh-Akkusystem Saft VH-D 9500
Li-Ionen-Akkusystem -HE 10 Gaia
Li-Ionen-Mangan-Akkusystem Sony 18650 VT1
Li-Ionen-Akkusystem -HP 7.5 Gaia
Abbildung 127: Gewicht und Energie der Systeme bis 2080 Wh [1]
In Abbildung 127 sind die steigende Energie und die Gewichtszunahme der Systeme,
bis 2080 Wh, dargestellt. Alle Akkusysteme haben einen steileren Anstieg als das PEMBZ System. Der Vorteil des PEM-BZ Systems, gegenüber dem NiMH-Akkusystem und
dem Akkusystem-HP von Gaia greift bei 750 Wh und einem Gewicht von ca. 13 kg.
Ab einem Gewicht von 15,7 kg ist das PEM-BZ System auch dem Li-Ionen-ManganAkkusystem überlegen, die Energie beträgt 1140 Wh.
Das Akkusystem-HE von Gaia hat einen nahezu gleichen Anstieg wie das PEM-BZ
System. Erst ab einem Gewicht von über 22 kg und einer Energie von 2000 Wh überwiegen die Vorteile des PEM-BZ Systems.
108
Gewicht [kg]
Darstellung des Gewichts und der Energie der Systeme
bis 945,5 Wh(788 Nl Wasserstoff) bei konstanter Entladung mit 122 Watt
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Energie [Wh]
PEM-BZ System MES-DEA mit Hydridspeicher
NiMH-Akkusystem Saft VH-D 9500
Li-Ionen-Akkusystem HE 10 Gaia
Li-Ionen-Mangan-Akkusystem Sony 18650VT1
Li-Ionen-Akkusystem HP 7.5 Gaia
Abbildung 128: Gewicht und Energie der Systeme bis 945,45 Wh [1]
Bei der Abbildung 128 handelt es ich um einen vergrößerten Ausschnitt des Diagramms
in Abbildung 127. Die Werte sind identisch. Zu erkennen ist, dass im unteren Bereich
der NiMH-Akku und der Li-Ionen-Mangan-Akku die niedrigsten Gewichte haben.
6.4.2 Berechnung der Reichweite
Ein PEM-BZ System mit einem Gewicht von 8 kg ist noch realistisch für die Integration
in einem Fahrrad, daher werden die Reichweiten aus den Werten der 8-kg-Systeme errechnet. Es lassen sich für das idealisierte, reduzierte Lastprofil mit einer konstanten
Last von 68 Watt folgende Reichweiten berechnen:
Der definierte Fahrzyklus hat eine Strecke von 2090 m. Die elektrische Arbeit welche
verrichtet wird in 956 Sekunden bei dieser Strecke mit einer Leistung von 68 Watt:
Formel 94: Elektrische Arbeit Zyklus 68 Watt
WZ68 = 68W *
956s * h
= 18,06Wh
3600s
109
Es resultieren daraus die Reichweiten:
361,9Wh
* 2090m = 41,88Km
18,06Wh
Akkusystem-HP Gaia:
Akkusystem-HE Gaia
482,33Wh
* 2090m = 55,81Km
18,06Wh
:
Li-Ionen-Mangan-Akkusystem:
497,29Wh
* 2090m = 57,55Km
18,06 Wh
NiMH-Akkusystem:
424,2Wh
* 2090m = 49,09Km
18,06Wh
PEM-BZ Akkusystem:
325,08Wh
* 2090m = 37,62Km
18,06Wh
Das Li-Ionen-Mangan-Akkusystem hat die größte Reichweite, das PEM-BZ System hat
die geringste Reichweite.
Bei einem Fahrzyklus mit einer durchschnittlichen Last von 122 Watt, also beim
größten Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems, lassen sich folgende Reichweiten
mit den 8-kg-Systemen erzielen. Da die Kapazitätsunterschiede bei den Entladeraten der
Akkus nicht sehr groß sind, wird für diese Darstellung die Kapazität der 1-C-Entladung
herangezogen.
Der definierte Fahrzyklus hat eine Länge von 2090 m (siehe unter 5.1 „Definition Fahrzyklus“). Die elektrische Arbeit, welche in 956 Sekunden, bei dieser Strecke, mit einer
Leistung von 122 Watt verrichtet wird:
Formel 95: Elektrische Arbeit Zyklus 122 Watt
Wz122 = 122 W *
956s * h
= 32,40Wh
3600s
Es resultieren daraus die Reichweiten:
Akkusystem-HP Gaia:
353Wh
* 2090m = 22,77 Km
32,40Wh
Akkusystem-HE Gaia:
471,24 Wh
* 2090m = 30,39Km
32,40Wh
Li-Ionen-Mangan-Akkusystem:
481,74Wh
* 2090m = 31,08Km
32,40Wh
NiMH-Akkusystem:
405,9Wh
* 2090m = 26,18Km
32,40Wh
PEM-BZ System:
378,2Wh
* 2090m = 24,40Km
32,40Wh
Das Li-Ionen-Mangan-Akkusystem und das High Energy Akkusystem von Gaia haben
demnach die größten Reichweiten bei beiden Zyklen. Das PEM-BZ System kann nur
durch die Fahrt bei größtem Wirkungsgrad das High Power Akkusystem hinter sich
lassen und kann mit den NiMH-Akkus beinahe gleichziehen.
110
7. Zusammenfassung und Ausblick
Die Li-Ionen-Mangan Akkus und speziell die Hochleistungsakkus von Gaia sind ohne
Elektronik nicht nutzbar da diese, aufgrund des sehr reaktiven Materials Lithium, ein
Risiko darstellen. Des Weiteren wird die Elektronik benötigt, um die Zellspannungen in
einer Serienschaltung auszugleichen.
Der NiMH-Akku ist leicht zu handhaben, da dieser wenig Elektronik benötigt. Die
Zellen sind weniger hochstromfähig als die Li-Ionen-Mangan Zellen und Li-Ionen
Zellen von Gaia.
Betrachtet man nur die spezifischen Energien der Einzellzellen bei einer Entladung von
< 1 C = 68 Watt, so hat der Li-Ionen Akku HE von Gaia mit 107,66 Wh/kg und 222,27
Wh/l die größte Energiedichte, gefolgt von dem Li-Ionen-Mangan Akku mit 92,84
Wh/kg und 222,14 Wh/l. Der Hydridspeicher hat eine Energiedichte von 107,64 Wh/kg
bzw. 349,55 Wh/l.
Der prozentuale Anteil der Peripherie am Gesamtgewicht des PEM-BZ Systems beträgt
bei den 8-kg-Systemen 60 %, hingegen hat das NiMH Akkusystem und das Li-IonenMangan-Akkusystem mit 11 % bzw. 12 % den geringsten Peripherieanteil. Betrachtet
man das Volumen, liegt der prozentuale Anteil der Peripherie bei dem PEM-BZ System
bei 80 % und bei dem Li-Ionen-Mangan System bei nur 26 %.
Durch Vergrößerung des Energiespeicheranteils beim PEM-BZ Systems auf 2080 Wh,
das entspricht 1733 Nl Wasserstoff, wird der Vorteil des Systems erst erfassbar. Wird
der Betrieb bei größtem Wirkungsgrad vorausgesetzt, ist bei einem Gewicht von 13 kg
die Energie größer als bei dem NiMH Akkusystem und bei dem Li-Ionen-Akkusystem
HP von Gaia. Erst ab einem Gewicht von 22 kg wird ist das PEM-BZ System allen
Akkusystemen überlegen.
Bei einer Fahrt bei reduzierter Last und bei Verwendung des Fahrzyklus aus Tabelle 16,
sind bei realistischer Verwendung eines 8-kg-Systems folgende Reichweiten erzielbar:
•
Li-Ionen-Mangan System:
57,55 km
•
PEM-BZ System:
37,62 km
Wird eine Last mit 122 Watt angenommen (höchster Wirkungsgrad PEM-BZ System),
lassen sich folgende Reichweiten erzielen:
•
Li-Ionen-Mangan System:
31,08 km
•
PEM-BZ System:
24,40 km
Wird das PEM-BZ System beim größten Wirkungsgrad betrieben, sind keine signifikanten Unterschiede bei den Reichweiten zu erkennen.
Die Hybridisierung mit dem Brennstoffzellensystem und den Supercaps funktioniert gut
um Anfahrlastspitzen abzudecken, dadurch kann das Brennstoffzellensystem kleiner
dimensioniert werden. Die Leistung der Supercaps beträgt bis zu 650 Watt und die
Energie liegt bei bis zu 1903 Ws. Die Supercaps machen es aber nicht möglich zusätzliche Energie für eine Bergfahrt aufzubringen.
Es ist eine gute Auslegung des Gesamtsystems nötig, um einen hohen Wirkungsgrad zu
gewährleisten. Das PEM-BZ System hat den höchsten Wirkungsgrad mit 40 % bei Pel =
122 Watt. Wird die Last auf Pel = 67 Watt vermindert sinkt der Wirkungsgrad um 14
%. Bei den Akkusystemen hingegen erhöht sich der Wirkungsgrad bei kleineren CRaten.
111
Bei der Nutzung der Hydridspeicher muss die Abwärme der Brennstoffzelle den Speichern zugeführt werden, da diese sich ansonsten zu stark abkühlen und dadurch der
Wasserstoffflow gehemmt wird.
Bei Verwendung eines BZ-Systems mit Hydridspeicher würden anstatt der verwendeten
150 Nl-Speicher, zur Erhöhung des Wasserstoffvolumens, sicherlich andere Speichervolumina verwendet werden.
Bei der Verwendung eines PEM-BZ Systems in einem Elektrofahrrad wäre der schnelle
Austausch des Speichers von Vorteil. Der Energieerzeuger ist, im Gegensatz zu den
Akkusystemen, vom Energiespeicher getrennt.
Für die Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle müssen die Speichersysteme
weiterentwickelt werden, da das Brennstoffzellensystem nur auf diese Weise in Konkurrenz mit den bestehenden Akkusystemen treten kann.
Für das Brennstoffzellensystem ist eine Steuerung nötig um den optimalen Betrieb zu
gewährleisten. Probleme tauchen beim Kaltstart auf, da die Zellreaktion erst bei höheren
Temperaturen gute Ergebnisse liefert und auch die Feuchtigkeit in der Membran durch
die Wasserstoffspaltung ansteigt.
Um eine Fahrt wie im reinen Elektrobetrieb möglich zu machen, müsste das PEM-BZ
System größer dimensioniert sein bzw. eine Hybridisierung mit einem Akku stattfinden.
Die höhere Spannung von 36 Volt kann durch eine Serienverschaltung von Stacks erhöht werden und so einen Spannungswandler überflüssig machen. Der elektronische
Steuerungsaufwand könnte durch ein einziges Managementsystem, welches die Regelung der Energieströme und die Peripherieregelung für die Brennstoffzelle übernimmt,
minimiert werden. Bei diesem Aufbau wird der Strom des BZ-Systems getaktet, der
Strom am Spannungswandler wiederum getaktet und am Motorcontroller wiederum
gleichgerichtet.
112
8. Abkürzungen und Formelzeichen
Abkürzung
Bedeutung
BMS
Batteriemanagementsystem
Bmz
Batteriemontagezentrum
BZ
Brennstoffzelle
CAN
Controller Area Network Feldbus
DC
Direct current-Gleichstrom
EC-Motor
Elektronisch kommutierter Motor
ESB
Ersatzschaltbild
ESR
Equivalent Series Resistance
Gew.
Gewicht
HE
High Energy
HP
High Power
ISO
Internationale Organisation für Normung
Li
Lithium
Li-Ion
Lithium-Ionen
MEA
Membran Elektroden Einheit
MEH
Metallhydrid
Mosfet
Feldeffekttransistor
NiMH
Nickelmetallhydrid
Pedelec
Pedal Electric Bike
PEM
Polymer-Elektrolyt-Membran
RC-Glied
Tiefbassfilter als Integrator
RS232
Serielle Schnittstelle
RS485
Serielle Schnittstelle
Spez.
Spezifisch
Stack
Serienschaltung der Brennstoffzelle
Vol.
Volumen
113
Formelzeichen Bedeutung
Einheit
ΔG 0o
Reaktionsenthalpie
kj/mol
U 0rev
Leerlaufspannung
V
Durchflussrate Wasserstoff
sccm-ml/min
a
Beschleunigung
m/s2
A
Fläche
cm2
Aeges
Prozentualer Anteil end. Energie an ges.Energie %
B
Breite
mm
C
Kapazität
F
Cges
Gesamtkapazität Reihenschaltung Supercaps
F
Eend
Endotherme Energie
Wh
Ehyd
Energie Hydridspeicher bei 122 W
Wh
Ehyd2
Energie Hydridspeicher bei 68 W
Wh
EHydridNenn
Nennenergie Hydridspeicher
Wh
Emax
Energiedichte
Wh/kg
ESp
Energie des Speichers
Wh
F
Faraday Konstante
As/mol
FB
Beschleunigungskraft
N
FH
Hangabtriebskraft
N
g
Erdbeschleunigung
m/s2
H
Höhe
mm
Hi
Unterer Heizwert
MJ/Nm3 -
Iba
Strom Supercaps
A
Ibz
Brennstoffzellenstrom
A
Ic
Leckstrom
A
Iel
Elektrischer Strom
A
°
V H2
114
IEL
Entladestrom
A
IL
Ladestrom
mA
k
Ladewirkungsgrad
L
Länge
mm
m
Masse
g
MBFH
Motordrehmoment infolge FH
Nm
MBges10
Gesamtdrehmoment am Berg 3°
Nm
MBP
Motordrehmoment Peakleistung
Nm
mBZges
Gesamtgewicht BZ System
g
mhyb1
Gesamtgewicht PEM-BZ System
g
mhydges
Gesamtgewicht Hydridspeicher
g
n
Drehzahl
1/min
Pbs
Leistung aus Supercaps und Brennstoffzelle
W
Pbz
Brennstoffzellenleistung
W
Pd
Leistungsdichte
W/kg
Pel
Elektrische Leistung
W
Pges10
Gesamtleistung Motor bei 10 km/h
W
PgesBerg
Gesamtleistung am Berg 3°
W
PgesNenn
Gesamtleistung Motor
W
PgesPeak
Gesamtleistung Motor Peakleistung
W
PH2
Theoretische Leistung Wasserstoff
W
Pmech
Mechanische Leistung
W
PSc
Leistung Supercaps
W
Psys
Gesamtverlustleistung
W
PthDc
Theoretische Leistung DC/DC Wandler
W
Pv
Verlustleistung
W
Pv,Bürste
Elektrische Verlustleistung Bürsten
W
Pv,Cu
Ohmsche Verluste an der Ankerwicklung
W
115
Pv,Fe
Wirbelstrom und Hystereseverluste
W
Pvbz
Verlustleistung Brennstoffzelle
W
PvReib,Komm
Reibungsverluste im Kommutator
W
PvReib,Lager
Reibungsverluste im Lager
W
Pvst
Verlustleistung Steuerung
W
Pvsys
Gesamtverlustleistung BZ System
W
Q
Ladungsmenge
mAh
RA
Widerstand Ankerwicklung
Ώ
RESR
Ersatzserienwiderstand
Ώ
Rges
Gesamtwiderstand Parallelschaltung Supercap
Ώ
Ri
Isolationswiderstand
Ώ
T
Temperatur
°C
t
Zeit
S
t21
Beschleunigungszeit auf 21 km/h
s
UB
Bürstenspannung
V
Uba
Spannung Supercaps
V
Ubz
Brennstoffzellenspannung
V
Uc_balanced
Balancing-Spannung
V
Uel
Elektrische Spannung
V
Um
Mittlere Spannung beim Entladen
V
v
Geschwindigkeit
m/s
VBal
Volumen Balancer
cm3
VBst
Volumen Steuerung BZ
cm3
VBZ
Volumen BZ
cm3
VBZges
Gesamtvolumen BZ System
cm3
VDCges
Gesamtvolumen Spannungswandler
cm3
Vfin
Volumen Kühlkörper
cm3
VGaia
Volumen Gaia Akku
cm3
116
Vhyb1
Gesamtvolumen PEM-BZ System
cm3
Vhyd
Volumen Hydridspeicher
cm3
Vhyges
Gesamtvolumen Hydridspeicher
cm3
VLi
Volumen Li-Ionen Mangan-Akku
cm3
VLi_ges
Gesamtvolumen Li-Ionen-Mangan-Akku
cm3
VLü2
Volumen Lüfter BZ
cm3
Vmagn
Volumen Magnetventile
cm3
VNiMH
Volumen Nickelmetallhydrid
cm3
VSc
Volumen Supercaps
cm3
VSw
Volumen Spannungswandler
cm3
Wbz
Brennstoffzellenwirkungsgrad
%
WSc
Energie Supercapmodul
Wh
WSy
Systemwirkungsgrad
%
Wsys
Systemwirkungsgrad mit Wandler
%
Wsys2
Systemwirkungsgrad ohne Wandler
%
WZ122
Elektrische Arbeit bei 122 W Zyklus
Wh
WZ68
Elektrische Arbeit bei 68 W Zyklus
Wh
ΔT
Temperaturerhöhung
°C
ηmax
Maximaler Wirkungsgrad Brennstoffzelle
%
ηSw
Wirkungsgrad Spannungswandler
%
θbm
Thermal Resistance
°C/W
θsa
Thermal Impedance
°C/W
ηe
Wirkungsgrad Wandlermodul
Pout
Ausgangsleistung DC/DC Modul
117
W
9. Quellenverzeichnis
[1]
Severin Neubauer; eigene Abbildungen und Diagramme
[2]
www.jvbike.com; Power assisted electrical Bicycle
[Zugriff am: 05.06.2006]
[3]
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[4]
Pedelec E-bike Test, 2002
[5]
Krumm, Michael: Stand der Technik, IZM FHG, 2004
[6]
Manhattan Scientific Hydrocycle, 2003
[7]
www.Palcan.com [Zugriff am 13.07.2006]
[8]
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[9]
http://www.joerg-weigl.de.vu; Pios, Jörg Weigl, 2002 [Zugriff am 13.08.2006]
[10] Masterflex, Swizbee, Hannovermesse 2004
[11] A. Fries, Niels: Das große Handbuch für Solar- und Elektrofahrräder, Neuss,
2006
[12] www.Heinzmann.de; Nachrüstsatz für Pedelecs
[Zugriff am: 07.09.2006]
[13] Firma Heinzmann, Motordiagramm RN120 – 2NFB, 2004
[14] www.batteryuniversity.com; NiCd-Akku; NiMH-Akku
[Zugriff am: 01.10.2006]
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[16] http://de.wikipedia.org/wiki/Nimh; Elektrochemie [Zugriff am 10.09.2006]
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[18] www.ict.fhg.de; Batterie-Glossar [Zugriff am 01.09.2006]
[19] www.gaia-akku-online.de; Aufbau einer Zelle
[Zugriff am 15.10.2006]
[20] BMZ, Datenblatt 18650vt,2006
[21] Gaia, Datenblatt 7,5 Ah UHP-341450, 11-2004
[22] Gaia, Datenblatt 10 Ah HE-341450, 11-2004
[23] ZSW, Eine allgemeine Einführung, 10. Otti Profiforum Brennstoffzelle, 2003
118
[24] Korrespondenz mit Herrn Panizza, Marco; Vicor Europe; Zur Serienschaltung
von DC/DC Modulen, am 22.5.2006
[25] Krumm, Michael: Stand der Technik, Brennstoffzellenstacks, IZM FHG, 2004
[26] www.hyweb.de; Wasserstoffspeicher für dezentralen und mobilen Einsatz.
[Zugriff am: 12.10.2006]
[27] Krumm, Michael: Stand der Technik, Wasserstoffspeicherung mit Druckgasbehälter, IZM FHG, 2004
[28] QinetiQ Ltd, 2002
[29] www.udomi.de/fuelcell/ultracap-basics.html; Vergleich von Batterie und Ultracap. [Zugriff am: 20.09.2006]
[30] Uzun, Halis: Diplomarbeit: Statische und dynamische Modellierung des elektrischen Verhaltens von PEM Brennstoffzellen, TU-Berlin, 2004
[31] GAIA Akkumulatorenwerke GmbH, Aufbau Akku, 2006
[32] Gaia, Layout BMS, 2006
[33] I+ME Actia GmbH, Software Description, 2006
[34] MES-DEA, Handbuch Prototyp 0.5, Stabio 2004
[35] Hera, Datenblatt Metallhydridspeicher, 2004
[36] www.hydrogeit.de; Eingenschaften Wasserstoff [Zugriff am 13.09.2006]
[37] Korrespondenz mit Herrn Goetz, Markus; ZSW Ulm; Zur Berechnung der
Kälteenergie, am 12.05.2006.
[38] Maxwell Technologies, Datenblatt BCAP0350, 2006
[39] Maxwell Technologies, Application Note-Cell Balancing in Low Duty Cycle
Applications, 2006
[40] Vicor, Application Manual VI-200, Thermal Considerations, 2006
[41] Böge, Alfred: Arbeitshilfen und Formeln für das technische Studium, Vieweg
Verlag, 2003
[42] www.ebmpapst.com; Datenblatt RLF 100-11/12 [Zugriff am 11.09.2006]
[43] Vicor, Application Manual Vi-200, Thermal Considerations, Thermal Impedance Charts, 2006
[44] Anoumedem Guefack, Clarisse: Diplomarbeit “Entwicklung eines Labview
gesteuerten, automatisierten Messplatzes zur Ansteuerung von Brennstoffzellen”, TFH-Berlin 2005
[45] Vicor, Datasheet VI-200 2006
119
Anhang
Anhang 1 Messgeräreliste Messplatz
Messgeräteliste
Gerät
Bezeichnung
Elektronische Last
PL-906
V/150 A)
Temperatursensoren
MKS Steuerung
(60
Hersteller
Aufgabe
Höcherl&Hackl
Simulation einer Last
304-Vierkanal
Thermometer
Voltcraft
Temperaturmessung
PR 4000 s
MKS Instruments
Regelung Flowcontroller
Flowcontroller
MKS Instruments
Durchflussmessung
Impedanzmessgerät Hioki 3560 AC
HITESTER
Impedanzmessung
Anschlussblock
BNC-2115
NI-DAQ
Anschlussherstellung
Anschlussblock
BNC-2120
NI-DAQ
Anschlussherstellung
Voltcraft
Stromversorgung Geräte
LEM
Strommessung
Eigenbau
Messwertaufnahme BZ
Netzteile
Hallsensor
Messbox
50-s
120
Anhang 2 Motordiagramm
121
Anhang 3 Verschaltungsskizze für Li-Ionen-Mangan Balancer
Li-Lader
+
Li-Akku
+
122
Anhang 4 Parameterliste Gaia-Akku BMS System
123
124
Anhang 5 Stückliste Gaia-Akku System
125
Anhang 6 Zeichnung Befestigung für Gaia-Akku System
126
Anhang 7 Stückliste Supercapmodul
127
Anhang 8 Layouts Supercapmodul
128
Anhang 9 Stückliste Spannungswandler-Modul
129
Anhang 10 Layouts Spannungswandler-Modul
Folie Oberseite 3er Modul
130
Folie Unterseite 3er Modul
131
Folie Oberseite 2er Modul
Folie Unterseite 2er Modul
132
Anhang 11 Zeichnung Halteblech Wandler
133
Anhang 12 Zeichnung Haltergross
134
Anhang 13 Stückliste BZ-Modul
135
Anhang 14 Zeichnung Halteplatte
136
Anhang 15 Zeichnung Halterschmal_2
137
Anhang 16 Zeichnung PlatteBZ_Halter
138
Anhang 17 Zeichnung PlatteBZ_Halter_unten
139
Anhang 18 Zeichnung HalterBZ
140
Anhang 19 Stückliste Hydridmodul
141
Anhang 20 Zeichnung Halterhydrid
142
Anhang 21 Stückliste Kuehlmodul
143
Anhang 22 Zeichnung Kühler_links
144
Anhang 23 Zeichnung Kuehler_rechts
145
CD-ROM
Inhalt
•
Diplomarbeit als *.pdf
•
Exceltabellen mit Messdaten
•
Exceltabellen mit Berechnungs- und Darstellungsgrundlagen
•
Zeichnungen und Stücklisten als *.pdf
•
Technische Datenblätter
146

Diplomarbeit zum

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