Bewertung von effizienzsteigernden Maßnahmen mit der verschachtelten Optimierung für automobile Brennstoffzellenantriebe

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Florian Uhrig

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In den letzten Jahren wurden zahlreiche Maßnahmen zur Effizienzsteigerung von automobilen Brennstoffzellenfahrzeugen veröffentlicht. In dieser Arbeit werden Energieeinsparpotentiale bei gleichzeitiger Anwendung mehrerer Maßnahmen auf einen Brennstoffzellenantriebsstrang über einen Zyklus bewertet. Es werden die variable Zwischenkreisspannung, die aktive Phasenschaltung in den Gleichspannungswandler bei unterschiedlichen Hochvolttopologien und Hybridisierungsgraden mit der verschachtelten Optimierung betrachtet. Zur Berechnung der Betriebsstrategie wird das Pontryagin's Minimum Principle und die Dynamische Programmierung herangezogen. Um fluktuierende Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem zu unterbinden, wird die Dynamische Programmierung um die Berücksichtigung des Brennstoffzellensystemzustands erweitert. Die daraus resultierende Betriebsstrategie reduziert die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge des Brennstoffzellensystems für einen Hybridisierungsgrad von 0,7 und einer Hochvolttopologie mit zwei Gleichspannungswandler um 48 % während der Energieverbrauch lediglich um 1,2 % ansteigt. Dabei resultiert aus der variablen Zwischenkreisspannung das Energieeinsparpotential von 1,7 % und für die aktive Phasenschaltung in den Gleichspannungswandlern von 0,3 % über den Fahrzyklus. Anschließend wird die Auslegung der Strömungsmaschinen angepasst, um so den Brennstoffzellensystemwirkungsgrad im Teillastbereich um 1 % zu steigern. Bei maximaler Leistung des Brennstoffzellensystems kann die parasitäre Leistung der Luftversorgung durch eine Stufenaufladung nochmals um 20 % gesenkt werden. Abschließend werden anhand von Sankey-Diagrammen die Änderungen in den Energieflüssen des Brennstoffzellenantriebsstrangs dargestellt.