Anwendungsfälle 
Brennstoffzellenantrieb umfassend messtechnisch untersuchen
Wenn von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen gesprochen wird, ist meistens ein Brennstoffzellenantrieb gemeint. Dieser erzeugt direkt im Fahrzeug aus dem getankten Wasserstoff den nötigen Strom, um den Elektromotor anzutreiben. Obwohl die chemische Reaktion mit wenigen Stoffen abläuft, müssen für ein ideales Ergebnis bestimmte Bedingungen gegeben sein. Diese betreffen unter anderem die Temperatur, aber auch die Qualität der zugeführten Reaktionsbestandteile. Damit ein maximal effizienter und sicherer Betrieb des Brennstoffzellenantriebs möglich ist, müssen umfassende Messungen – teils Hochvolt-sicher – durchgeführt werden.
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. Zunehmend in den Fokus rückt daher die brennstoffzellenbetriebene Mobilität.
Messaufgabe
Erfassung vieler verschiedener Messgrößen am Brennstoffzellen-Stack.
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.
Beim Brennstoffzellenantrieb handelt es sich um ein technisch komplexes System mit vielen Komponenten. Im vorliegenden Beispiel soll dabei der Fokus auf der messtechnischen Untersuchung des Brennstoffzellensystems liegen. Beim Wasserstoff-/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. Mit einem LEM-Sensorpaket und einem weiteren 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 – und dass bei einer sehr hohen Messgenauigkeit. 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. Beide Messwerte werden mit EtherCAT® übertragen.
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.
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 hoch 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 Kühlmittel 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.
Für die Analysen der 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. Die XCP-Gateways fungieren hierbei als Protokollumsetzer, mit denen sich große Datenströme von vielen Messmodulen auf eine Zeitbasis kanalisieren lassen. Auf diese Weise stehen der Messdatenerfassung alle relevanten Messdaten in einer einzigen Messung zur Verfügung. Mit Softwarelösungen des Vector CSM E-Mobility Messsystems können die gemessenen Daten mathematisch ausgewertet, grafisch dargestellt und unter Berücksichtigung der jeweiligen Fragestellung geprüft werden. Als maßgeschneiderte Software für CAN- und EtherCAT®-Messmodule von CSM können mit vMeasure direkt verschiedene Untersuchungen, wie die Berechnung des Wirkungsgrads und anderer relevanter Größen für die Auswertung der Leistung durchgeführt 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.
vMeasure von Vector Informatik ist die einfach zu bedienende Datenerfassungs-Software für CAN- und EtherCAT®-basierte Messmodule von CSM. vMeasure bietet den vollen Umfang an Funktionen, die Sie von einer modernen DAQ-Software erwarten.
Messketten schnell konfiguriert: CSMconfig (mit CSMview) ist die verlässliche Konfigurationssoftware für alle CAN- und EtherCAT®-basierten Messmodule von CSM. Die einheitliche und komfortable Oberfläche ermöglicht ein einfaches Einstellen aller Messparameter. Das beschleunigt den Messaufbau.
