In den Stapel reinhorchen

Stack-Monitoring liefert wertvolle Informationen

Eine automobiltaugliche Brennstoffzelle wird getestet, © ZSW

Die Einzelzellspannungen eines Brennstoffzellen-Stapels erlauben tiefe Einblicke in das Innenleben eines Stacks. Ein Monitoring-System ermöglicht es, kritische Betriebszustände rechtzeitig zu entdecken und schnell darauf zu reagieren. Aus diesem Grund werden BZ-Fahrzeuge für gewöhnlich mit einem Überwachungssystem ausgerüstet. Bevor es in die Serienfertigung der Systeme gehen kann, müssen allerdings die Kosten weiter gesenkt werden. Dafür muss auch die Montage stärker automatisiert werden.

Die wichtigste Anforderung an ein Cell-Voltage-Monitoring-System, kurz CVM, sei die Verfügbarkeit des Systems, betont Markus Schuster. „Das System muss einfach funktionieren“, so der Business Line Manager, E-Cell Electronics bei der Firma Smart Testsolutions aus Stuttgart. Robustheit, Langlebigkeit sowie Störfestigkeit stünden in Bezug auf die Produktmerkmale eindeutig im Vordergrund, was einen hohen technischen Anspruch an das Produkt bedeute, weiß der Manager.

Viele gängige CVM-Systeme überwachen nur das gesamte BZ-Stack. Bei einer Störung lässt sich dann aber nicht eindeutig sagen, wo genau das Problem liegt. Eine Überwachung jeder einzelnen Zelle dagegen bietet die Möglichkeit, direkt in einen BZ-Stapel hineinzuhören. So kann nicht nur festgestellt werden, dass ein Stack ein Problem hat, sondern man kann auch lokalisieren, wo dieses auftritt. So wird erkannt, welche Zelle oder welche Zellgruppe Komplikationen aufweist. „Die Daten aus dem CVM eignen sich daher dafür, sie in die Betriebsstrategie, beispielsweise eines Fahrzeugs, zu integrieren. Es lassen sich kritische Betriebszustände identifizieren und ein Stack rechtzeitig abschalten, bevor irreversible Beschädigungen auftreten können“, beschreibt Schuster die Vorteile.

HOC

Hyundai und Toyota haben fertige Serienlösungen

Ein Messsystem von Smart Testsolutions besteht aus 1 bis 42 Spannungserfassungsmodulen, die je über zehn Kanäle verfügen. So können bis zu 420 einzelne Zellen eines BZ-Stacks synchron abgetastet werden. Die große Herausforderung für ein CVM, das in Serie produziert wird, liege in der Wirtschaftlichkeit des einzelnen Kanalpreises, beschreibt Schuster. Vor allem, wenn eine Lebensdauer von bis zu 18.000 Stunden und die damit verbundenen Zertifizierungen gefordert würden. Das kostet die Hersteller aber eine Menge Geld, das wieder eingespielt werden muss.

Im Bereich der Forschung und Entwicklung sowie für den Prüfstandbetrieb existieren derzeit mehrere Lösungen am Markt. „Bislang waren dies häufig proprietäre Lösungen einzelner Anbieter, welche nicht frei am Markt käuflich waren“, so Schuster. Inzwischen nimmt die Anzahl an Anbietern aber zu. Im Serienbereich existieren fertige Lösungen bei den beiden großen asiatischen Autokonzernen Hyundai und Toyota.

Größe und Gewicht im Auto entscheidend

Samuel Guesne arbeitet als System Department Manager bei der Firma DAM Group ebenfalls an einer Monitoring-Lösung. „Es ist eine große Herausforderung, ein zuverlässiges, preiswertes und einfach zu integrierendes CVM herzustellen. Dennoch ist es unentbehrlich und spielt eine entscheidende Rolle“, beschreibt Guesne. Für die Hersteller geht es vor allem darum zu wissen, ob die eingebaute Brennstoffzelle einwandfrei funktioniert. Zu diesem Zweck kann das CVM zur Spannungsmessung zwischen den Bipolarplatten verwendet werden. Über die Rückmeldung der gesammelten Daten kann zudem der Steuerbefehl an die Zelle angepasst und verbessert werden. Und über ein Kommunikationsprotokoll bekommt der Fahrer in Echtzeit Informationen über den Betriebszustand.

Die französische DAM-Gruppe arbeitet derzeit an einem Monitoringsystem, das sich an möglichst viele Brennstoffzellen anpassen kann. Das Produkt sollte daher in Bezug auf Gewicht und Größe gut in das Fahrzeug passen und relativ schnell auf der Brennstoffzelle montiert werden können. Man befinde sich derzeit in einer Entwurfs- und Validierungsphase ihres Systems und arbeite dabei eng mit mehreren Partnern zusammen, berichtet Guesne.

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Autor: Niels Hendrik Petersen

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