Brennstoffzellenbasierte hybride Antriebskonzepte und Elektromobilität

Durch die Verknappung der weltweiten Rohstoffressourcen sowie dem steigenden Umweltbewusstsein der Staaten besteht großes Interesse an neuen, sparsamen und ökologischen Antriebstechniken. Auf der Detroit Auto Show 2010 ist der Trend zu batteriebetriebenen Fahrzeugen deutlich geworden. Elektroautos zeichnen sich durch einen sehr geringen Verbrauch aus, besitzen jedoch geringere Reichweiten als Hybridfahrzeuge.Ein aus Brennstoffzelle, Akkumulator und Elektromotor  bestehender Hybridantrieb vereint einen geringen Energieverbrauch sowie eine hohe Reichweite und ist durch seine Emissionsfreiheit eine ökologisch sinnvolle Alternative zu bestehenden Antriebskonzepten. Die Forschungsthemen des Instituts für Energietechnik Duisburg sind die Untersuchung „batteriebetriebener Antriebskonzepte“ sowie die Untersuchung „brennstoffzellenbasierter hybrider Antriebskonzepte“.

Batteriebetriebene Antriebskonzepte

Die Batterie stellt die Schlüsselkomponente der Elektrofahrzeuge dar. Intensive Forschungsanstrengungen sollen die Eigenschaften der Batterien weiter verbessern. Zurzeit sind die Batterien von Elektrofahrzeugen noch mit hohen Anschaffungskosten verbunden. Jedoch wird der aktuelle Preis von ca. 300 - 1000 € pro Kilowattstunde bis zum Jahr 2025 laut dem Leiter für Antriebsforschung bei Volkswagen, Herrn Wolfgang Steiger, um ca. 80 % sinken. Auch Gewicht und Volumen der Batterien sind zurzeit noch sehr hoch. Dies trägt dazu bei, dass die Reichweiten der Elektrofahrzeuge aktuell nur ca. 60 - 160 km betragen. Gerade im Straßenverkehr spielt die Betriebs- und Crashsicherheit der Batterien eine große Rolle und wird von vielen Unternehmen intensiv untersucht. Ein weiteres wichtiges Forschungsthema ist die Charakterisierung der Eigenschaften der Batterien. Dazu zählen vor allem auch die Leistungsfähigkeit, die Ladezustandsbestimmung und  die Lebensdauer. Die Lebensdauer ist von zahlreichen Faktoren wie z.B. der Entladetiefe, der Lade- und Entladegeschwindigkeit oder der Betriebstemperatur abhängig.

Die Arbeiten des Instituts für Energietechnik Duisburg (ETD) konzentrieren sich auf die Planung und Durchführung von geeigneten Messreihen mit Batterietestsystemen um die Batterieeigenschaften und die Batterielebensdauer zu charakterisieren. Auf der Grundlage dieser Messungen werden dann Lebensdauermodelle erstellt um geeignete Operationsstrategien für Elektrofahrzeuge wie auch für hybride Antriebskonzepte zu finden. Ein weiteres Ziel des ETD ist die Untersuchung der gleichen Batterien in einem Hardware-in-the-Loop Prüfstand mit dem die Batterien unter realen Bedingungen getestet werden können. Dieser Prüfstand verfügt über ein D-Space-System mit dem ein  Elektromotor mit unterschiedlichen Belastungszyklen beaufschlagt werden kann. Die Batterien versorgen dann den Elektromotor mit der geforderten Energie.

Brennstoffzellenbasierte hybride Antriebskonzepte

Ein brennstoffzellenbasiertes hybrides Antriebskonzept kann die positiven Eigenschaften von Akkumulatoren, Supercaps und Brennstoffzellen vereinen. Es werden durch die Brennstoffzelle hohe Energiedichten und somit hohe Reichweiten möglich, jedoch ist ihre Dynamik durch die Medienversorgung, insbesondere die der Luftversorgung, beschränkt. Diesen Nachteil können Akkumulatoren und Supercaps mit hohen Leistungsdichten ausgleichen. Diese wiederum besitzen nur geringe Energiedichten und sind um hohe Reichweiten realisieren zu können auf die Brennstoffzelle angewiesen. Das ETD untersuchte bereits praktisch an einem Hardware-in-the-Loop Prüfstand sowie theoretisch in verschiedenen Arbeiten unterschiedliche Verschaltungskonzepte und Topologien. Es wurde ein Leitfaden zur Systemauslegung in Abhängigkeit gegebener Lastprofile erstellt. In weiteren Untersuchungen wird das dynamische Verhalten von Brennstoffzelle, Akkumulator und Supercap analysiert. Des Weiteren werden auf Grundlage der Degradationsmechanismen der Komponenten geeignete Power-Management-Strategien für eine komponentenschonende Betriebsweise erarbeitet.