Nitsche, C. (2008). Model-based on- and off-board diagnostics for fuel cell powertrains of a global vehicle fleet [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/186350
Diagnostics; Vehicle; Powertrain; Zero Emissions; Fuel Cell
en
Abstract:
Strengere Abgasvorschriften für Kraftfahrzeuge, speziell in Kalifornien, führen zu neuen Entwicklungen im Bereich der schadstofffreien Antriebe für Kraftfahrzeuge. Die derzeit vielversprechendste Technologie in diesem Bereich ist der Brennstoffzellenantrieb. So angetriebene Fahrzeuge werden als "Null-Emissions" Fahrzeuge eingestuft, da sie weder Schadstoffe noch das Treibhausgas Kohlendioxid ausstoßen. Das einzige Reaktionsprodukt des Brennstoffzellenbetriebs ist reiner Wasserdampf, welcher über den Auspuff ausgestoßen wird. Brennstoffzellenfahrzeuge dieser Art verwenden Wasserstoff als Treibstoff und können wie ein konventionelles Fahrzeug an einer Tankstelle betankt werden. Wasserstoff hat zusätzlich, im Hinblick auf eine Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, den Vorteil aus erneuerbaren Energien hergestellt werden zu können.<br />Um die Alltagstauglichkeit dieser Brennstoffzellentechnologie untersuchen zu können, hat die Daimler AG 60 Brennstoffzellenfahrzeuge mit einer Brennstoffzellen-stackleistung von über 80 kW an ausgewählte Kunden aus mehreren Regionen der Erde übergeben. Das Ziel der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie ist es eine ähnliche Lebensdauer wie bei konventionellen Fahrzeugen zu erreichen: > 5000 Betriebsstunden.<br />Zur Untersuchung des derzeitigen Stands der Technik im Hinblick auf die Erreichung dieses Zieles untersucht diese Arbeit die Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit dieser unter realen Bedingungen betriebenen Brennstoffzellensysteme wie auch die Auswirkungen der Alterungsphänomene auf die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs.<br />Dazu werden in dieser Arbeit Diagnosemethoden und Konzepte zur Erkennung von Alterungserscheinungen entwickelt, speziell für diese weltweite Brennstoffzellenfahrzeugflotte. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass die Fahrzeuge anhand des normalen dynamischen Fahrbetriebs in den unterschiedlichen Regionen der Erde diagnostiziert werden sollen, und nicht mittels kontrollierter Tests der Fahrzeuge auf dem Prüfstand, welche bisher zur Bestimmung des Alterungszustands der Brennstoffzellensysteme verwendet wurden. Daher wurde ein Datenerfassungssystem entworfen, welches die Daten von den Flottenfahrzeugen automatisiert zentral sammelt und zur Analyse zur Verfügung stellt. Im nächsten Schritt wurde eine Diagnosemethode entwickelt, welche anhand von realen Fahrdaten kontrollierte Prüfstandstests zur Bestimmung des Alterungszustands simulieren kann.<br />Der Grundbaustein dieser Methode sind mathematische Modelle des Brennstoffzellensystems. Daher beschäftigt sich ein Abschnitt dieser Arbeit mit der Erstellung von genauen Modellen des realen Brennstoffzellenverhaltens mit all seinen störenden Einflüssen wie variierende Außentemperaturen, hohe Dynamiken und Nichtlinearitäten im Systemverhalten. Zur Validierung dieser Methode der Alterungszustandserkennung und zur prinzipiellen Untersuchung des Alterungsverhaltens eines Brennstoffzellenantriebs wurde ein Fahrzeug über x Betriebsstunden untersucht, welches zusätzlich zum normalen Straßenbetrieb auch regelmäßig durch kontrollierte Prüfstandstests analysiert wurde. Zusätzlich wurden zum Vergleich drei weitere Brennstoffzellensysteme gleicher Art untersucht, welche über deren Lebensdauer im Labor betrieben wurden. All diese Ergebnisse werden in einem eigenen Abschnitt erläutert.<br />Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die untersuchten Brennstoffzellensysteme über die Zeit an verfügbarer Spannung einbüßen und somit auch die Systemleistung und Effizienz sinkt. Diese Effekte führten in den untersuchten Systemen aber nicht zu einem Systemausfall, sondern lediglich zu einer Minderung der Maximalleistung. Zu den entwickelten Diagnosemethoden kann gesagt werden, dass die Methode der Simulation von kontrollierten Prüfstandstests der Brennstoffzellenfahrzeuge über mathematische Modelle des realen Verhaltens des Brennstoffzellensystems in der geforderten und benötigten Genauigkeit Ergebnisse liefert die den echten Prüfstandstests entsprechen. Somit kann diese Methode auf den restlichen Teil der Fahrzeugflotte angewendet werden, welcher nicht regelmäßig solchen Prüfstandstests zugeführt wird.<br />Zum Abschluss werden die Ergebnisse diskutiert und ein Ausblick auf eine zukünftige onboard Implementierung dieser Diagnosemethode gegeben. Eine solche Implementierung hat den Vorteil, dass das Fahrzeug den Alterungszustand seines Brennstoffzellenantriebs selbst evaluieren kann und nicht mehr alle Daten aufgezeichnet und dann offboard ausgewertet werden müssen, ein wichtiger Schritt in Richtung Serientauglichkeit der Brennstoffzellenfahrzeuge.<br />
de
In the past fuel cell powered vehicles have been researched in laboratories and on single prototype vehicles. Stricter emission regulations throughout the world and especially in California have intensified the development efforts in the fuel cell field, since hydrogen powered fuel cell vehicles can pass even the strictest emission regulations due to its zero emission operation. Hydrogen as fuel has the additional benefit of being able to be produced from renewable sources and therefore reducing the dependency on fossil fuel as well as reducing the carbon-dioxide release to the atmosphere.<br />In order to prepare this technology for the mass market respectively for mass production, Daimler AG has built 60 Mercedes-Benz passenger fuel cell vehicles, equipped with a fuel cell stack of around 80 kW, and has started to operate this fleet in customer hands in several regions of the world. One of the main goals in fuel cell vehicle development is to reach a similar lifetime and durability as today's internal combustion engine powered vehicles (>5000 operating hours). To support this goal the focus of this thesis is to develop diagnostics concepts and methods for these vehicles and for fuel cell powered vehicles in general for the purpose of determining fuel cell lifetime and durability as well as detecting lifetime limiting effects. These concepts and methods should be suitable for offboard fleet diagnostics and in the future also for in-vehicle onboard diagnostics. In a first step a diagnostics concept is developed for this worldwide fuel cell vehicle fleet, addressing the data collection issues for the whole fleet as well as needed diagnostics methods. One aspect that makes diagnostics difficult is that the vehicles should be diagnosed while they are in customer hands during daily normal and random driving in different climate zones. It would be easier if the vehicles could be operated in a controlled setting where they can be frequently checked for failures or fuel cell degradation by utilizing controlled dynamometer tests. Therefore a diagnostics method was developed which allows simulating a controlled test bench test for the purpose of fuel cell degradation detection. This method was validated based on one of the fleet vehicles, which was usually operated on the street (for over x operating hours) but also frequently checked using controlled dynamometer tests. For a comparison of the behavior of a fuel cell system operated in a vehicle and in the laboratory, three laboratory systems have also been researched over the course of their lifetime and compared to the degradation seen in the vehicle.<br />Crucial elements of this diagnostics method are accurate mathematical models of the fuel cell system. Therefore one part of this work deals with the question, how accurate models of a real fuel cell system, with all its nuisance influences, such as dynamics, temperatures and non-linearities can be created.<br />Furthermore all analysis results are presented, starting from the results of the modelling tasks followed by the results of the lifetime degradation analysis. The analysis showed that the fuel cell system looses available voltage over time, resulting in lower output power and lower system efficiency. But these effects have not led to a failure in the systems researched here, only to a reduced maximum output power. The results of the application of the diagnostics method, which was developed in this work, show that the method of simulating controlled dynamometer tests of the fuel cell vehicles by utilizing mathematical models of the real world fuel cell system behavior delivers results in the desired and needed accuracy. This means, that this method can be applied to the remaining fleet vehicles, which are not tested regularly with such dynamometer tests.<br />A final discussion of the findings of this thesis ends this work followed by an outlook for a future onboard implementation of the diagnostics methods. Such an implementation has the advantage, that the status of the fuel cell system can be evaluated automatically onboard the vehicle eliminating the need for a complex data recording, transmission and storage system, which is an important step towards a mass production of fuel cell vehicles.