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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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Das Institut für FahrzeugkonzepteProfessor Horst E. Friedrich
InnovativeTechniksystemeSynergie Straßen-/Schienenfahrzeuge
Kraftstoff- &Energiespeicher
Alternative Antriebe &Energiewandlung
Leichtbau & Hybridbauweisen
Innovative Fahrzeugkonzeptein einem nachhaltigen
Verkehrssystem
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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.
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
InstitutsneubauEinblicke
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3
2
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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
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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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
HyLite® Electric Vehicle with Hybrid Fuel Cell System
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Architektur „Lean-Brennstoffzellenfahrzeug“
Brennstoff-zellensystem
M3
IC
Steuergerät
ElektromotorUmrichter
► Entscheidungskriterien für Architektur:
- Effizienz- Komplexität- Dynamik- Kosten
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„Leistungsverzweigter Hybrid“ Architektur I
Brennstoff-Zellensystem
M3
IC SteuergerätElektrischerEnergie-speicher
ElektromotorUmrichter
► Leistungsaufteilung über 1 DC/DC-Wandler
► Entscheidungskriterien- Effizienz- Komplexität- Dynamik- Kosten
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
„Leistungsverzweigter Hybrid“Architektur II
Brennstoff-Zellensystem
M3
IC SteuergerätElektrischerEnergie-speicher
ElektromotorUmrichter
► Leistungsaufteilung über 2 DC/DC-Wandler
► Kriterien- Effizienz- Komplexität- Dynamik- Kosten
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Architektur Technologie-Träger HyLite
Brennstoff-Zellensystem
M3
IC SteuergerätElektrischerEnergie-speicher
ElektromotorUmrichter
► Gegebenes Basisfahrzeug► Architekturentscheidung:
Spannungslagen BZ-System, Batterie, Elektromotor
► Lastabhängige Medienversorgung
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
• 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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Energetische Kopplungen Fahrzeug – Brennstoffzellen-System
Zeichnungslegende
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Brennstoffzellenfahrzeug – DaimlerChrysler F-Cell
Kraftstoff-speicher
Elektrischer Antrieb
Bildquellen: DaimlerChrysler AG und A. Martin, Ballard.
BZ-System- Stapel- Luftversorgung- Wärmemanagement- Wassermanagement
Hy-8068 kW220 l220 kg
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Brennstoffzellen-Fahrzeug HyLite® DLR
Brennstoffzellen-stapel
Kraftstoffspeicher
Luftversorgung
Elektrischer Antrieb
Elektrische Energiespeicher
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Brennstoffzellen-Fahrzeuge
►OpelHydroGen3 liquid
►DaimlerChryslerF-Cell
►DLR-FKHyLite
Bildquellen: Adam Opel AG, DaimlerChrysler AG
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
HyLite® Fuel Cell System Package
H2-Sensor 2
Vehicle Interior R 5
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
P&I-Principle of the PEFC-SystemOverview about the HyLite® Fuel Cell Power Train
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
HyLite® Fuel Cell System Package
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
HyLite® Fuel Cell System Package
Installation Volume of theHydrogen Supply Subsystem:
10 Liters
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Stack and Core System Package
HyLite® Fuel Cell 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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Brennstoffzellensystem – Luftversorgung
Brennstoffzellen-stapel
Kompressor
Abscheider
Ladeluft-kühler
DruckhalteventilBefeuchter
► Kompressor ist größter Hilfsenergieverbraucher
- Schraubenkompressoren- Turbokompressoren
Entwicklungstrends/(-ziele)► Systeme ohne Befeuchtung► Kein flüssiges Wasser im
System
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
Brennstoffzellensystem – Luftversorgung (Kompressor/Expander)
Elektromotor
Brennstoffzellen-stapel
Kompressor Expander
Abscheider
Ladeluft-kühler
► Rückgewinnung von Kompressionsenergie über Expander
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
Results of Fuel Cell System Operation
With load followingsupply the requesteddynamic can not bereachedThe dynamic islimited by theminimum single cellvoltage
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
set current actual current
Cur
rent
/ A
mean cell voltage maximum cell voltage
Vol
tage
/ V
Power
Pow
er /
kW
Results of Fuel Cell System Operation
Maximum constantsupply of the stacksimproves the powerdynamics very muchThe requestedfollow up of the setcurrent can, however, not befulfilled
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
set current actual current
curr
ent /
A
λoxygene
λox
ygen
e
Results of Fuel Cell System Operation
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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)
set current actual current
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“
Results of Fuel Cell System Operation
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
Results of Fuel Cell System Operation
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
HyLite – Systemwirkungsgrad im Fahrversuch
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A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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
A. Brinner & Beiträge von P. Treffinger, J. Ungethüm 22.03.06Institut für Fahrzeugkonzepte
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