Hochvolt-Spannungswandler und Onboard-Charger in einem Produkt
FACHWISSEN
Brennstoffzelle
Von Wasserstofffahrzeugen mit Brennstoffzelle wird seit Jahrzehnten gesprochen. In der Zwischenzeit sind auch einige Fahrzeuge auf dem Markt. Aber die Regelung der Brennstoffzelle erfordert sehr viele exakt arbeitende Sensoren und Aktoren und dazwischen eine wohlprogrammierte Elektronik.
TECHNIK
Genau hingeschaut bei Crashtests
Eine neue Anlage nimmt bei Crashtests Hochgeschwindigkeits-3D-Aufnahmen im Inneren des Versuchsfahrzeugs auf.
Gut eingepackte Zellstapel
Mit Cell-Caps und Cell-Envelopes bieten zwei neue Produktlinien für prismatische Batteriezellen technische Vorteile für die Hersteller.
Besseres Reifenrecycling
Ein weiterentwickeltes Verfahren ermöglicht es, die Vulkanisation in Gummimaterial zu grossen Teilen rückgängig zu machen.
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LICHT AUS DEM NICHTS: LED-AUF-FOLIE-TECHNOLOGIE
SOLL DIE AUTOMOBILBELEUCHTUNG NEU DEFINIEREN
AMS Osram hat den nächsten Schritt in der Entwicklung seiner AliyosLED-auf-Folie-Technologie bekanntgegeben: die Einführung eines neuen Ansatzes zur Integration von LED-Folien in Automobilanwendungen. Das wegweisende Verfahren kombiniert die Aliyos-Technologie mit den Technologien In-Mold Decoration (IMD) und Functional Foil Bonding (FFB) von Leonhard Kurz, einem Experten im Bereich der Dünnschichttechnologie. In einem dem Spritzguss nachgelagerten FFBHeissprägeprozess werden AliyosLED-Folien mittels Hitze und Druck hinter verschiedenen Blenden integriert. In Kombination mit der Oberflächendekoration mittels IMD entsteht eine einzigartige Designflexibilität: Licht kann aus Oberflächen auf unterschiedliche Weisen austreten, die zuvor undenkbar waren. Damit
Mit dem neuesten Demonstrator werden Aliyos-LED-Folien hinter verschiedenen Blenden integriert – kombiniert mit den IMD- und FFB-Technologien von Leonhard Kurz.
entstehen völlig neue Möglichkeiten in der Automobilbeleuchtung.
In Kombination mit den FFB- und IMD-Technologien zeigt ein AliyosDemonstrator vier verschiedene, extrem dünne Lichtpaneele, von denen
MIT EINZIGARTIGEM
Feststoffbatterien nutzen statt des flüssigen Elektrolyten ein festes Elektrolytmaterial. Das bietet Vorteile wie eine höhere Energiedichte und eine geringere Brandgefahr. Auf der Materialebene ergibt sich die höhere Energiedichte der Zelle aus der Einführung einer dünnen Lithium-Metall-Anode zusammen mit einem ausreichend dünnen Festelektrolyt-Separator. Die Entwicklung einer kosteneffizienten Architektur für die Massenproduktion dieser Zellen ist jedoch nach wie vor schwer zu erreichen.
Nun hat das «Horizon 2020»-Konsortium «SOLiDIFY» aus 14 europäischen Partnern einen Prototyp einer Hochleistungs-Lithium-MetallBatterie mit einem festen Elektrolyten entwickelt. Die Pouch-Zelle, die im hochmodernen Batterielabor von «EnergyVille» in Belgien hergestellt wurde, erreichte eine hohe
jedes einzigartige Oberflächendesigns und Lichteffekte aufweist. Mit 32 einzeln adressierbaren, roten Segmenten pro Paneel erzeugen diese Designs faszinierende Lichtmuster, die die Ästhetik und Funktionalität
der Aussen- und Innenbeleuchtung von Autos auf ein neues Niveau heben sollen. Im ausgeschalteten Zustand ist die Lichtquelle unsichtbar, so dass beim Einschalten dann ein «Licht aus dem Nichts»-Effekt entsteht.
Mit der Aliyos-LED-auf-Folie-Technologie können Segmente in beliebiger Form frei angeordnet werden. Die Helligkeit jedes einzelnen Segments kann umfassend gesteuert werden. So können Fahrzeugdesigner und -hersteller dynamische, interaktive Beleuchtungslösungen erstellen, die die Fahrzeugästhetik verbessern. Dabei müssen deutlich weniger Einschränkungen im Hinblick auf die Komplexität, Energieintensität und Baugrösse von Komponenten berücksichtigt werden – und neue Lichtfunktionen lassen sich harmonisch in die Designsprache des Autos einbinden. (pd/sag)
Die Batterie verfügt über einen neuartigen «Flüssig-Fest»-Elektrolyten, der gemeinsam von Imec, der Empa und der französischen Firma Solvionic entwickelt wurde.
Energiedichte von 1070 Wh/l, verglichen mit den 800 Wh/l heutiger Lithium-Ionen-Technologien. Die hohe Energiedichte wurde durch die Kombination einer dicken Kathode mit hoher Energiedichte (NMC, die Nickel, Mangan und Kobalt enthält) erreicht, die von einer dünnen LithiumMetall-Anode durch einen dünnen Festelektrolyt-Separator getrennt ist. Mit einem Herstellungsprozess, der bei Raumtemperatur durchführbar
ist, sich an aktuelle Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien anpassen lässt und voraussichtlich weniger als 150 € pro kWh kosten wird, verspricht dieses Verfahren einen erschwinglichen Transfer in die Industrie. Dieser Erfolg wurde durch die sorgfältige Evaluierung und Optimierung neuer Materialien und fortschrittlicher Beschichtungstechnologien erreicht. Für den Elektrolyten des Prototyps wurde ein polymerisiertes, auf einer ionischen Flüssigkeit basierendes festes Nanokompositmaterial entwickelt. Dieses ermöglichte einen einzigartigen, von der Empa zum Patent angemeldeten «Flüssig-zuFest»-Verfestigungsansatz, mit dem sich ein sehr dünner Separator von 20 μm herstellen lässt, der aber auch die Verwendung einer dicken Kathode von 100 μm Dicke und einen kompakten Batteriezellenstapel ermöglicht. (pd/sag)
NEUES LICHTLABOR NIMMT FAHRZEUGBELEUCHTUNG IN VERSCHIEDENEN SZENARIEN UNTER DIE LUPE
Die Edag Group hat an ihrem Standort in Wolfsburg ein neues Lichtlabor eröffnet. Damit adressiert der unabhängige Engineering-Dienstleister die hohen Anforderungen in der Automobilindustrie und anderen Branchen. Das Labor versetzt Edag in die Lage, viele Produkte in verschiedenen Szenarien zu bewerten. Zum Beispiel können die Experten auch Displays, beleuchtete Bedienelemente und weitere Lichtfunktionen vermessen und danach die Eigenschaften der Objekte untersuchen.
Das Alleinstellungsmerkmal des neuen Lichtlabors ist die Bauart des Photogoniometers. Dieser kann im Gegensatz zu herkömmlichen Goniometern viel grössere Bauteile bei gleichbleibender Präzision aufnehmen. Der hochpräzise Messroboter ermöglicht die Aufnahme und Vermessung grosser Bauteile und ganzer
Das neue Lichtlabor in Wolfsburg ermöglicht es der Edag Group, unterschiedliche Produkte ihrer Kunden in verschiedenen Szenarien zu bewerten.
Fahrzeugfronten beziehungsweise -hecks. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für eine realistische Analyse der Beleuchtungseigenschaften – ein wichtiger Schritt für die Optimierung der Lichtfunktionen und die Gewährleistung der Verkehrssicherheit. Um eine genaue Lichtverteilungsanalyse erstellen zu können, erfasst der Roboter einzelne Objekte in unterschiedlichen Positionen und Winkeln. Insgesamt nimmt durch
seinen Einsatz der Arbeitsaufwand enorm ab. Da der Roboter komplette Systeme vermessen kann, läuft die Evaluierung von Lichtlösungen einfacher und schneller ab, ohne an Genauigkeit einzubüssen.
Ebenfalls am Standort in Wolfsburg befindet sich das Zero Prototype Lab von Edag, in dem Kunden Fahrzeugprototypen mitsamt allen Funktionen zunächst in einem Fahrzeugsimulator abbilden, testen und verbessern können, bevor sie die Modelle bauen. In Zukunft arbeiten das Lichtlabor und das Zero Prototype Lab direkt zusammen. Durch die Integration können zuvor erfasste Lichtfunktionen im Simulator virtuell dargestellt werden. Hinzu kommen Tests unter einer Reihe von Wetterbedingungen wie beispielsweise Regen, Nebel und Schnee. Durch die Simulationen nimmt die Zahl der tatsächlichen Testfahrten signifikant ab. (pd/sag)
KOMBINATION AUS HOCHVOLT-SPANNUNGSWANDLER UND ONBOARD-CHARGER IN EINEM PRODUKT
Der internationale Automobilzulieferer Forvia Hella erweitert mit einer neuen «High Voltage PowerBox» (HV-Power-Box) sein Portfolio im Bereich der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge. Die HV-Power-Box integriert einen Hochvolt-Spannungswandler und einen OnboardCharger in einem Produkt. Während der Onboard-Charger beim Ladevorgang als Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und Stromnetz fungiert, transformiert der HochvoltSpannungswandler die 400 V bzw. 800 V Spannung in 12 V, damit die entsprechenden elektronischen Verbraucher des Fahrzeugs, vor allem sicherheitskritische Sensoren oder Komfortfunktionalitäten, betrieben werden können. Wie Forvia Hella erklärt, soll die «High Voltage PowerBox» voraussichtlich ab 2027 in Serie gehen.
Die Verbindung von Onboard-Charger und Hochvolt-Spannungswandler führt zu einer besonders hohen Leistungsdichte und Effizienz sowie zu geringeren Kosten.
Die Verbindung von OnboardCharger und Hochvolt-Spannungswandler in einem Systemansatz führt zum einen zu einer besonders hohen Leistungsdichte: Mit über 3 kW pro Liter ihres Volumens ist die HV-Power-Box darauf ausgelegt, mehr Leistung in einem kleineren Gehäuse zu liefern. Zudem erreicht sie einen Gesamtwirkungsgrad von 97 %, weist also beim Ladevorgang nur geringe Verluste auf. Durch die
Kombination von Spannungswandler und Onboard-Charger werden zum anderen Kosten für Material, Logistik und Entwicklung reduziert und die Integration in das Fahrzeug wird vereinfacht.
Konzipiert ist die HV-Power-Box zudem mit neuer Gehäusetechnologie, einem innovativen Heiz- und Kühlkonzept sowie intelligentem Design, welches auf die kostenoptimierte Fertigung in grossen Stückzahlen ausgelegt ist und zu einer signifikanten Reduktion des Gewichts um rund 20 bis 25 % führt. Ferner können in die HV-Power-Box weitere Schlüsselkomponenten für E-Mobilität integriert werden wie beispielsweise ein Hochvolt-Batteriemanagementsystem, ein sekundärer Spannungswandler, E-Fuses oder ein intelligentes Stromverteilungsmodul (intelligent Power Distribution Modul, «iPDM»). (pd/sag)
Bild:
Forvia Hella
FORVIA HELLA
Bild 1. Hyundai und Toyota bieten schon seit einigen Jahren Brennstoffzellenfahrzeuge an. Die europäischen Fahrzeughersteller kündigen sie mehrheitlich nur an. Im Bild ist der Energiewandler des Hyundai Nexo zu sehen, wie er 2018 am Autosalon in Genf ausgestellt wurde.
Brennstoffzelle
ANTRIEB DURCH WASSERSTOFF
Von Wasserstofffahrzeugen mit Brennstoffzelle wird seit Jahrzehnten gesprochen. In der Zwischenzeit gibt es auch einige Fahrzeuge auf dem Markt. Aber die Regelung der Brennstoffzelle erfordert sehr viele exakt arbeitende Sensoren und Aktoren und dazwischen eine wohlprogrammierte Elektronik. Text: Andreas Lerch | Bilder: Bosch, Hyundai, Lerch
Die Energiequelle der Zukunft ist Wasser. Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so erhaltenen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff werden auf unabsehbare Zeiten hinaus die Energieversorgung der Erde sichern. Eines Tages werden Dampfer und Lokomotiven keine Kohlebunker mehr führen, sondern Gastanks, aus denen komprimierte Gase durch Rohre in die Heizkessel strömen. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.»
Diese Zeilen hat Jules Verne in den frühen 1870er-Jahren geschrieben. Etwas früher hatte Sir William Grove das Grove-Element, einen Vorläufer der Brennstoffzelle erfunden. Auf diese Erfindung hat in den 1960er-Jahren die US-amerikanische
Raumfahrtbehörde NASA zurückgegriffen, um in den Raumschiffen elektrischen Strom für den Betrieb des Raumschiffs und Wasser für die Astronauten zu generieren. Kurz vor der Jahrtausendwende meinte die Autoindustrie, dass es bis etwa 2010 gelingen sollte, mit einem Anteil von 20 bis 25 % Brennstoffzellenfahrzeugen die Abgas- und insbesondere die CO2-Problematik des Strassenverkehrs im Griff zu haben. 2020 erklärte ein Audi-Vertreter an der Tagung «Der Antrieb von morgen», dass bei Audi die ersten Prototypen von Brennstoffzellenfahrzeugen in den Jahren 2022 oder 2023 auf die Strasse kommen würden. Seither ist viel Wasser den Rhein hinuntergeflossen und die wirtschaftliche Situation der Automobilindustrie hat sich – gerade in Deutschland – nicht
oder des Elektrolyts mit Teilen der Kathode.
unbedingt verbessert. So bleiben der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai nach wie vor die einzigen Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt. Durch das Engagement von Hyundai hat sich im Nutzfahrzeugbereich und auch in der Wasserstoffversorgung in der Schweiz auf immer noch bescheidenem Niveau etwas getan.
Vergleich Batterie
Wie bei einer Batterie wird in der Brennstoffzelle der positiv geladene Teil eines Atoms (Ion) durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite geleitet. Der negative Teil des Atoms ist das Elektron, welches auf einem Umweg durch elektrische Leiter und Verbraucher zur Kathode (Pluspol) geführt wird. Dort vereinigen sich die Teile des Atoms wieder. Häufig verbinden sich Teile der Anode
Bei einem Primärelement passiert das durch die Zersetzung der Kathode. Bei der Kohle-Zink-Batterie besteht die elektrochemisch positive Elektrode aus Kohlenstoff oder Graphit, die negative Elektrode aus Zink. Beim Entladen wird der Zinkmantel abgebaut und es kann zur Zerstörung des Bechers kommen. Dann läuft der Elektrolyt aus und oxidiert häufig die Anschlüsse des Verbrauchergerätes. Beim Akkumulator ist der chemische Vorgang reversibel und kann durch Zufuhr von elektrischer Energie wieder rückgängig gemacht werden. Bei der Brennstoffzelle werden laufend neuer Wasserstoff und neuer Sauerstoff zugeführt. Der Vorgang ist also auch nicht reversibel, aber solange der Tank nicht leer ist, funktioniert das System weiter. Aus diesem Grund gelten Brennstoffzellen als Energiewandler und nicht als Energiespeicher, obwohl sie in ihrem chemischen Aufbau den Akkumulatoren mit Anode, Kathode und Elektrolyt sehr ähnlich sind. Durch die räumliche Trennung zwischen Energiespeicher (Wasserstofftank) und dem für die Systemleistung verantwortlichen Energiewandler (Brennstoffzelle) entsteht ein Freiheitsgrad, welcher es den Entwicklern erlaubt, das System zwischen Energie und
Bild 2. Der negative Teil (Anode) wird mit Wasserstoff versorgt, der positive Teil (Kathode) mit Sauerstoff.
In der vereinfachten Darstellung gemäss Bild 3 bilden die beiden Bipolarplatten den äusseren Abschluss einer einzelnen Brennstoffzelle. Sie verfügen über Kanäle, welche den Wasserstoff (10) zur Anode (5) und den Sauerstoff (8) zur Kathode (3) leiten und bestehen aus Graphit oder aus Metall. Dabei wird kathodenseitig das entstehende Wasser abgeleitet (9). Durch diese Konstruktion haben die Gase mit der gesamten Fläche der Elektroden (3 und 5) Kontakt, was für eine effiziente Funktion sehr wichtig ist. Diese aktiven Flächen haben bei einer Brennstoffzelle für den Fahrzeugantrieb ungefähr eine Grösse von 240 bis 300 cm2. Die Bipolarplatten weisen auf der Aussenseite (der den Elektroden abgewandten Seite) ebenfalls Nuten zur Gasleitung
auf. Das bedeutet, dass hinter der Position 1 und vor der Position 2 erneut eine Membran-ElektrodenBaugruppe angebracht wird und so ein Brennstoffzellenstack entsteht und vergrössert werden kann. Den Namen erhalten die Bipolarplatten, weil sie auf der einen Seite als Anode und auf der anderen Seite als Kathode arbeiten, so dass also von oben nach unten Wasserstoff und von links nach rechts Sauerstoff strömt.
Die Hauptteile der Brennstoffzelle sind neben der Membran (4) die beiden Elektroden. Die Membran entspricht dem Elektrolyten bei einem Akkumulator oder einer Batterie. Im Prinzip handelt es sich um einen Festelektrolyten, da die Membran Ionen leiten kann, Elektronen jedoch den Weg verwehrt. An den Festelektrolyten wird im Zusammenhang mit hocheffizienten Li-Ionen-Batterien viel geforscht und entwickelt. Bei der Brennstoffzelle
handelt es sich um eine Polymermembran (PEM), welche eine Dicke von ungefähr 0.1 mm aufweist. Die Elektroden bestehen aus Kohlenstoffplatten, welche mit einer sehr dünnen Schicht Platin überzogen sind. Das Edelmetall wirkt dabei als Katalysator. An der Anode werden damit die Wasserstoffatome in positive Wasserstoffionen und negative Elektronen aufgespalten (Oxidation). An der Kathode hilft der Katalysator, dass die kalte Verbrennung stattfinden kann und sich Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verbinden können. Die Wasserstoffionen werden vom Festelektrolyten zur positiven Elektrode (Kathode) durchgelassen. Da aber die Verbindung mit Sauerstoff nur stattfinden kann, wenn die beiden Elektronen der Wasserstoffionen auch an der Reaktion teilnehmen (Reduktion), müssen diese über den Umweg der elektrischen Leitung und über einen Verbraucher zu Kathode
gelangen. Da sich Wasserstoff und Sauerstoff unbedingt verbinden wollen, ergibt sich eine Kraft, welche auf den Elektronenfluss wirkt und die Elektronen zur Kathode zieht. In der Elektrotechnik wird diese Kraft Spannung genannt. Die Anzahl der Elektronen, welche durch die Kraft durch den Stromkreis gezogen werden, stellen den Stromfluss oder die Stromstärke dar.
Gasdiffusionslagen
Zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Baugruppe befindet sich heute üblicherweise noch eine Gasdiffusionslage, welche für den korrekten Betrieb der Brennstoffzelle fast unerlässlich ist. Sie besteht aus grafitiertem Papier, Stoff oder Filz und hat die Aufgaben, einerseits die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff, andererseits aber auch die Elektronen von den Bipolarplatten zu den katalytischen Schichten zu leiten. Gleichzeitig müssen die Reaktionsprodukte Wasser und Abgas von der katalytischen Schicht weggeleitet und die Wärme aus den Membran-Elektroden-Baugruppen zu den Kühlkanälen in den Bipolarplatten abgeführt werden. Natürlich muss auch die Leitfähigkeit zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Baugruppe hoch gehalten werden. Die Gasdiffusionslage muss also sowohl elektrisch wie auch thermisch gut leiten, sie muss porös sein und zur Unterstützung des Wassermanagements ein wasserabweisendes Verhalten aufweisen. Dazu muss sie komprimierbar, aber auch elastisch sein.
Brennstoffzellensystem
Da Brennstoffzellen im Gegensatz zu Batterien nach aussen offen sind, können oder müssen die Reaktionsgase zu- und abgeführt werden. Das macht das Brennstoffzellensystem viel komplizierter. Bild 4 weist auf die drei Subsysteme Wasserstoffversorgung (Anoden-Subsystem), Luftversorgung (Kathoden-Subsystem) und
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Bild 4. Die schematische Darstellung der Zu- und Abflüsse und nötigen Regelungen an einer Brennstoffzelle: 1 Wasserstofftank –2 Absperrventil – 3 Rezirkulationsgebläse – 4 Druckregelventil – 5 Purge-Ventil – 6 Abscheiderventil – 7 Wasserabscheider –8 Wasserstoffzufluss zur Anode – 9 Elektrolyt – 10 Luftzufuhr zur Kathode – 11 Ionentauscher –12 Kühler – 13 Thermostat –14 Kühlmittelpumpe – 15 Luftfilter – 16 Luftverdichter – 17 Ladeluftkühler – 18 Befeuchterbypass – 19 Befeuchter –20 Drosselklappe – 21 Bypassklappe.
Kühlung oder Thermomanagement (thermisches Subsystem) hin.
Der Wasserstoffkreislauf wird durch das Druckregelventil 4 bei ca. 10 bar gehalten. Die homogene Verteilung des Gases im Brennstoffzellenstapel hat Einfluss auf die Lebensdauer des Energiewandlers. Daher wird während des Betriebs ein ständiger Wasserstoffkreislauf aufrechterhalten. Nach dem Wasserabscheider wird das Gas über das elektrisch angetriebene Rezirkulationsgebläse wieder ins System integriert.
Die wesentlichen Komponenten der Luftversorgung sind der Luftverdichter und der Gas-Gas-Befeuchter. Brennstoffzellen arbeiten nur optimal, wenn die Luft eine gewisse Feuchte aufweist. Da die Luft verdichtet ist, wurde sie auch erwärmt und ausgetrocknet. Kathodenseitig wird aber als Verbrennungsprodukt Wasser(-dampf) abgeführt. Mit diesem kann die Luft im Gas-GasBefeuchter behandelt werden. Ein Feuchtesensor misst das Resultat und steuert einen geschlossenen Regelkreis. Die Luftfeuchte garantiert auch, dass die Membrane die
nötige Feuchtigkeit für eine optimale Arbeit aufweist. Der für die Reaktion nötige Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen. Im Luftfilter wird die Luft gereinigt und in einem Luftmassenmesser gemessen. Der Kathodenverdichter komprimiert die Luft auf ungefähr zwei bar.
Das Druckverhältnis zwischen Wasserstoff und Luft muss sehr exakt überprüft und nachjustiert werden, damit die Brennstoffzelle keinen Schaden nimmt. So sind Sensoren vor und nach den Anoden und Kathoden eingebaut. Damit ist die Elektronik ständig über alle Temperaturen und Drücke informiert.
Das Thermomanagement stellt sicher, dass die Gasströme richtig temperiert sind. Gerade der Luftstrom, welcher komprimiert wird, muss bei kalten Temperaturen noch weiter erwärmt werden, bei höheren Aussentemperaturen ist dagegen eine Abkühlung des Luftstromes nötig. Da die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle um die 85 °C liegt, muss die Kühlleistung gegenüber einem Verbrennungsmotor effizienter sein. Der Verbrennungsmotor gibt ja einen grossen Teil seiner
bzw. Leistungswünschen des Fahrers anpasst. Das Steuergerät (oder die Steuergeräte) bestimmt dazu die gewünschte Leistung und stellt die Massenströme der Gase und deren Drücke entsprechend ein. Beim Wasserstoff kann das über das Druckregelventil sehr schnell erfolgen. Luftseitig ist es aber aufwendiger, weil zuerst über den E-Motor der Luftverdichter beschleunigt werden muss, dann müssen dazu die Lufttemperatur und -feuchte eingestellt werden. Erst danach ist die Brennstoffzelle gasseitig bereit, die neue Wunschleistung zu liefern.
Wärmeenergie über Strahlung vom Motorgehäuse oder von der Auspuffanlage an die Umwelt ab.
Regelung
Das Ziel der Brennstoffzellenregelung muss sein, dass die Brennstoffzelle immer im sicheren Bereich läuft, dass sie immer im Bereich der optimalen Wirkungsgradlinie betrieben wird und dass sie sich möglichst schnell den Drehmoment-
Anhand der Wirkungsgradkurve muss dann auch die Brennstoffzellenkühlung angepasst werden. Auch wenn sich die Brennstoffzelle in der Nähe ihres Wirkungsgradbestpunktes von ungefähr 60 % befindet, müssen 40 % der chemischen Leistung des Wasserstoffes von der Kühlung weggeführt werden. Da es bei der Brennstoffzelle keinen heissen Auspuff gibt, welcher einen guten Teil der Abwärme sicher wegführt, muss die Flüssigkeitskühlung sehr ausgeklügelt ausgeführt sein. Da sich die Kühlkanäle sogar im Brennstoffzellenstack befinden, muss die Kühlflüssigkeit auch ionenfrei sein und darf elektrischen Strom nicht leiten.
Bild 5. Die wichtigsten Kennlinien einer einzelnen Brennstoffzelle.
Diagramm
Das Diagramm in Bild 5 zeigt den Spannungs-, den Leistungs- und den Wirkungsgradverlauf einer Brennstoffzelle. Weil die Kurven über der Stromdichte aufgezeichnet sind, gibt es im Diagramm keine Stromkurve. Dass die Leistungskurve bei null beginnt und endet, hängt damit zusammen, dass die elektrische Leistung mit dem Produkt aus Spannung mal Stromstärke dargestellt wird. Am linken Diagrammrand beträgt die Stromdichte 0 A/cm2, so kann die Spannung beliebig hoch sein, das Produkt bleibt null. Am rechten Diagrammrand ist die Brennstoffzelle hoch belastet und die Spannung fällt auf null. Daher ergibt sich auch hier keine Leistung. Die Spannung ist belastungsabhängig. Je stärker die Brennstoffzelle belastet wird, desto mehr fällt die Spannung zusammen. Dieser Effekt ist ja auch von der Batterie her bekannt.
Die Wirkungsgradkurve verläuft einigermassen proportional zur Spannungskurve. Der Brennstoffzellenwirkungsgrad ist definiert als Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung (rote Kurve in Bild 5) und der Energie des pro Zeiteinheit zugeführten Wasserstoffes. Den besten Wirkungsgrad von etwas über 60 % erreichen Brennstoffzellen im Niederlastbereich. Um also den Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten, müssten Brennstoffzellen extrem überdimensioniert sein. Dies ist aber durch die Produktionskosten nicht vernünftig. So gilt es also, den Brennstoffzellenstack möglichst optimal auf ein Fahrzeug abzustimmen und mit einer Batterie jene Betriebspunkte abzudecken, welche durch die Brennstoffzelle schwer erreichbar sind.
Brennstoffzellenhybrid
Aus diesem Grund sind die Brennstoffzellenfahrzeuge in der Regel Hybridfahrzeuge mit ziemlich kleinen Traktionsbatterien. Die Hybridart ist seriell-parallel (vgl. AUTO&Technik 9/2024). Die verschiedenen Modi
Bild 6. Die Hybridmodi, welche mit einem Brennstoffzellenfahrzeug realisiert werden können. Ob immer alle aktiv geschaltet werden können, entscheidet grundsätzlich der Fahrzeughersteller. Gerade für das elektrische Fahren muss die Batterie doch eine gewisse Mindestkapazität aufweisen.
lassen sich mit dem Verbrennungsmotor (und einem Generator) oder eben mit der Brennstoffzelle realisieren.
So kann mit Brennstoffzellenfahrzeugen batterieelektrisch gefahren werden. Da die Batterien in der Regel nur kleine Kapazitäten aufweisen, sind die so zu realisierenden Reichweiten nur gering. Ist die Kapazität verbraucht, muss die Batterie geladen werden. Dies geschieht im Lademodus, wenn dazu nicht gefahren wird, oder im Fahrmodus, wenn die Brennstoffzelle mehr elektrische Energie liefert, als das Fahrzeug verbraucht. Da die Regelung der Brennstoffzelle nicht ganz einfach ist, wird dieser Fall oft eintreten. Ist dann die Hochvoltbatterie wieder geladen, kann das Fahrzeug erneut batterieelektrisch weiterfahren. Es gibt auch die Möglichkeit, dass die Brennstoffzelle die geforderte Leistung genau einstellen kann und dass das Fahrzeug dann im Brennstoffzellenmodus fahren kann. Wird stark beschleunigt, kann die Brennstoffzelle kaum so schnell nachregeln und mehr Leistung bringen, deshalb wird in dieser Situation der Assist- oder Boost-Modus eingeschaltet: Brennstoffzelle und
Traktionsbatterie liefern die Beschleunigungsenergie gemeinsam an die Leistungselektronik und die E-Maschine. Beim Bremsen kommt es zum Rekuperieren. Das ist ebenfalls ein wichtiger Grund, weshalb Brennstoffzellenfahrzeuge in Hybridbauweise aufgebaut sind. Die Brennstoffzelle ist – wie erwähnt – ein Energiewandler und kein Energiespeicher. Somit könnte die kinetische Energie, welche in der E-Maschine in elektrische Energie umgewandelt wird, nicht gespeichert werden. Somit sind die heutigen Brennstoffzellenfahrzeuge technisch sehr gut aufgestellt. Leider ist das Wasserstofftankstellennetz immer noch sehr bescheiden, und wenn man eine halbe Stunde fahren muss, um zu einer Tankstelle zu gelangen, kann das ein entscheidender Hinderungsgrund sein, ein derartiges Fahrzeug anzuschaffen. Auf der anderen Seite sind die Wasserstofffahrzeuge immer noch sehr teuer und es fehlen – wie auch bei den batterieelektrischen Fahrzeugen –die kostengünstigen Kleinwagen. Bevor diese am Markt erscheinen, werden sich noch viele Autofahrer beim Ersatz ihres Fahrzeuges erneut
für ein benzin- oder dieselbetriebenes Auto entscheiden und hoffen, dass die Fahrzeuge mit alternativen Antrieben bis zum nächsten Fahrzeugwechsel kostengünstiger werden.
FRAGEN
1. Wie unterscheidet sich eine Brennstoffzelle von einer Batterie?
2. Ordnen Sie die Ausdrücke der Anode bzw. der Kathode zu: Elektronenüberschuss, Wasserstoff, Minuspol, Sauerstoff, Oxidation, Elektronenmangel, Reduktion, Abspaltung von Elektronen, Aufnahme von Elektronen, Pluspol.
3. Warum ist der Wirkungsgrad nicht im Punkt der maximalen Leistung am grössten?
1. Vom Maschinenzentrum gegen aussen zum Umfang.
2. Im Prinzip ja, die Einheit wird dann kWh/kWh und bedeutet: Wie viele kWh werden elektrisch zugeführt, damit eine kWh mechanisch weitergeleitet werden kann.
3. Mit den ungefederten Massen und mit dem Platz für die Radbremsen.
Crashtests
GENAU HINGESCHAUT
Eine neue Anlage nimmt bei Crashtests Hochgeschwindigkeits-3D-Aufnahmen im Inneren des Versuchsfahrzeugs auf und zeigt so die Verformung und Bewegung von Fahrzeugkomponenten während eines Aufpralls, wie es bisher nicht oder nur eingeschränkt möglich war. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Fraunhofer IOF
Das «goCRASH3D» genannte System ist nicht gänzlich neu, denn am FraunhoferInstitut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF wird bereits seit mehr als zehn Jahren an der Erfassung von 3D-Daten mit Hochgeschwindigkeitskameras gearbeitet. Ein solches System besteht im Allgemeinen aus zwei Kameras, einer Beleuchtung und einem Computer, wobei der Knackpunkt dabei eigentlich nicht die Kamera, sondern die Beleuchtung sei, wie Projektleiter Kevin Srokos erklärt. Und genau dafür haben die Forschenden am Fraunhofer IOF schon vor Jahren die GOBO-Technologie aus der Bühnentechnik für ihre Zwecke weiterentwickelt, bei der eine Scheibe mit einem unregelmässigen Streifenmuster vor einer starken Lichtquelle rotiert. Durch die rotierende Scheibe ergibt sich ein nicht periodisches Sinusmuster auf dem zu messenden Objekt, wodurch sich Punkte in den Bildern der
Kameras, die unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt schauen, eindeutig zuordnen lassen. Aus der Position der Kameras und dem Versatz der Bildpunkte werden die 3D-Koordinaten für die Punkte der Aufnahmen berechnet.
Diese Anlage wurde von den Forschern bereits sehr früh in der Automobilindustrie getestet. «Damals konnte man mit dem System das Entfalten eines Airbags zeitaufgelöst verfolgen», berichtet Srokos. «Bereits 2017 gab es aber auch die Idee, das System in das Innere des Fahrzeuges zu verlagern.» In einem gemeinsamen Projekt mit einem grossen deutschen Automobilhersteller hat das Fraunhofer IOF dafür einen Demonstrator aufgebaut, der nun seit 2023 für Tests beim Projektpartner eingesetzt wird. Hier lassen sich mit «goCRASH3D» Vorgänge zum Beispiel im Fussraum beobachten, die vorher nicht oder nur sehr eingeschränkt zugänglich waren. Auch Bereiche, die der sich
entfaltende Airbag verdeckt, können so verfolgt werden.
1200 berechnete 3D-Bilder pro Sekunde Der Beleuchtung kommt auch beim Einsatz von «goCRASH3D» im Fahrzeug eine entscheidende Rolle zu: «Je kürzer die Belichtungszeit, desto stärker muss die Beleuchtung sein», so Srokos; im konkreten Fall werde
eine Einzel-LED mit 15’000 lx Leuchtstärke benutzt. Die beiden Kameras liefern jeweils 12’000 Bilder pro Sekunde mit 512 x 512 Pixeln. Daraus berechnet der Computer etwa 1200 3D-Bilder pro Sekunde. Das Bildfeld in den Versuchen war 70 x 70 cm2 in einem Meter Abstand, wobei diese Parameter an die Versuche angepasst werden können. Zum Einbau in das Versuchsfahrzeug ist die Anlage mit zwei Kameras und der Beleuchtungseinheit in einem Rahmen montiert, in dem die Komponenten über Elastomerpuffer gegen die Beschleunigung geschützt sind. Dadurch kann das System Beschleunigungen bis zu 200g und Schocks bis 60g regelmässig standhalten. Der Rahmen wird dafür im Fahrzeug fest montiert. Momentan wird das System beim Projektpartner genutzt und am Fraunhofer IOF weiterentwickelt. Am Institut wurden die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen auch schon mit weiteren Kameras gekoppelt, so dass die 3D-Bilder mit zusätzlichen spektralen Informationen verbunden werden konnten. Und obwohl das «goCRASH3D»-System für und mit der Automobilbranche entwickelt wurde, könne man sich auch andere Anwendungen etwa im Sicherheitsbereich oder in der Sportmedizin vorstellen, so Kevin Srokos. Mittelfristig passe die Technik hervorragend zu den wachsenden Sicherheitsansprüchen im Automobilbereich.
Mit zwei Kameras (links und rechts) und einer starken Beleuchtung (Mitte) werden bis zu 12’000 2D-Bilder pro Sekunde erfasst, aus denen etwa 1200 3D-Bilder errechnet werden.
Ganz nah dran: Das «goCRASH3D»-System schaut mit seinen Kameras auf den Dummy.
Die Cell-Envelopes und Cell-Caps ergänzen das umfangreiche Freudenberg-Produktportfolio für Batterien.
Traktionsbatterie
GUT EINGEPACKT
Mit Cell-Caps und den Cell-Envelopes, einer vliesstoffbasierten Umhüllung des Zellstapels, hat Freudenberg Sealing Technologies zwei neue Produktlinien für prismatische Batteriezellen vorgestellt, die den Herstellern technische Vorteile bieten sollen.
Bilder: Freudenberg Sealing Technologies
Freudenberg Sealing Technologies will Batteriehersteller mit innovativen Lösungen unterstützen, die die Zuverlässigkeit der Zellen erhöhen, zu einer längeren Lebensdauer sowie einer grösseren Designfreiheit beitragen und das Zelldesign vorantreiben können. Mit seinen Cell-Caps und CellEnvelopes hat das Unternehmen nun zwei entsprechende Produkte zur Serienreife gebracht.
Die Cell-Envelopes sind aus Vliesstoffen gefertigt, die den Zellstapel umhüllen und – wie herkömmliche Folien auch – den Stack bei der Montage schützen und elektrisch isolieren. Darüber hinaus bieten die Vliesstoffe jedoch erhebliche technische Vorteile gegenüber den heute eingesetzten Standardfolien. Denn
die faserbasierten Cell-Envelopes bilden eine ultrahomogene dreidimensionale Porenstruktur; die Fasern selbst sind durch eine Oberflächenbehandlung dauerhaft benetzbar für den Elektrolyten. Dies reduziert bei der Befüllung der Zelle die Gefahr des Einschlusses von Gasblasen und trägt dazu bei, dass der Stack benetzt bleibt. Aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit ermöglichen elektrolytgefüllte Vliesstoffe im Vergleich zu Folien zudem ein besseres Wärmemanagement in der Zelle. Hinzu kommt, dass die benetzbare Porenstruktur des Envelopes – ähnlich wie bei einem Schwamm – ein zusätzliches Elektrolytreservoir in der Zelle darstellt. Bei Kompression wird der Elektrolyt wieder freigesetzt. Dies passiert vor allem während der
Alterung der Batteriezelle – also genau dann, wenn zusätzlicher Elektrolyt benötigt wird. Als Kompressionselement können Envelopes aus dickeren Vliesstofflagen die Verdickung des Zellstacks innerhalb der Zelle teilweise kompensieren. Dadurch können die Kompressionselemente zwischen den Zellen schmaler gestaltet werden. Zudem verteilt sich die Kraft innerhalb der Zelle gleichmässiger auf den Zellstapel, wodurch die Gefahr der Dendritenbildung und LithiumPlating reduziert werden kann.
Cell-Caps nach Kundendesign Cell-Caps, die mit den inneren Elektroden verschweisst werden, versiegeln und isolieren die Batteriezellen effektiv. Die Cell-Caps von Freudenberg Sealing Technologies sind auf absolute Gasdichtigkeit getestet und behalten diese Fähigkeit über die gesamte Lebensdauer der Batterie. Das gewährleistet eine optimale Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen, minimiert das Risiko von Gaslecks und erhöht die Sicherheit. Darüber hinaus weisen die Cell-Caps eine aussergewöhnliche mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Spitzenbelastungen und Ermüdung auf. Ihre Kompatibilität mit verschiedenen Elektrolyten, eventuell von aussen anstehenden Kühlflüssigkeiten und Gasen ermöglicht eine nahtlose Integration in unterschiedliche Systeme von Elektrofahrzeugen. Alle verwendeten Materialien sind elektrochemisch erprobt.
Freudenberg bietet Cell-Caps nach Kundendesign an, die gemeinsam mit den Zellherstellern entwickelt werden. Sie integrieren alle erforderlichen Funktionen, einschliesslich der Berstscheiben, die im Falle eines thermischen Durchgehens der Zelle austretende Gase ableiten. Dabei werden die Cell-Caps jeweils vor Ort für den lokalen Markt mit dem geringstmöglichen CO2-Fussabdruck hergestellt. (pd/sag)
Freudenbergs Cell-Envelopes und Cell-Caps bieten hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer, aber auch mehr Designfreiheit für die Batteriehersteller.
Reifenrecycling
GUMMI DEVULKANISIEREN
Ein weiterentwickeltes Verfahren ermöglicht es, die Vulkanisation in Gummimaterial zu grossen Teilen rückgängig zu machen. Es soll so dazu beitragen, dass sich recycelter Gummi aus Altreifen einfacher für die Herstellung neuer PW-Reifen wiederverwerten lässt. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Evonik
Der Homogenitätstest zeigt, wie gut recycelter Gummi in neuen Gummi integriert wird.
Reifen sind mit ihrem im Betrieb zwangsläufig entstehenden Abrieb, der für einen Grossteil des Mikroplastiks in der Umwelt verantwortlich ist, keine «Saubermänner». Aber auch in Sachen Nachhaltigkeit sind die Pneus nicht gerade Musterbeispiele – zu kompliziert und deshalb aufwendig ist ihr Recycling. Zwar lassen sich Stoffe wie Russ (Carbon Black) und Silikate inzwischen aus Altreifen wiedergewinnen und zum Teil auch wieder in der Neureifenproduktion einsetzen (vgl. AUTO&Technik 9/2021). Beim Gummimaterial jedoch liegen die Hürden noch höher. Denn neuer Reifengummi entsteht bekanntlich durch Vulkanisation aus Kautschuk, Schwefel und anderen Komponenten. Mit Hilfe von Hitze und Druck bildet Schwefel dabei Bindungen mit langen Kohlenstoffketten des Kautschuks, wodurch sich ein robustes,
dreidimensionales Netzwerk ergibt. Natürlich ist auch das Gummimehl aus Altreifen so beschaffen und besitzt als bereits vulkanisiertes Material andere Eigenschaften als nicht vulkanisierter Kautschuk. Fachverbände der Reifenrecycling-Branche nennen daher eine Beimischung von etwa 5 % gemahlenem Altmaterial in der Produktion von Neureifen bis heute als eine Obergrenze.
Vulkanisation rückgängig machen
So wird der Grossteil des Altgummis zum Beispiel bei der Herstellung von Schutzelementen auf Spielplätzen oder für Laufbahnen eingesetzt. Viele Altreifen enden bisher auch noch in
der thermischen Verwertung – als Brennstoff zur Energiegewinnung. Bisher, denn ein Forscherteam von Evonik, einem Unternehmen der Spezialchemie, hat nun ein Verfahren entscheidend weiterentwickelt, um bis zu viermal so viel Altmaterial in neuen Reifen einsetzen zu können wie bisher üblich. «Damit rücken die wichtigen Ziele Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung auch für die Branche ein ganzes Stück näher», stuft Christian Mani, Projektmanager Circularity bei Evonik, den Erfolg ein. Er ist überzeugt: «Gummi ist ein zu wertvoller Rohstoff, um ihn nur einmal im Reifen zu nutzen. Wir wollen ihn in einen Kreislauf einbinden.»
Ihm und seinem Forscherteam ist es nämlich gelungen, die Vulkanisation in Gummimaterial zu grossen Teilen rückgängig zu machen: «Durch Zugabe einer speziellen Formulierung mit Vinylsilanen lässt sich die feste Vernetzung im Recyclingmaterial wieder auftrennen. Wir lösen die Schwefelbrücken im Gummi, lassen dabei aber gleichzeitig möglichst viele der langen Kohlenstoffketten unangetastet», erläutert der Experte dazu. Und das Forschungsteam hat diese Vinylsilane zur Devulkanisation schon mit Erfolg eingesetzt: Bei Versuchen liess sich der Anteil des Recyclingmaterials in der Gummimischung auf bis zu 20 % erhöhen – statt der eben bislang genannten technischen Schwelle von etwa 5 %.
Hoher Nachhaltigkeitsnutzen
Evonik will jetzt mit Testreihen und Erprobungen die nächsten Wegmarken ansteuern, denn das Ziel ist eine Lösung, die Kunden in absehbarer Zeit in der industriellen Produktion einsetzen können. «Am Ende muss unser Ansatz auch in grossem, kommerziellem Massstab überzeugen», sagt Christian Mani. Denn dann wäre der Nachhaltigkeitsnutzen einer solchen Kreislauflösung wohl enorm. Schliesslich gibt es weltweit mehr als 1.3 Milliarden Personenwagen, Minute für Minute entstehen mehr als 2000 neue Personenwagenreifen. Und ein Ende des Bedarfs ist nicht absehbar – bekanntlich rollen auch Autos mit Elektro- oder Wasserstoffantrieb auf Gummireifen in die Zukunft.
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Rekuperation
Die kinetische Energie, welche in einem sich bewegenden Fahrzeug steckt, nimmt im Quadrat zur Geschwindigkeit zu. Wird ein Fahrzeug abgebremst, wird diese Energie in den Reibungsbremsen in Wärme umgewandelt und an die Umwelt abgegeben. Wenn diese Energie als Nutzenergie zurückgewonnen werden kann, ist sie bei der nächsten Beschleunigungsphase wieder einsetzbar. Sicher kann eine E-Maschine nicht alle Energie rekuperieren, und zudem muss die rekuperierte elektrische Energie für die Speicherung in der Batterie noch umgewandelt werden. Wir steigen im «Fachwissen» exakter in das Thema der Rekuperation ein.
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