Als Teil des Gesamtvorhabens NaBuZ (Nachhaltige Bussysteme der Zukunft) verfolgt NuCellSys gemeinsam mit EvoBus das Ziel, das PKW-Brennstoffzellensystem der neusten Generation in Form eines sogenannten Doppel-Systems auf dessen Anwendungspotenzial als serientauglicher Brennstoffzellenantriebstrang in einem Stadtbus darzustellen. Durch die Kombination zweier Brennstoffzellensysteme zu einem Doppel-System steht die Entwicklung einer Betriebsstrategie für das Doppelsystem, aufbauend auf der Betriebsstrategie der Einzelsysteme, sowie die Anpassung wichtiger Komponenten an das erhöhte Spannungsniveau und die erhöhten Lebensdaueranforderungen im Vordergrund.

Alle Projektergebnisse werden zum einen für die Entwicklung nachfolgender, noch effizienterer Brennstoffzellensystemgenerationen verwertet, zum anderen werden sie Eingang in die Fahrzeugentwicklung von Stadtbussen mit Brennstoffzellenantrieb finden. Damit wird sichergestellt, dass die wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse über den Verkauf von Fahrzeugen erfolgen kann.

Die wissenschaftlichen und technischen Ergebnisse, die aus dem Projekt gewonnen werden, fließen in die Entwicklung zukünftiger Stadtbusse mit Brennstoffzellenantrieb ein.

Folgende Ziele des Vorhabens wurden definiert:

  • Aufbau eines Dual-BZ-Prüfstands mit Integration eines Dual-BZ-Systems
  • Konzeptuntersuchung und Entwicklung der Leistungsschnittstelle zwischen Brennstoffzellensystem und Hybridsystem mit unterschiedlichen Spannungslagen
  • Entwicklung und Verifikation einer Betriebsführungsstrategie für das Dual-BZ-System, sowie das Powermanagement und Regelung der entwickelten Leistungselektronik
  • Optimierung und Nachweis geeigneter BZ-System-Komponenten (Befeuchter und Luftversorgung) für 12.000 Stunden Betrieb
  • Bauraumuntersuchung und Packaging eines Dual-BZ-Systems für die Integration in einen Citaro Solobus und Gelenkzug unter Berücksichtigung von Service-und Wartungsaspekten
  • Aufbau einer Hochvolttestumgebung für die Verifikation der entwickelten Leistungselektroniken (DC/DC-Wandler)
  • Testbetrieb und Dauerlauf am Busprüfstand

Aufgrund der Notwendigkeit einer geeigneten Testumgebung für die zukünftige BZ- Bus-Applikation aus zwei PKW-Systemen, wurde innerhalb des Vorhabens ein Bus Dual Teststand geplant, aufgebaut und mit zwei BZ-Systemen in Betrieb genommen. Parallel dazu wurden die notwendigen busspezifischen Komponenten wie DC/DC-Wandler, Dual Fuel Cell Controller sowie die Softwarebetriebsführung entwickelt und verifiziert. Dies wurde in einem eigens dafür umgesetzten HV-Hardware-In-the-Loop-Prüfstand realisiert. Dabei stand die Steuerung und Regelung der neu entwickelten Leistungselektronik im Vordergrund. In einem zweiten Schritt wurde die entwickelte und verifizierte Soft-und Hardware in den realen BZ-Prüfstand eingebaut und funktional getestet. Hier wurden erste Erkenntnisse bezüglich des dynamischen Verhaltens des DC/DC-Wandlers in Kombination mit dem hochdynamischen Verhalten des Elektrischen Turboladers des BZ-Systems gewonnen.
Eine Besonderheit des neu entwickelten DC/DC-Wandlers liegt in der galvanisch getrennten Ausführung für eine BZ-Leistung bis 100 kW. Die galvanische Trennung ist erforderlich um die geringere BZ-Spannung von der höheren Bustraktionsspannung sicher zu trennen und den Gesamtisolationswiderstand des Fahrzeugs im spezifizierten Bereich, vor allem beim Einsatz eines Dual-BZ-Systems in Parallelschaltung, zu halten.

Die Entwicklung des DC/DC-Wandlers wurde in zwei Schritten umgesetzt. Der erste Schritt war ein Labormuster, welches relativ kostengünstig entwickelt wurde und für den Konzeptnachweis im Prüfstand eingesetzt wurde. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in die Spezifikation des A-Muster DC/DC-Wandlers eingearbeitet. Der zum Projektende gelieferte A-Muster Wandler hat einen deutlich höheren Reifegrad und bildet die Basis für die angestrebte Serienentwicklung.

Weiter wurden intensive Einbauuntersuchungen im Bus-Hinterwagen für das BZ-System und der busspezifischen Komponenten durchgeführt. Ziel war es, den Bauraum des Dieselaggregates für den zukünftigen Einsatz des Brennstoffzellenaggregates für den Solobus und den Gelenkzug zu nutzen. Auch Montagefähigkeit in der Produktion sowie Service und Wartungsanforderungen wurden mit berücksichtigt. Nach Festlegung des Konzeptes wurde ein erstes A-Muster Dual-BZ-System in der Prototypenfertigung aufgebaut und Untersuchungen hinsichtlich Zusammen- und Einbau der Komponenten durchgeführt. Das Aggregat steht auch für erste Einbauuntersuchungen im Hinterwagentorso bei Evobus zur Verfügung.

Bezüglich der hohen Lebensdaueranforderungen bei einem Stadtbus wurden bei der Luftversorgung und der Befeuchtung Dauerlaufuntersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen auf, dass die entwickelten Komponenten den Einsatz für hohe Lebensdaueranforderungen gerecht werden. Es sind durchaus doppelte bzw. dreifache Lebensdauererhöhungen im Vergleich zur PKW-Spezifikation erreichbar. Beim BZ-Stackmodul geht man von doppelter Lebensdauer aus, da dieses Modul sehr starken „Design to Cost“-Anforderungen ausgesetzt ist und entsprechend ohne große Leistungsreserven entwickelt wird. Hier wird eher ein gutes Wartungs- bzw. Austauschkonzept beim Einsatz von PKW-Stacks favorisiert.

Die Entwicklung des DC/DC-Wandlers in galvanisch getrennter Ausführung war eine der größten Herausforderungen innerhalb des Vorhabens. Zum einen gab es bisher noch keine Erfahrungen mit galvanisch getrennten DC/DC-Wandlern in dieser Leistungsklasse, zum andern war die Abstimmung im Verbund mit den BZ-Systemen und die dynamischen Anforderungen der Brennstoffzellenluftversorgung sehr hoch. Dies erforderte intensive Testphasen und Analysen im Labor, die immer wieder durch Ausfälle der Komponenten unterbrochen wurden. Sehr häufig musste der Wandler vom Hersteller überarbeitet werden, was zu starken Zeitverzügen im Projekt führte. Dennoch konnte der Betrieb erfolgreich mit einem Dual-BZ-System mit den spezifizierten Anforderungen nachgewiesen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden bei der Weiterentwicklung vom Labormuster zum A-Muster berücksichtigt. Das A-Muster wurde mit einem deutlich höheren Reifegrad für die aktuellste BZ-Generation entwickelt und bildet die Basis für die nächste Generation BZ-Busse bei EvoBus.

Förderkennzeichen
03BV114