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Beitrag zur Steuerung einer eingebauten Brennstoffzelle

COPPACE

ETUDE

Die Brennstoffzelle wird als eine autonome Energiequelle an Bord von Schienenfahrzeugen (Straßenbahn, Rangierlokomotiven) und Bussen angesehen. Eine Brennstoffzelle an Bord eines solchen Fahrzeugs kann nur in Verbindung mit einem Energiespeichersystem (SSE) verwendet werden, wie zum Beispiel Batterien, Superkapazitäten, Schwungrad.

Offene Fragen sind :

- Auswahl des Kraftstoffes und der Speichertechnologien

- Verfügbarkeit und Reifegrad (Zuverlässigkeit, Lebensdauer,…) der Brennstoffzellen

- Für den Transport optimierte Steuerungsart der Brennstoffzellen

- Optimierte Verwaltung der Energie des Fahrzeugs

- Einschränkungen in Verbindung mit eingebauten Brennstoffzellen und der Kraftstoffspeicherung an Bord eines Fahrzeugs

- Modellierung und vollständige Simulation der Hybridfahrzeuge mit Brennstoffzellen

- Prüfstand zur Kontrolle der digitalen Simulationsmodelle von Hybridfahrzeugen mit Brennstoffzellen.

Das Projekt COPPACE dient dazu, die Technologie und die Wahl zum Erstellen des Energiesystems Brennstoffzelle/Energiespeichersystem, das am besten für die Anwendungen in Eisenbahnen oder Bussen geeignet ist, zu identifizieren.

Année d'élaboration :

2005

Origine (géographique, historique, économique, sociale…) :

PREDIT – operationelle Gruppe Nr. 10

Méthodologie

Die Arbeiten wurden wie folgt aufgeteilt: ·

* Das CEA hat die Kraftstoffarten (Wasserstoff und andere) und die Technologien, um sie an Bord zu lagern (Druckgastanks, Kryogen-Speicher, Metallhydride), geprüft,

* Das Enseeiht hat am Untersystem der Brennstoffzelle und den Hilfssystemen gearbeitet: Batteriegruppen, Luft- und Kraftstoffzufuhr, Zugleitsystem.

* Alstom Transport hat den Bedarf und die Einschränkungen der Nutzung von Brennstoffzellen definiert. Alstom Transport war für die Fahrzeugsimulationen, den industriellen Prüfstand sowie das Projektmanagement verantwortlich. Optimierungsarbeiten wurden mit einem amerikanischen Labor durchgeführt.

Financement - Ressources

PREDIT – Abkommen 01 MT 07

Résultats

Kraftstoff- und Lagerungsarten: ·

* der Kraftstoff Wasserstoff ist am besten für eine Druckgaslagerung geeignet (optimal sind 500-600 Bar)

Modellierung und Dimensionierung der Bauteile:

* Brennstoffzelle: Detailliertes, physisch-dynamisches Modell, vom CEA erstellt.

* Brennstoffzelle: Verhaltensmodell (hervorgehend aus der Vereinfachung des physischen Modells CEA) und dazugehörige Steuerung (mit mehreren Variablen und auskoppelnd). Am Ende des Projektes (Januar 2004) wird die Brennstoffzellen-Technologie als nicht ausreichend ausgereift angesehen (Lebensdauer, Preis, Industrieangebot,…), um sehr kurzfristig die untersuchten Anwendungen einführen zu können. ·

* Stromrichter

-Entwicklung eines monodirektionalen Schaltnetzteils für Brennstoffzellen

- Entwicklung eines bidirektionalen Schaltnetzteils für die Energiespeichersysteme.

* Energiespeichersysteme - Entwicklung von elektrischen, thermischen und mechanischen Modellen (Masse, an Bord einbaubare Menge) der verschiedenen Energiespeichersysteme: Batterien, Superkapazitäten, Schwungrad. Batterien scheinen nicht die beste Lösung zur Speicherung zur sein, denn die Brennstoffzelle ist eher eine Energiequelle. Superkapazitäten und Schwungräder sind eher für diese Anwendungen geeignet. Ein Energiespeichersystem mit zwei Technologien (z.B.: Schwungrad und Superkapazitäten) würde es möglich machen, den Energie- und Leistungsbedarf des Energiespeichersystems genau abzudecken.

* Fahrzeugmodelle und ihre Nutzungszyklen:

Die Einführung des Advisor-Programms zur Simulation von Hybridfahrzeugen. Entwicklung von Modellen für Brennstoffzellen, Energiespeichersysteme und mehrere Energiestrategien, die:

- die Dimensionierung der Organe der Zugketten,

- die Optimierung der Auswahl zur Energiespeicherung, die Auswahl der Energiestrategie und ihre Regelung mit Hilfe von Vergleichen des Aufbaus der Zugketten die in verschiedenen Nutzungszyklen für Bus, Straßenbahn, Rangierlokomotive untersucht wurden.

* Energiestrategie.

Das Projekt konnte folgende Punkte aufzeigen

- die Energiestrategie bedient ein technisch-wirtschaftliches Ziel für das Fahrzeug (z.B.: Minimierung des Verbrauchs, Minimierung der Wartung oder der Anschaffungskosten). Infolgedessen sind zahlreiche Energiestrategien möglich.

- die optimale Energiestrategie steht auch in Korrelation mit der für das Energiespeichersystem gewählten Technologie.

Prüfmittel und Versuche

* Entwurf und Bau eines Prüfstandes für Brennstoffzellen und eine Hybrid-Zugkette. Mit diesem Prüfstand können Brennstoffzellen mit hoher Leistung geprüft werden (bis zu 200 kW) sowie Versuche von Energiespeichersystemen auf Zugketten mit unbegrenzter Leistung (z.B. Straßenbahn 900 kW).

* Erwerb und Test eines Packs Superkapazitäten (450 kW; 0,55 kWh). Diese Versuche haben es ermöglicht die simulierten elektrischen, thermischen und mechanischen Leistungen zu bestätigen. ·

* Testkampagne der Straßenbahn in Lyon. Mit diesen Versuchen konnten die Fahrzeugsimulationen unter Advisor bestätigt werden sowie die Hypothesen zur Nutzung des Fahrzeugs in seinem üblichen kommerziellen Betrieb.

Contacts

  • Nom/Titre : Laurent Nicod, Rue du Docteur Guinier - : 05.62.53.48.57
  • Organisme : ALSTOM Transport SA
  • Adresse : Rue du Docteur Guinier, B.P. 4 - 5600 SEMEAC
  • Contact ministère : Michel Muffat - Tél : 01 40 81 14 16 ; Fax : 01 40 81 14 44 - Tour Pascal B, 92055 Paris La Défense cedex 04