Thermomanagement eines Lastkraftwagens mit Brennstoffzellenantrieb

Sebastian Gerhard Roiser

Thermomanagement eines Lastkraftwagens mit Brennstoffzellenantrieb

Translated title of the contribution: Thermal Management of a heavy-duty Truck with Fuel Cell Drive

Sebastian Gerhard Roiser

Institute of Thermodynamics and Sustainable Propulsion Systems (3130)

Research output: Thesis › Master's Thesis

Abstract

To slow down climate change, European legislation has decided to examine the CO2-emissions of heavy-duty trucks from 2025 on. As a result of this, the fleet consumption must be reduced by 30% until 2030. One way to achieve this goal is to use a truck with a fuel cell drive, since this concept does not produce any emissions locally. The fuel required for the fuel cell drive, which is hydrogen, can be obtained emission-free from solar energy in the best case.
The use of a fuel cell drive in heavy-duty trucks is still fairly new and brings some challenges with it. The two biggest challenges in thermal management of the fuel cell are the high amounts of heat to be dissipated and the low temperature level of the coolant. In the worst case, the amounts of heat, dissipated by the coolant, can be just as high as the effective power provided by the fuel cell. The temperature level of the coolant must be kept in the range of 60-80 °C. Another challenge is the fuel cell operating strategy. Load changes as well as start-stop operations damage the fuel cell excessively, therefore favours a stationary operation. However, since the power demand on the wheel is dynamic, the power missing from stationary operation of the fuel cell must be provided by a lithium-ion-battery. This battery must be operated in the temperature range of 20-40 ° C to avoid excessive aging and thus implies the use of a complex thermal management.
The aim of this work is to build a complete vehicle simulation from publicly available literature. The simulation is carried out as a co-simulation with both programs MATLAB Simulink and KULI. The backward-calculating vehicle simulation computes the power applied to the electric motor from the speed profile and the gradient of the driving cycle. Depending on the operating strategy, the electrical power of the electric motor and the auxiliary components is divided between the fuel cell and the battery. The temperature control of the electric motor, fuel cell, battery and the truck cabin are considered in the overall vehicle simulation. All of the subsystems require temperature control at different levels and therefore also different operating strategies. This means that each subsystem has a separate cooling cycle. However, some circuits are coupled with one another, which enables for example to use the waste heat from the fuel cell to heat the truck cabin.
The vehicle simulation is carried out with two climatic boundary conditions, one for summer and one for winter. Two driving cycles are considered. On the one hand, an overland cycle and, on the other hand, a high-load cycle that includes a long uphill section. An analysis of the fuel cell's operating strategy has been carried out. A distinction has been made between a fuel cell dynamic and a fuel cell stationary strategy. The latter proved to be more beneficial and was used to evaluate the cooling circuits. The heat exchangers and coolant pumps of the circuits were determined by means of an optimization in KULI. The cooler surface of the fuel cell has to be around 1.3 m². The evaluation of the cooling circuits confirmed the performance of the thermal management concept. In the final energy balance, an overall vehicle efficiency of 32.99 % in summer and 33.16 % in winter was determined.

Translated title of the contribution	Thermal Management of a heavy-duty Truck with Fuel Cell Drive
Original language	German
Qualification	Master of Science
Awarding Institution	Graz University of Technology (90000)
Supervisors/Advisors	Eichlseder, Helmut, Supervisor Schutting, Eberhard, Supervisor Reithuber, Peter, Supervisor
Award date	23 Mar 2021
Publication status	Published - 23 Mar 2021

Fields of Expertise

Mobility & Production
Sustainable Systems

Treatment code (Nähere Zuordnung)

Application

UN SDGs

This output contributes to the following UN Sustainable Development Goals (SDGs)

Cite this

@mastersthesis{d58b1ddc49c34912a2c0ac28ade5285f,

title = "Thermomanagement eines Lastkraftwagens mit Brennstoffzellenantrieb",

abstract = "Um den Klimawandel zu verlangsamen, werden durch die europ{\"a}ische Gesetzgebung ab 2025 die CO2-Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge gepr{\"u}ft. Bis 2030 m{\"u}ssen die durch die Flotte emittierten CO2-Emissionen um 30 % reduziert werden. Eine M{\"o}glichkeit dieses Ziel zu erreichen, kann der Einsatz eines LKWs mit Brennstoffzellenantrieb darstellen. Dieses Antriebskonzept produziert lokal keine Emissionen. Der f{\"u}r den Brennstoffzellenantrieb ben{\"o}tigte Brennstoff, Wasserstoff, kann dabei im besten Fall emissionsfrei aus Sonnenenergie gewonnen werden.Die Anwendung eines Brennstoffzellenantriebes im schweren Nutzfahrzeugbereich ist noch nicht ausgiebig erforscht und bringt einige Herausforderungen mit sich. Die zwei gr{\"o}{\ss}ten Herausforderungen im Thermomanagement der Brennstoffzelle sind dabei die hohen abzuf{\"u}hrenden W{\"a}rmemengen und das niedrige Temperaturniveau des K{\"u}hlmittels. Die durch das K{\"u}hlmittel abzuf{\"u}hrenden W{\"a}rmemengen k{\"o}nnen im schlechtesten Fall genauso hoch sein wie die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Effektivleistung. Dabei muss das Temperaturniveau des K{\"u}hlmittels im Bereich von 60-80 °C gehalten werden. Eine weitere Herausforderung ist die Betriebsstrategie der Brennstoffzelle. Lastwechsel, wie auch Start-Stop Operationen sch{\"a}digen die Brennstoffzelle {\"u}berm{\"a}{\ss}ig, wodurch ein station{\"a}rer Betrieb vorzuziehen ist. Da die Leistungsanforderung am Rad jedoch dynamisch vorliegt, muss die von dem station{\"a}ren Betrieb der Brennstoffzelle fehlende Leistung durch eine Batterie bereitgestellt werden. Im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie ist zur Vermeidung einer {\"u}berm{\"a}{\ss}igen Alterung die Einhaltung des Temperaturbereichs von 20-40 °C essenziell. Um dies zu gew{\"a}hrleisten, ist der Einsatz eines aufwendigen Thermomanagements notwendig.Ziel dieser Arbeit ist es aus {\"o}ffentlich zug{\"a}nglicher Literatur eine Gesamtfahrzeugsimulation aufzubauen. Die Simulation ist dabei als Ko-Simulation mit den Programmen MATLAB Simulink und KULI ausgef{\"u}hrt. Die r{\"u}ckw{\"a}rtsrechnende Fahrzeugsimulation errechnet die an der E-Maschine anliegende Leistung aus dem Geschwindigkeitsprofil und der Steigung des Fahrzyklus. Je nach Betriebsstrategie wird die elektrische Leistung der E-Maschine und der Nebenaggregate auf die Brennstoffzelle oder die Batterie aufgeteilt. In der Gesamtfahrzeugsimulation werden die Temperierung von E-Maschine, Brennstoffzelle, Batterie und der Fahrgastkabine ber{\"u}cksichtigt. Alle vier Teilsysteme erfordern eine Temperierung auf verschiedenen Temperaturniveaus und dadurch auch unterschiedliche Betriebsstrategien. Dadurch wird auch f{\"u}r jedes Subsystem ein eigener Kreislauf modelliert. Die Kopplung einiger Kreisl{\"a}ufe erm{\"o}glicht beispielsweise die Abw{\"a}rmenutzung der Brennstoffzelle zur Beheizung der Fahrgastkabine.Die Fahrzeugsimulation wird mit zwei klimatischen Randbedingungen, eine f{\"u}r den Sommer und eine f{\"u}r den Winter ausgef{\"u}hrt. Dabei werden zwei Fahrzyklen ber{\"u}cksichtigt. Zum einen ein {\"U}berlandzyklus und zum anderen ein Hochlast Zyklus, der eine lange Bergaufpassage beinhaltet. Es wird eine Analyse der Betriebsstrategie der Brennstoffzelle durchgef{\"u}hrt. Dabei wird zwischen einer brennstoffzellendynamischen und einer brennstoffzellenstation{\"a}ren Strategie unterschieden. Letztere erwies sich als vorteilhafter und wurde zur Evaluierung der K{\"u}hlkreisl{\"a}ufe verwendet. Die W{\"a}rmetauscher und K{\"u}hlmittelpumpen der Kreisl{\"a}ufe wurden mittels einer Optimierung in KULI ermittelt. Dabei muss die K{\"u}hlerfl{\"a}che der Brennstoffzelle rund 1,3 m² betragen. Die Evaluierung der K{\"u}hlkreisl{\"a}ufe best{\"a}tigte die Leistungsf{\"a}higkeit des Thermomanagement-Konzepts. In einer abschlie{\ss}enden Energiebilanz wurde ein Gesamtfahrzeugwirkungsgrad von 40,19 % Prozent im Sommer und 40,39 % im Winter festgestellt.",

author = "Roiser, {Sebastian Gerhard}",

year = "2021",

month = mar,

day = "23",

language = "deutsch",

school = "Technische Universit{\"a}t Graz (90000)",

}

TY - THES

T1 - Thermomanagement eines Lastkraftwagens mit Brennstoffzellenantrieb

AU - Roiser, Sebastian Gerhard

PY - 2021/3/23

Y1 - 2021/3/23

N2 - Um den Klimawandel zu verlangsamen, werden durch die europäische Gesetzgebung ab 2025 die CO2-Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge geprüft. Bis 2030 müssen die durch die Flotte emittierten CO2-Emissionen um 30 % reduziert werden. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen, kann der Einsatz eines LKWs mit Brennstoffzellenantrieb darstellen. Dieses Antriebskonzept produziert lokal keine Emissionen. Der für den Brennstoffzellenantrieb benötigte Brennstoff, Wasserstoff, kann dabei im besten Fall emissionsfrei aus Sonnenenergie gewonnen werden.Die Anwendung eines Brennstoffzellenantriebes im schweren Nutzfahrzeugbereich ist noch nicht ausgiebig erforscht und bringt einige Herausforderungen mit sich. Die zwei größten Herausforderungen im Thermomanagement der Brennstoffzelle sind dabei die hohen abzuführenden Wärmemengen und das niedrige Temperaturniveau des Kühlmittels. Die durch das Kühlmittel abzuführenden Wärmemengen können im schlechtesten Fall genauso hoch sein wie die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Effektivleistung. Dabei muss das Temperaturniveau des Kühlmittels im Bereich von 60-80 °C gehalten werden. Eine weitere Herausforderung ist die Betriebsstrategie der Brennstoffzelle. Lastwechsel, wie auch Start-Stop Operationen schädigen die Brennstoffzelle übermäßig, wodurch ein stationärer Betrieb vorzuziehen ist. Da die Leistungsanforderung am Rad jedoch dynamisch vorliegt, muss die von dem stationären Betrieb der Brennstoffzelle fehlende Leistung durch eine Batterie bereitgestellt werden. Im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie ist zur Vermeidung einer übermäßigen Alterung die Einhaltung des Temperaturbereichs von 20-40 °C essenziell. Um dies zu gewährleisten, ist der Einsatz eines aufwendigen Thermomanagements notwendig.Ziel dieser Arbeit ist es aus öffentlich zugänglicher Literatur eine Gesamtfahrzeugsimulation aufzubauen. Die Simulation ist dabei als Ko-Simulation mit den Programmen MATLAB Simulink und KULI ausgeführt. Die rückwärtsrechnende Fahrzeugsimulation errechnet die an der E-Maschine anliegende Leistung aus dem Geschwindigkeitsprofil und der Steigung des Fahrzyklus. Je nach Betriebsstrategie wird die elektrische Leistung der E-Maschine und der Nebenaggregate auf die Brennstoffzelle oder die Batterie aufgeteilt. In der Gesamtfahrzeugsimulation werden die Temperierung von E-Maschine, Brennstoffzelle, Batterie und der Fahrgastkabine berücksichtigt. Alle vier Teilsysteme erfordern eine Temperierung auf verschiedenen Temperaturniveaus und dadurch auch unterschiedliche Betriebsstrategien. Dadurch wird auch für jedes Subsystem ein eigener Kreislauf modelliert. Die Kopplung einiger Kreisläufe ermöglicht beispielsweise die Abwärmenutzung der Brennstoffzelle zur Beheizung der Fahrgastkabine.Die Fahrzeugsimulation wird mit zwei klimatischen Randbedingungen, eine für den Sommer und eine für den Winter ausgeführt. Dabei werden zwei Fahrzyklen berücksichtigt. Zum einen ein Überlandzyklus und zum anderen ein Hochlast Zyklus, der eine lange Bergaufpassage beinhaltet. Es wird eine Analyse der Betriebsstrategie der Brennstoffzelle durchgeführt. Dabei wird zwischen einer brennstoffzellendynamischen und einer brennstoffzellenstationären Strategie unterschieden. Letztere erwies sich als vorteilhafter und wurde zur Evaluierung der Kühlkreisläufe verwendet. Die Wärmetauscher und Kühlmittelpumpen der Kreisläufe wurden mittels einer Optimierung in KULI ermittelt. Dabei muss die Kühlerfläche der Brennstoffzelle rund 1,3 m² betragen. Die Evaluierung der Kühlkreisläufe bestätigte die Leistungsfähigkeit des Thermomanagement-Konzepts. In einer abschließenden Energiebilanz wurde ein Gesamtfahrzeugwirkungsgrad von 40,19 % Prozent im Sommer und 40,39 % im Winter festgestellt.

AB - Um den Klimawandel zu verlangsamen, werden durch die europäische Gesetzgebung ab 2025 die CO2-Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge geprüft. Bis 2030 müssen die durch die Flotte emittierten CO2-Emissionen um 30 % reduziert werden. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen, kann der Einsatz eines LKWs mit Brennstoffzellenantrieb darstellen. Dieses Antriebskonzept produziert lokal keine Emissionen. Der für den Brennstoffzellenantrieb benötigte Brennstoff, Wasserstoff, kann dabei im besten Fall emissionsfrei aus Sonnenenergie gewonnen werden.Die Anwendung eines Brennstoffzellenantriebes im schweren Nutzfahrzeugbereich ist noch nicht ausgiebig erforscht und bringt einige Herausforderungen mit sich. Die zwei größten Herausforderungen im Thermomanagement der Brennstoffzelle sind dabei die hohen abzuführenden Wärmemengen und das niedrige Temperaturniveau des Kühlmittels. Die durch das Kühlmittel abzuführenden Wärmemengen können im schlechtesten Fall genauso hoch sein wie die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Effektivleistung. Dabei muss das Temperaturniveau des Kühlmittels im Bereich von 60-80 °C gehalten werden. Eine weitere Herausforderung ist die Betriebsstrategie der Brennstoffzelle. Lastwechsel, wie auch Start-Stop Operationen schädigen die Brennstoffzelle übermäßig, wodurch ein stationärer Betrieb vorzuziehen ist. Da die Leistungsanforderung am Rad jedoch dynamisch vorliegt, muss die von dem stationären Betrieb der Brennstoffzelle fehlende Leistung durch eine Batterie bereitgestellt werden. Im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie ist zur Vermeidung einer übermäßigen Alterung die Einhaltung des Temperaturbereichs von 20-40 °C essenziell. Um dies zu gewährleisten, ist der Einsatz eines aufwendigen Thermomanagements notwendig.Ziel dieser Arbeit ist es aus öffentlich zugänglicher Literatur eine Gesamtfahrzeugsimulation aufzubauen. Die Simulation ist dabei als Ko-Simulation mit den Programmen MATLAB Simulink und KULI ausgeführt. Die rückwärtsrechnende Fahrzeugsimulation errechnet die an der E-Maschine anliegende Leistung aus dem Geschwindigkeitsprofil und der Steigung des Fahrzyklus. Je nach Betriebsstrategie wird die elektrische Leistung der E-Maschine und der Nebenaggregate auf die Brennstoffzelle oder die Batterie aufgeteilt. In der Gesamtfahrzeugsimulation werden die Temperierung von E-Maschine, Brennstoffzelle, Batterie und der Fahrgastkabine berücksichtigt. Alle vier Teilsysteme erfordern eine Temperierung auf verschiedenen Temperaturniveaus und dadurch auch unterschiedliche Betriebsstrategien. Dadurch wird auch für jedes Subsystem ein eigener Kreislauf modelliert. Die Kopplung einiger Kreisläufe ermöglicht beispielsweise die Abwärmenutzung der Brennstoffzelle zur Beheizung der Fahrgastkabine.Die Fahrzeugsimulation wird mit zwei klimatischen Randbedingungen, eine für den Sommer und eine für den Winter ausgeführt. Dabei werden zwei Fahrzyklen berücksichtigt. Zum einen ein Überlandzyklus und zum anderen ein Hochlast Zyklus, der eine lange Bergaufpassage beinhaltet. Es wird eine Analyse der Betriebsstrategie der Brennstoffzelle durchgeführt. Dabei wird zwischen einer brennstoffzellendynamischen und einer brennstoffzellenstationären Strategie unterschieden. Letztere erwies sich als vorteilhafter und wurde zur Evaluierung der Kühlkreisläufe verwendet. Die Wärmetauscher und Kühlmittelpumpen der Kreisläufe wurden mittels einer Optimierung in KULI ermittelt. Dabei muss die Kühlerfläche der Brennstoffzelle rund 1,3 m² betragen. Die Evaluierung der Kühlkreisläufe bestätigte die Leistungsfähigkeit des Thermomanagement-Konzepts. In einer abschließenden Energiebilanz wurde ein Gesamtfahrzeugwirkungsgrad von 40,19 % Prozent im Sommer und 40,39 % im Winter festgestellt.

M3 - Masterarbeit

ER -

Thermomanagement eines Lastkraftwagens mit Brennstoffzellenantrieb

Abstract

Fields of Expertise

Treatment code (Nähere Zuordnung)

UN SDGs

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