Thermomanagement eines Lastkraftwagens mit Brennstoffzellenantrieb

Um den Klimawandel zu verlangsamen, werden durch die europäische Gesetzgebung ab 2025 die CO2-Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge geprüft. Bis 2030 müssen die durch die Flotte emittierten CO2-Emissionen um 30 % reduziert werden. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen, kann der Einsatz eines LKWs mit Brennstoffzellenantrieb darstellen. Dieses Antriebskonzept produziert lokal keine Emissionen. Der für den Brennstoffzellenantrieb benötigte Brennstoff, Wasserstoff, kann dabei im besten Fall emissionsfrei aus Sonnenenergie gewonnen werden.
Die Anwendung eines Brennstoffzellenantriebes im schweren Nutzfahrzeugbereich ist noch nicht ausgiebig erforscht und bringt einige Herausforderungen mit sich. Die zwei größten Herausforderungen im Thermomanagement der Brennstoffzelle sind dabei die hohen abzuführenden Wärmemengen und das niedrige Temperaturniveau des Kühlmittels. Die durch das Kühlmittel abzuführenden Wärmemengen können im schlechtesten Fall genauso hoch sein wie die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Effektivleistung. Dabei muss das Temperaturniveau des Kühlmittels im Bereich von 60-80 °C gehalten werden. Eine weitere Herausforderung ist die Betriebsstrategie der Brennstoffzelle. Lastwechsel, wie auch Start-Stop Operationen schädigen die Brennstoffzelle übermäßig, wodurch ein stationärer Betrieb vorzuziehen ist. Da die Leistungsanforderung am Rad jedoch dynamisch vorliegt, muss die von dem stationären Betrieb der Brennstoffzelle fehlende Leistung durch eine Batterie bereitgestellt werden. Im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie ist zur Vermeidung einer übermäßigen Alterung die Einhaltung des Temperaturbereichs von 20-40 °C essenziell. Um dies zu gewährleisten, ist der Einsatz eines aufwendigen Thermomanagements notwendig.
Ziel dieser Arbeit ist es aus öffentlich zugänglicher Literatur eine Gesamtfahrzeugsimulation aufzubauen. Die Simulation ist dabei als Ko-Simulation mit den Programmen MATLAB Simulink und KULI ausgeführt. Die rückwärtsrechnende Fahrzeugsimulation errechnet die an der E-Maschine anliegende Leistung aus dem Geschwindigkeitsprofil und der Steigung des Fahrzyklus. Je nach Betriebsstrategie wird die elektrische Leistung der E-Maschine und der Nebenaggregate auf die Brennstoffzelle oder die Batterie aufgeteilt. In der Gesamtfahrzeugsimulation werden die Temperierung von E-Maschine, Brennstoffzelle, Batterie und der Fahrgastkabine berücksichtigt. Alle vier Teilsysteme erfordern eine Temperierung auf verschiedenen Temperaturniveaus und dadurch auch unterschiedliche Betriebsstrategien. Dadurch wird auch für jedes Subsystem ein eigener Kreislauf modelliert. Die Kopplung einiger Kreisläufe ermöglicht beispielsweise die Abwärmenutzung der Brennstoffzelle zur Beheizung der Fahrgastkabine.
Die Fahrzeugsimulation wird mit zwei klimatischen Randbedingungen, eine für den Sommer und eine für den Winter ausgeführt. Dabei werden zwei Fahrzyklen berücksichtigt. Zum einen ein Überlandzyklus und zum anderen ein Hochlast Zyklus, der eine lange Bergaufpassage beinhaltet. Es wird eine Analyse der Betriebsstrategie der Brennstoffzelle durchgeführt. Dabei wird zwischen einer brennstoffzellendynamischen und einer brennstoffzellenstationären Strategie unterschieden. Letztere erwies sich als vorteilhafter und wurde zur Evaluierung der Kühlkreisläufe verwendet. Die Wärmetauscher und Kühlmittelpumpen der Kreisläufe wurden mittels einer Optimierung in KULI ermittelt. Dabei muss die Kühlerfläche der Brennstoffzelle rund 1,3 m² betragen. Die Evaluierung der Kühlkreisläufe bestätigte die Leistungsfähigkeit des Thermomanagement-Konzepts. In einer abschließenden Energiebilanz wurde ein Gesamtfahrzeugwirkungsgrad von 40,19 % Prozent im Sommer und 40,39 % im Winter festgestellt.