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Hydrogen-powered vehicle prototype by Fortis Saxonia, developed with DYNA4 fuel cell simulation

Brennstoffzellensimulation mit DYNA4

Fallstudie Fortis Saxonia

Brennstoffzellensimulation mit DYNA4

Das Team Fortis Saxonia der TU Chemnitz entwickelt wasserstoffbetriebene Fahrzeugprototypen und nimmt mit ihnen an Wettkampfrennen teil. Dabei benutzt Fortis Saxonia Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Das Ziel in den Wettkämpfen ist ein möglichst geringer Wasserstoffverbrauch.

 

Kundenzitat

"Wir haben das DYNA4-Brennstoffzellenmodell implementiert, um den Temperatur- und Luftstromregler unseres Brennstoffzellen-Stacks zu validieren und zu kalibrieren. Die Simulationsergebnisse entsprachen sehr gut den Prüfstandsmessungen und den Realfahrten, sogar in transienten Phasen.“
Nico Junghanns, Antriebsentwicklung, Fortis Saxonia e.V., April 2021

 

Die Herausforderung

H2-Verbrauchsoptimierung unter realen Rennbedingungen

Dazu wird unter anderem die Steuerung der Brennstoffzelle optimiert. Hier ist als Kontrollgröße vor allem die Lüfteransteuerung der Brennstoffzelle wichtig, da diese gleichzeitig das Oxidationsmittel Sauerstoff für den Reaktionsprozess zuführt und  die optimale Brennstoffzellentemperatur einstellen soll. Eine Optimierung anhand von Messfahrten ist aufwändig  und erfolgt stattdessen vorab mittels SIL (Software-in-the-Loop). Dazu muss das Zellenverhalten während eines Fahrzeugrennens realistisch abgebildet werden und das Brennstoffzellenmodell echtzeitfähig und hinreichend genau sein. 

Die Lösung

DYNA4 mit Brennstoffzellenmodell

Validierung des Brennstoffzellen-Modells: Messdaten in Blau, Simulation in Rot.
Validierung des Brennstoffzellen-Modells: Messdaten in Blau, Simulation in Rot.

DYNA4 bietet eine umfangreiche und modulare Simulink-Modellumgebung für die Fahrzeugsimulation. Es wird ein Fahrzeugmodell von DYNA4 inklusive Brennstoffzelle anhand von Messdaten validiert (siehe Validierung) und dann für virtuelle  Rennfahrten verwendet.

Entscheidend für eine erfolgreiche Optimierung ist ein physikalisches Brennstoffzellenmodell. Für die Zellspannung wird dieser Ansatz verwendet:

Polarisationskurve einer Brennstoffzelle
Polarisationskurve einer Brennstoffzelle

Der Spannungsverlauf unter Last hängt nur stark idealisiert ausschließlich vom Strom ab (siehe Polarisationskurve). Insbesondere unter Rennbedingungen sind die Abhängigkeiten aber deutlich komplexer, da unter anderem die Zelltemperatur eine große Rolle spielt. Durch Parameterfitting anhand von Messdaten, lässt sich der reale Spannungsverlauf mit seinen teils hochgradig nichtlinearen Gleichungsbestandteilen erfolgreich abbilden. Als Temperaturmodell wird ein Wärmebilanzmodell aus der klassischen Strömungsmechanik verwendet.

 

Die Vorteile

  • Optimierung des Steuergerätecodes per Simulation
  • Reduzierung von aufwändigen Messfahrten bzw. Rennauswertungen
  • Zeitersparnis bei der Optimierung des Brennstoffzellenwirkungsgrades über die Lüfteransteuerung
  • Flexibler Aufbau des Simulationsmodells dank modularer Simulink-Bibliotheken

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Felix Beygang
Helping to simplify closed-loop simulations. From MIL, SIL to HIL.

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