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Was ist ein Brennstoffzellen Steuergerät?
Ein Brennstoffzellen Steuergerät ist die zentrale Steuer- und Regeleinheit für ein Brennstoffzellensystem, das in der Regel die Wasserstoff-Brennstoffzellen selbst und die sie umgebenden Anlagen umfasst. In einigen Fällen kann die Steuerung anderer peripherer Systeme, wie z. B. des Brennstoffspeichersystems, auch über das Brennstoffzellen Steuergerät erfolgen.
Das Brennstoffzellen-Steuerungssystem ist eine sehr wichtige Komponente des Systems, da es die Komponenten logisch miteinander verknüpft und auch das Bindeglied zwischen dem Benutzer oder Betreiber und dem System darstellt.
Der effektive Betrieb von Brennstoffzellensystemen kann recht komplex werden, da Brennstoffzellenstapel und verschiedene andere Systemkomponenten ein nichtlineares und diskontinuierliches Verhalten in mehreren ihrer physikalischen Eigenschaften aufweisen. Um die Anlage sicher und optimal zu betreiben und Schäden am Stack oder anderen Anlagenkomponenten zu vermeiden, werden sehr hohe Anforderungen an die Steuerung gestellt. Die Software und die zugrundeliegenden Betriebssysteme der Steuerungen von Brennstoffzellensystemen unterscheiden sich daher von Systemen, die in der Konsumgüterindustrie üblich sind, da sie jederzeit eine hohe Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Robustheit im Betrieb aufweisen müssen.
Welche Subsysteme gibt es in Brennstoffzellen Steuergerät?
In der Regel unterteilt die Software von Brennstoffzellen Steuergeräten das System in Teilsysteme und definiert verschiedene Betriebszustände. Dies ermöglicht eine einfachere Verwaltung der Zustände, die durch das Layout des Kontrollsystems definiert sind. Die Auswahl der Teilsysteme hängt in hohem Maße von der Art des Brennstoffzellensystems ab, das betrieben wird. Im Folgenden werden vier gängige Beispiele genannt.
1. Das Teilsystem Reaktionskontrolle
Das Teilsystem für die Reaktionssteuerung konzentriert sich auf die Steuerung der Variablen rund um die Reaktanten, die in bestimmten stöchiometrischen Verhältnissen, Temperatur- und Druckniveaus miteinander in Kontakt gebracht werden sollen. Dies ist ein kritisches Gleichgewicht, das eingehalten werden muss, um die Membran, den Katalysator oder ein anderes Element der Brennstoffzellen selbst nicht zu zerstören. Darüber hinaus führt eine unzureichende Versorgung der Zellen mit Reaktanten (Brennstoffmangel) zu einer ineffizienten Nutzung der Zellen und verringert unweigerlich die Gesamtleistung und Effizienz des Systems.
2. Das Teilsystem für die Wärmekontrolle
Das thermische Teilsystem konzentriert sich auf die Aufrechterhaltung optimaler thermischer Bedingungen im Reaktionsbereich und in anderen Bereichen des Brennstoffzellensystems. Bei den chemischen Reaktionen, die in den Zellen ablaufen, wird eine beträchtliche Menge an Wärme erzeugt, und Abweichungen von den optimalen Werten können zu Schäden an der Zellmembran, dem Katalysator, anderen Elementen der Zellen oder sogar anderen Elementen des gesamten Systems führen. Im Allgemeinen läuft die Reaktion bei höheren Temperaturen schneller ab, so dass mehr Wärme erzeugt wird, was wiederum zu einer noch schnelleren Reaktion führt. Die Kühlmaßnahmen müssen daher entsprechend dosiert werden, um diese zusätzliche Wärmeentwicklung bei höheren Temperaturen zu berücksichtigen.
3. Das Teilsystem elektrische Steuerung
Das elektrische Teilsystem dient der Umwandlung der schwankenden Strom- und Spannungsleistung der Brennstoffzellen in die Werte, die der elektrische Verbraucher benötigt, für den das System ausgelegt ist. Entsprechend der Polarisationskurve und als Folge der ohmschen Verluste variiert die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels mit der Stromaufnahme des Systems. Aus diesem Grund werden in das Leistungselektronikmodul eines Brennstoffzellensystems elektrische Wandler, z. B. Abwärtswandler (zum Absenken der Spannung), Aufwärtswandler (zum Anheben der Spannung), Filter und Stabilisatoren eingesetzt. Diese werden alle im Rahmen des elektrischen Teilsystems gesteuert.
4. Das Teilsystem Brennstoffzellenspeicher
Das Subsystem für die Kraftstofflagerung verwaltet den Tank und seine peripheren Elemente. Je nach Speichermethode und -konzept variieren die in diesem Teilsystem enthaltenen Elemente. Wenn Wasserstoff als Kraftstoff gasförmig gespeichert wird, ist außer einer Druckregelung keine Umwandlung erforderlich. Wenn jedoch andere Formen wie die Auflösung in einer Speichersubstanz oder die Reformierung aus Methanol erforderlich sind, steigt die Komplexität des Teilsystems Brennstoffzellenspeicher. Da im Speichersystem eine beträchtliche Menge an Energie gespeichert wird, liegt das Hauptaugenmerk auf der sicheren und stabilen Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff.
Wie entwirft man Kontrollsysteme für Brennstoffzellen?
Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich ist, handelt es sich bei der Brennstoffzellensteuerung um ein komplexes, aber technisch sehr interessantes Gebiet, da bei der Steuerung von Brennstoffzellen-Energiesystemen die dynamische Steuerung verschiedener Teilsysteme aus den Bereichen Chemietechnik, Elektrochemie und Elektrotechnik kombiniert wird. Es müssen spezifische Algorithmen entwickelt werden, die dann als Software auf einem geeigneten Brennstoffzellensteuergerät implementiert werden.
Um geeignete Regelungsalgorithmen für Brennstoffzellen zu spezifizieren, ist es zunächst erforderlich, die Art des Regelungsproblems klar zu verstehen und zu umreißen. Im nächsten Schritt werden die besten Regelgrößen ausgewählt, um sicherzustellen, dass sich das System wie gewünscht verhält.
Auf der Grundlage der Steuerungsvariablen werden dann der Zustand der Maschine, die Steuerung des offenen/geschlossenen Regelkreises und die Alarme definiert.
Liste bestimmter Hersteller von Brennstoffzellen Steuergeräten
Diese Hersteller bieten Brennstoffzellen Controller an:
- Bosch
- Kontinentale Ingenieurdienstleistungen
- Denso
- Hyundai Kefico
- Keihin
- Schaeffler Engineering
- Siemens
- Texas Instrumente
Bücher
Letzte Aktualisierung: 20.06.2022