Brennstoffzellenfahrzeuge werden neben rein batterieelektrischen Fahrzeugen eine wichtige Rolle in der Dekarbonisierung des Verkehrssektors einnehmen. Diese werden mit Wasserstoff betrieben, der – sofern mit erneuerbaren Energien hergestellt – ein CO2-neutraler Energieträger ist. Wasserstoff zeichnet sich durch einen vielfach höheren spezifischen Energieinhalt im Vergleich zu Batterien aus. Dadurch sind Brennstoffzellenfahrzeuge mit der gleichen Reichweite deutlich leichter als reine Batteriefahrzeuge, was vor allem für Nutzfahrzeuge wie LKWs ein großer Vorteil ist. Darüber hinaus funktioniert die Betankung ähnlich schnell wie bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Allerdings gibt es hinsichtlich Energieeffizienz noch Verbesserungspotenzial. Und auch die Lebensdauer der Brennstoffzellen ist ein großes Thema.

Das Energiemanagement ist entscheidend

Brennstoffzellenfahrzeuge sind neben der Brennstoffzelle selbst auch mit einer Batterie ausgestattet, d.h., es handelt sich um Hybridfahrzeuge. Die Batterie dient einerseits als Puffer für dynamische Lastwechsel, z.B. bei einem Überholvorgang, und erlaubt andererseits die Effizienz zu steigern und die Alterung der Brennstoffzelle zu reduzieren. Hierbei kommt es auf das sogenannte Energiemanagement an, welches die Last kontinuierlich auf Brennstoffzelle und Batterie aufteilt. Die optimale Energieaufteilung hängt stark von einer Vielzahl von Faktoren wie gefahrener Geschwindigkeit, Höhenprofil, Verkehr und Wetter ab und ist vor Fahrantritt unbekannt.

Prädiktives Energiemanagement durch Routenplanung

Unter der Leitung von Prof. Christoph Hametner arbeitet ein Team des Instituts für Mechanik und Mechatronik an prädiktiven Energiemanagement-Strategien. Diese greifen auf einfach verfügbare, statische Routeninformationen wie Geschwindigkeitsbeschränkungen und das Höhenprofil zurück und optimieren so das Energiemanagement. So wird beispielsweise bei einer gebirgigen Fahrt die Batterie vor der Bergfahrt geladen, um während der Bergfahrt die Brennstoffzelle mit der Batterie unterstützen und somit effizienter betreiben zu können. Bei der anschließenden Talfahrt wird die nun entladene Batterie dann wieder durch Rekuperation geladen, was die Effizienz weiter steigert. Neben den Verbrauchseinsparungen erlauben die prädiktiven Konzepte auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu erhöhen, indem schädliche Betriebsbereiche vermieden werden.

Validierung mit Demonstrationsfahrzeug von AVL

Innerhalb des Projekts „FC-IMPACT“ arbeitete das Team von Prof. Hametner eng mit dem Grazer Technologieunternehmen AVL zusammen, das ein Brennstoffzellen-Demonstrationsfahrzeug auf Basis eines VW Passat gebaut hat. Die Kooperation erlaubte es die prädiktiven Energiemanagement-Strategien, die bereits in Simulationen ausgiebig getestet wurden, mit dem echten Fahrzeug zu validieren. Die Validierung umfasste sowohl reale Fahrzyklen im Straßenverkehr als auch Tests am Rollenprüfstand. Die vielversprechenden Simulationsergebnisse wurden bestätigt und der Wasserstoffverbrauch konnte gegenüber einer nicht-prädiktiven Strategie um mehr als 6 % reduziert werden. Seine Ergebnisse präsentierte das Team kürzlich auf dem IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Außerdem wurde die Arbeit in Journalen des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veröffentlicht. Doch damit ist der Zenit noch nicht erreicht. Das Team forscht bereits an Konzepten, die die Energieeffizienz und die Lebensdauer weiter verbessern werden.

Originalpublikation

S. Kofler, Z. P. Du, S. Jakubek and C. Hametner, „Predictive Energy Management Strategy for Fuel Cell Vehicles Combining Long-Term and Short-Term Forecasts,“ in IEEE Transactions on Vehicular Technology. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/TVT.2024.3424422, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

S. Kofler, S. Jakubek and C. Hametner, „Cost-To-Go-Based Predictive Equivalent Consumption Minimization Strategy for Fuel Cell Vehicles Considering Route Information,“ 2024 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), Jeju Island, Korea, Republic of, 2024, pp. 2910-2916. [Online]. Available:https://doi.org/10.1109/IV55156.2024.10588715