Aufbau und Systemtechnik von Brennstoffzellenfahrzeugen …

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Aufbau und Systemtechnik von Brennstoffzellenfahrzeugenam Beispiel des DLR Technologieträgerfahrzeugs HyLite®

BZ-Fachausbildung H2-Profi, “Einführung in Fahrzeuganwendungen”

Weiterbildungszentrum Ulm WBzU, 24. März 2006

Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für Fahrzeugkonzepte (IFK)

Andreas Brinner mit Beiträgen von Peter Treffinger & Jörg Ungethüm

Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 Stuttgart

Tel: 0711 6862 574 Fax: 0711 6862 1574

A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte

Vortragsinhalt

➢ Kurzvorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart➢ Brennstoffzellen-Entwicklungsaktivitäten des Institutes➢ Antriebsstrangkonzepte für Brennstoffzellen-Fahrzeuge➢ Packagekonzepte von BZ-Systemen für Fahrzeuge➢ Neue Komponenten für Brennstoffzellensysteme aus dem HyLite-Projekt➢ BZ-Systemsicherheit im Fahrzeug am Beispiel des HyLite-Fahrzeugs➢ Beispielhafte Erläuterung von Systembetriebs-Strategien➢ Ausgewählte Ergebnisse des HyLite-Fahrbetriebs➢ Resumee

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Das Institut für FahrzeugkonzepteProfessor Horst E. Friedrich

InnovativeTechniksystemeSynergie Straßen-/Schienenfahrzeuge

Kraftstoff- &Energiespeicher

Alternative Antriebe &Energiewandlung

Leichtbau & Hybridbauweisen

Innovative Fahrzeugkonzeptein einem nachhaltigen

Verkehrssystem


Forschungsfelder ZieleKraftstoff- und Energiespeicherung

Darstellung von Speicherkonzepten höherer Leistungsfähigkeit, z. B. Energiedichte, Gestaltfreiheit oder Betankung.

Leichtbau und Hybridbauweisen

Erforschung und Entwicklung neuer Fahrzeugbauweisen unter Berücksichtigung innovativer Werkstoff- und Verarbeitungstechnologien oder Einbeziehung funktionaler Effekte.

Innovative Techniksysteme

Analyse, Bewertung und Beschreibung von Fahrzeugkonzepten. Ausnutzung von Synergien Straßen-/Schienenverkehr.

Alternative Antriebe und Energiewandlung

Schaffen der Voraussetzungen für energieeffiziente und schadstoffarme Energieversorgungssysteme heutiger und zukünftiger Fahrzeugkonzepte.

3


InstitutsneubauEinblicke

4

3

2

1

EG

UG

BüroflächenLabore und Werkstättennicht von FK belegte Flächen

Leichtbau-LaboreFügetechnikSmart Systemsetc.

Leichtbau-LaboreBauteilprüfungetc.

Werkstätten

Prüfstände AntriebsstrangBZ-Prüfstand 100kWEnergiemanagementKomponentenprüfungetc.

Laborfläche: 1.506 m2

Bürofläche: 1.188 m2

RollenprüfstandKlima, H2


Fuel Cell System Test Vehicle „HyLite®“

Development platform for component manufacturersNew system components: Industrial partnersFuel cell stacks: NUVERASystem design and integration into the vehicle: DLREnergy management strategy: DLR

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Air Supply Module

Control Module

Fuel Cell CoreModule

„Minimal“ and rugged fuel cell systemAir-cooled stacksNo humidificationOperation near to atmospheric pressureModularization of the system

H2 Supply Module

Small Fuel Cell Powered Vehicles


HyLite® Electric Vehicle with Hybrid Fuel Cell System

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Architektur „Lean-Brennstoffzellenfahrzeug“

Brennstoff-zellensystem

M3

IC

Steuergerät

ElektromotorUmrichter

► Entscheidungskriterien für Architektur:

- Effizienz- Komplexität- Dynamik- Kosten


„Leistungsverzweigter Hybrid“ Architektur I

Brennstoff-Zellensystem

M3

IC SteuergerätElektrischerEnergie-speicher


► Leistungsaufteilung über 1 DC/DC-Wandler

► Entscheidungskriterien- Effizienz- Komplexität- Dynamik- Kosten

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„Leistungsverzweigter Hybrid“Architektur II


M3



► Leistungsaufteilung über 2 DC/DC-Wandler

► Kriterien- Effizienz- Komplexität- Dynamik- Kosten


Architektur Technologie-Träger HyLite


M3



► Gegebenes Basisfahrzeug► Architekturentscheidung:

Spannungslagen BZ-System, Batterie, Elektromotor

► Lastabhängige Medienversorgung

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Energy Flows in the Hybrid Drive TrainAir and water

ChemicalEnergyStorage

Short-timeEletric Energy

Storage

ElectricMotor /

Generator

Fuel cell

Air Compressor

Hydrogen Storage

Battery Waste Heat

Energy converterelectr. ↔ mech.

Brakingenergy

DriveEnergy

H2

Air Air

H2

Power adapterelectr. ↔electr.

Boostconverter

Energy Converterchem. → electr.electr. → mech.

Basic Principle of the HyLite® Fuel Cell Power Train


Fuel Cell SystemFuel TreatmentAir SupplyWater & Thermal Energy ManagementControl Systems

Fuel Cell SystemFuel TreatmentAir SupplyWater & Thermal Energy ManagementControl Systems

Cooling SystemCooling System

Passenger Comp. HeatingPassenger Comp. Heating

SuspensionUndercarriageSuspension

Undercarriage

Electrical EquipmentElectrical Equipment Drive TrainDrive Train

Body & ChassisBody & Chassis Safety SystemsSafety Systems Control SystemsControl Systems

HyLite® Vehicle with Hybrid Fuel Cell SystemPEFC System Integration into the Vehicle

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• Functional connections

• Thermal management

• Control systems

• Safety measures

• Fuel

• Electrical energy management

• Connection of fuel cell and drive system

• Design of sub-system

• Construction of vehicle

Combined process circuits, conduction of media

Heat removal, internal & external thermal coupling, temperature levels, insulation

System operation, minimisation of internal consumption, systems communicating with driver

Electrical, mechanical, for gases, releasers, limiters, safety chains

Tank, fuelling, safety

Adaptation of capacity, energy demand of drive system, recovery of capacity

Levels of voltage and current, transients, safety

Compact components, density of packaging, connecting of components

Division into specific areas, sealing towards interior compartment, defined areas for installations, crash behaviour

Influence of the Fuel-Cell System on Packaging


Energetische Kopplungen Fahrzeug – Brennstoffzellen-System

Zeichnungslegende

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Brennstoffzellenfahrzeug – HydroGen3 liquid

Bildquellen: R. v. Helmholt, Adam Opel AG.

BZ-System- Stapel- Luftversorgung- Wärmemanagement-Wassermanagement- Leistungselektronik

Kraftstoff-speicher

„Starter“-BatterieDC/DC-Wandler

Elektrischer Antrieb


Brennstoffzellenfahrzeug – DaimlerChrysler F-Cell

Kraftstoff-speicher


Bildquellen: DaimlerChrysler AG und A. Martin, Ballard.

BZ-System- Stapel- Luftversorgung- Wärmemanagement- Wassermanagement

Hy-8068 kW220 l220 kg

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Brennstoffzellen-Fahrzeug HyLite® DLR

Brennstoffzellen-stapel

Kraftstoffspeicher

Luftversorgung


Elektrische Energiespeicher


Brennstoffzellen-Fahrzeuge

►OpelHydroGen3 liquid

►DaimlerChryslerF-Cell

►DLR-FKHyLite

Bildquellen: Adam Opel AG, DaimlerChrysler AG

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Brennstoffzellen-Fahrzeug HyLite® DLR

BatterienHAWKER

VerdichterRIETSCHLE-THOMAS

H2-SpeicherAIR LIQUIDE

LuftfilterMAHLE

KondensatorAKG

BrennstoffzellenblöckeNUVERA

TrennbehälterDLR

VE-WasserfilterMAHLE

HauptkühlerAKG

MagnetventilGSR

DC/DC-WandlerFhG / DLR

FahrumrichterMES-DEA

PumpeDLR / SPECK

LadeluftkühlerAKG

AbscheiderMAHLE

PrimärkühlerAKG

Zellspannungs-MessungSMART


HyLite® Fuel Cell System PackageDetailed View into the PEFC System Package

PEFC CoreModule

AirFiltering

AirSupply

CoolantCircuit

DI-WaterCircuit

HydrogenSupply

HydrogenStorage

HybridBattery

SystemCoolers

PowerElectrics

ControlEquipmentElectric

Drive

StackCVM

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Beispiele neuer PEFC-Systemkomponenten von PartnerfirmenLuftkühler

AKG

LuftverdichterRietschle

WärmetauscherAKG

H2O-AbscheiderMahle

Magnet ventilGSR Luftansaugfilter

Mahle

FlüssigkeitsfilterMahle

KondensatorAKG Front-

HauptkühlerAKG

Entwicklung von PEFC-Systemkomponenten für Fahrzeuge


Neue / verbesserte Brennstoffzellen-Systemkomponenten

H2-in-Luft-Sicherheitssystem

VE-Wasserspeicher-Pumpeneinheit

Niedrigpreis-FahrumrichterBi-direktionaler

DC/DC-WandlerDruckabscheide-Schalldämmbehälter

H2- Hydridspeicher

CAN-Bus kontrolliertesDruckregelventil

Entwicklung von PEFC-Systemkomponenten für Fahrzeuge

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H2-Storage Comp. 1

PEFC-Stack Casing

H2-Storage Comp. 2

Space forH2 Components

(Solenoid- ,Safety Valves)

H2

Environment

Flame Arrestor

HydrogenDetector

H2

Vehicle

H2

Hydrogen Detector

EnvironmentEnvironment

PassengerCompartment

Hydrogen Safety Concept Design for the Vehicle

HyLite® Fuel Cell System Package


Realization of the Hydrogen Safety Concept

H2-Storage Compartment R 1

H2-Storage Compartment R 2

AmbientPEFC-

Stack CaseR 4

H2-Supply SystemCompartmentR 3a, R 3b

Ambient

H2-Sensor 1H2-Sensor 3


H2-Sensor 2

Vehicle Interior R 5

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P&I-Principle of the PEFC-SystemOverview about the HyLite® Fuel Cell Power Train


R 3a

R 3b

R 4

CEH

CEH

R 5

CEH

R 1 R 2

H2-StorageCompartment

R 1

H2-StorageCompartment

R 2

H2-Supply System Compartment HSSC R 3a

PEFC-Stack CaseR 4

HSSC R 3b

ExpansionLine 1 EL1

ExpansionLine 2 EL2

ExpansionLine 3 EL3

ExpansionLine 4 EL4

FillingLine 1 FL1

ExhaustPipe 1 EP1

ExhaustPipe 2 EP2 Exhaust

Pipe 4 EP4

Vehicle InteriorR 5

ExhaustPipe 3 EP3

EP2

EP3

EL1 EL2

EL3 EL4H2 in Air

H2 in Air

H2 in Air

Simplified H2- Circuit Components and Installation Location


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H2- Circuit Components and Installation Location

Pressure Reducer

Fuel Cell Stacks

Mass Flow Sensor

Vent Valve

Pressure Indicator

Safety Valve

Pressure Switch

H2 Pressure Storage

Flame Arrestor

Pressure Controller


Installation Volume of theHydrogen Supply Subsystem:

10 Liters


Stack and Core System Package


Hydrogen ConnectorsElectric Power Connectors

Connectors forCell Voltage Measurement

Expansion Pipefor Stack Case

DI-Water Connectors

Air Connectors

Stack Core Systemprior to Installation

Stack Core SystemPackage Design

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Brennstoffzellensystem – Luftversorgung


Kompressor

Abscheider

Ladeluft-kühler

DruckhalteventilBefeuchter

► Kompressor ist größter Hilfsenergieverbraucher

- Schraubenkompressoren- Turbokompressoren

Entwicklungstrends/(-ziele)► Systeme ohne Befeuchtung► Kein flüssiges Wasser im

System


Brennstoffzellensystem – Luftversorgung (Kompressor/Expander)

Elektromotor


Kompressor Expander

Abscheider

Ladeluft-kühler

► Rückgewinnung von Kompressionsenergie über Expander

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Brennstoffzellensystem –Luftversorgung/Kompressoren

SchraubenverdichterBildquelle: Opcon

0 50 100 150 200 250 300 35020

30

40

50

60

70

02000400060008000100001200014000160001800020000

Wirk

ungs

grad

/ %

Luftmassenstrom / (kg/h)

Turbo-Kompressor Schrauben-Kompressor

Les

itung

/ W

Quelle: Lamm, DaimlerChrysler, Aachen 2003TurboverdichterBildquelle: DaimlerChrysler


1.21.62.02.4

0 20 40 60 80 100 120 14005

10152025

maximum supply load following (mair) load following (mair, p)

p / b

ar

I / A

mA

ir / (g

/s)

Quelle: Treffinger et. al., VDI-Tagung, Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden 2004

Examination of different operating strategies of air supply with NUVERA fuel cell stacks

Results of Fuel Cell System Operation

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Operation Strategy „Load Following of mair & p“

0.4

0.6

0.8

1.0

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

40

80

120

mean cell voltage minimum cell voltage

volta

ge /

V

power

pow

er /

kW

set current actual current

I / A

time / s


With load followingsupply the requesteddynamic can not bereachedThe dynamic islimited by theminimum single cellvoltage


Operation Strategy „Constant Maximum Supply of Fuel & Air“

0

40

80

120

0.4

0.6

0.8

1.0

0

4

8

12

16

20

24

Time / s


Cur

rent

/ A

mean cell voltage maximum cell voltage

Vol

tage

/ V

Power

Pow

er /

kW


Maximum constantsupply of the stacksimproves the powerdynamics very muchThe requestedfollow up of the setcurrent can, however, not befulfilled

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Operation Strategy „Load Following of mair & p“

1.2

1.6

2.0

2.4

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

4080

120

0

1

2

3

4

5

p / b

ar phydrogene

pair

mair

mai

r / (k

g/s)

time / s


curr

ent /

A

λoxygene

λox

ygen

e



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001.21.62.02.4

0.0100.0150.0200.0250.030

04080

120

012345

0.4

0.6

0.8

1.0

04812162024

t / s

p / b

ar

phydrogene

pair

mai

r / (k

g/s)


Stro

m /

A

λox

ygen

e

mean cell voltage minimum cell voltage

Spa

nnun

g / V

P /

kW

Operation Strategy „Constant Maximum Supply of Fuel & Air“


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Single Cell Voltage Behavior during „Load Following“

500600700800900

1000

500600700800900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120500600700800900

1000

500600700800900

1000vo

latg

e / m

V

t = 26 s, I = 140 A

t = 15,5 s, I = 75 A

vol

tage

/ m

Vt = 9 s, I = 1 A

vol

tage

/ m

V

t = 86 s, I = 140 A

vol

tage

/ m

V

number of cell



HyLite – Systemwirkungsgrad im Fahrversuch

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Zusammenfassung

► Effizienz von Brennstoffzellensystemen steht in vielfältiger Wechselwirkung mit weiteren Kriterien

► Luftversorgung Schlüssel für hohe Systemeffizienz► Brennstoffzellenhybrid eröffnet Spielräume zur Abstimmung

Fahrzeugarchitektur – Brennstoffzellensystem ► Beispiel Technologieträger HyLite

- lastabhängige Medienversorgung- Für Technologieträger ausreichender Gesamtwirkungsgrad- Wasserstoffnutzungsgrad erhöhen- Kompressorleistung senken


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Sie finden uns unter:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für Fahrzeugkonzepte

Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 StuttgartInternet: www.dlr.de/fk

Tel: ++49 (0) 711 6862 256, Fax: ++49 (0) 711 6862 258

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