Wasserstoff im Tank

Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nutzen meist einen Brennstoffzellenantrieb, der aus Wasserstoff Strom für den Elektromotor erzeugt. Obwohl die chemische Reaktion einfach ist, müssen Temperatur und Qualität der Reaktionsbestandteile stimmen. Um einen effizienten und sicheren Betrieb zu gewährleisten, sind umfassende, teils Hochvolt-sichere Messungen erforderlich. 

Die Wende zur elektrifizierten Mobilität gilt als eine der Hauptmaßnahmen für eine umweltfreundlichere Fortbewegung von Personen und Gütern. Zumeist wird der Elektromotor mit elektrischer Energie, die von einer Batterie als Speicher bereitgestellt wird, angetrieben. Dieses Konzept stößt allerdings in gewissen Kontexten an seine Grenzen – unter anderem, wenn größere Lasten auf weiten Strecken bewältigt werden müssen. Zunehmend in den Fokus rückt daher die brennstoffzellenbetriebene Mobilität.

Andere Technik, andere Herausforderungen  

Für eine ideale Versorgung des Fahrzeugs mit Strom, muss die Energie aus der chemischen Reaktion in verschiedensten Fahrsituationen und unter wechselnden Umgebungsbedingungen optimal genutzt werden. Neben der Temperatur von Wasserstoff und der zugeführten Luft spielen auch Feuchte, Druck und Durchfluss eine wichtige Rolle. Darüber hinaus müssen die Messungen zum Teil, wegen der hohen Systemspannungen von elektrischen Antrieben, Hochvolt-sicher ausgeführt werden. Man unterscheidet analog zur chemischen Reaktion die Bestandteile des Brennstoffzellensystems, die der Wasserstoff- oder der Luftzufuhr dienen: Die Komponenten des Wasserstoffpfades werden auch Anodenpfad, die des Luftpfades Kathodenpfad genannt. Ein zusätzliches kombiniertes Kühl- und Heizsystem sorgt für ideale Temperaturen der Reaktionsbestandteile, während im elektrischen Pfad die erzeugte Energie an den Antrieb beziehungsweise direkt an den Elektromotor oder auch an die Puffer-Batterie weitergegeben wird. 

Wie muss der Wasserstoff im System ankommen? 

Im Wasserstoff- oder Anodenpfad werden die Bedingungen der Wasserstoffzufuhr ins System untersucht. Dazu gehören der Druck, der Durchfluss sowie daraus resultierend die Menge des flüssigen Wasserstoffs über den betrachteten Zeitraum. Gemessen wird dafür mit geeigneten Sensoren in der Zuleitung aus dem Tank zum Zirkulationsgebläse und am Dosierventil. Die Messwerte werden mit einem AD Messmodul erfasst und über den CAN-Bus weitergegeben. Die Druck- und Durchflusssensoren werden hierbei direkt vom Messmodul mit der passenden Sensorspeisespannung versorgt, sodass keine separate Spannungsversorgung notwendig ist. Mit einem LEM-Sensorpaket und einem ECAT AD Modul wird zudem die Leistungsaufnahme des Zirkulationsgebläses gemessen. Der LEM-Stromwandler eignet sich aufgrund seiner hohen Grenzfrequenz von bis zu 200 Kilohertz auch dafür, mögliche hochfrequente Störungen im Bordnetz zuverlässig zu erfassen. Das ECAT AD Messmodul stellt hierbei die entsprechend hohe Abtastfrequenz von bis zu 1 MHz pro Kanal zur Verfügung. Um festzustellen, welche mechanischen Belastungen durch Vibrationen im realen Betrieb an der Wasserstoffzuleitung herrschen, werden an dieser Stelle IEPE-Beschleunigungssensoren und ein ECAT AD Modul zur Messdatenerfassung angebracht. Dabei stellt die Lösung von CSM auch hier die spezielle Sensorversorgung von IEPE-Beschleunigungsaufnehmern und die benötigte hohe Nutzbandbreite für die Messungen zur Verfügung. Beide Messwerte werden mit EtherCAT übertragen. 

Hochvolt-sicher messen im Kathodenpfad 

Im Luft- oder Kathodenpfad werden entsprechende Komponenten wie der elektrische Luftverdichter in der Regel mit Hochvolt-Spannung betrieben. Die nötigen Messungen müssen dort aus Sicherheitsgründen für Anwender und Geräte mit HV-sicherer Messtechnik durchgeführt werden. Ideale Bedingungen der Luft für die chemische Reaktion sind essenziell, besonders wenn es um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle geht. Daher werden mit HV AD Modulen und analogen Druck- und Feuchtigkeitssensoren der Luftdruck und die Luftfeuchte, sowie mit Temperatursensoren (Typ K) und HV TH Modulen die Temperatur der Luft gemessen. Die speziell für den Einsatz bei hohen Systemspannungen ausgelegten HV-Messmodule stellen hierbei – genau wie ihre Standard-Varianten – die Sensorspeisespannungen für die Sensoren zur Verfügung, isolieren aber zusätzlich sowohl Speisespannung als auch Messsignale galvanisch. Damit lassen sich Standard-Sensoren sicher im Hochvolt-Umfeld einsetzen. Für die Leistungsaufnahme des elektrischen Luftverdichters werden Strom- und Spannung direkt mit den HV Split-Breakout-Modulen erfasst und mittels EtherCAT weitergegeben. Die kompakten Sensor-Module der HV BM-Split führen hierbei die Strommessung mit dem präzisen Shunt-Verfahren durch und sind darüber hinaus auf Arbeitsspannungen von bis zu 1 000 Volt ausgelegt. 

Kühlsystem und elektrische Leistung betrachten 

Auch im Kühlsystem wird auf diese Weise mit weiteren HV Split-Breakout-Modulen die elektrische Leistungsaufnahme gemessen. Da Temperaturen im Kühlmittel sehr präzise erfasst werden müssen, werden an acht Messpunkten mit PT1000 Widerstandssensoren Temperaturveränderungen im Kühlmittel HV-sicher gemessen. Die Kombination aus Hochvolt-sicheren und kompakten PT-Elementen mit schnellen Ansprechzeiten sowie den speziell für PT-Sensoren entwickelten HV PT Messmodulen von CSM, stellt eine präzise Temperaturerfassung unter Hochvolt-Bedingungen mit einer Genauigkeit von ca. 0,3 Kelvin sicher. Um die Fluktuation des Kühlmittels zu prüfen, werden zusätzlich Messdaten von im Kühlmittelpfad platzierten Drucksensoren mit einem HV AD Modul erfasst. Mit einem HV Breakout-Modul 1.2 werden darüber hinaus Strom- und Spannung im HV-elektrischen Pfad gemessen, um in der weiteren Analyse die Leistung und den Wirkungsgrad des Antriebs auszuwerten. 

Skalierbares Messsystem aus Hard- und Software 

Für die Analysen der gemessenen Daten werden die Messwerte aus der CAN- und aus der EtherCAT-Messkette über XCP-Gateways gebündelt, zeitlich synchronisiert und an einen Messrechner zur Analyse übertragen. Mit Softwarelösungen des Vector CSM E-Mobility Messsystems können die gemessenen Daten mathematisch ausgewertet, graphisch dargestellt und unter Berücksichtigung der jeweiligen Fragestellung geprüft werden. Insgesamt bietet die umfassende Datenerfassung unterschiedlichster physikalischer Größen die Möglichkeit für vielseitige Untersuchungen, zum Beispiel, um Korrelationen von elektrischen, thermischen, chemischen und auch digitalen Steuergeräte-Daten zu erkennen.  

Bilder: CSM GmbH