Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung der Steuerung eines hybriden elektrischen Antriebsstrangs. Ausgangspunkt ist ein elektrischer Antrieb, der von einem Akku gespeist wird. Dieser Akku soll während des Betriebs mit einer Methanolbetriebenen Brennstoffzelle nachgeladen werden. Hier soll keine Direktmethanol-Brennstoffzelle zum Einsatz kommen, sondern eine Kombination aus Methanol-Reformer, der ein wasserstoffreiches Gas generiert, und einer Hochtemperatur - Brennstoffzelle (HTPEM - FC). Die Arbeit umfasst dabei die allgemeine Betriebsstrategie wie Ladezyklen, Standby-Phasen etc, die Steuerung des Reformers und den Betrieb der Brennstoffzelle in einem neu entwickelten Ladekonzept. Während die Grundlagenentwicklung auf einem Rapid-Prototyping-System stattfindet, soll als Ziel der Arbeit die Steuerung auf ein Embedded-System übertragen werden. Hierbei steht insbesondere die HW-Unabhängigkeit der Steuerung im Vordergrund. Die Entwicklung der Reformer-Steuerung umfasst die Strategie zum Aufheizen des Systems mit minimalem elektrischen Energieverbrauch, da diese Energie im Start von der Batterie entnommen wird und daher grundsätzlich als Restladung zur Verfügung stehen muss. Im Gegensatz zu den üblichen Systemen wird in diesem System der Reformer im Betrieb nach der Last moduliert und nicht umgekehrt. Dabei dient die Brennstoffzelle als Lastsensor. Die Steuerung der Brennstoffzelle beinhaltet neben An- und Abfahrstrategien insbesondere die Lastregelung. Dabei wird die Last als unbekannt, nicht beeinflussbar und unstetig angenommen. Die Ladeschaltung regelt die Ladung der Batterie unter bestmöglicher Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wasserstoffs und verhindert gleichzeitig eine Überlastung der Brennstoffzelle bei plötzlicher Laständerung wie z.B. dem Zuschalten von Motoren. Hierbei wird die bekannte Tiefsetzsteller-Schaltung dahingehend weiterentwickelt, dass möglichst alle großen und schweren Komponenten durch Batterie- und Brennstoffzellen-interne Effekte minimiert werden oder ganz entfallen können. Der Nutzungsgrad des zur Verfügung stehenden Wasserstoffs wird in die Reformersteuerung zurückgekoppelt. Nach Kopplung von Reformer- und Brennstoffzellen-Steuerung wird das System in eine Embedded-Steuerung portiert. Hierbei wird insbesondere auf die Strukturierung der Software geachtet. Die Einführung eines Hardware-Abstraktions-Layers ermöglicht die Implementierung von hardwareunabhängigem Steuerungscode und Hardware-Treibern ohne dabei die Performance signifikant zu verschlechtern oder die Echtzeitfähigkeit zu beeinflussen.

    Objective of this work is the development of a control for a hybrid electric power train. Initial point is an electric drive powered by a rechargeable battery. This battery shall be recharged during operation by a methanol-driven fuel cell. At this point it is not intended to deploy a direct methanol fuel cell but a combination of a methanol reformer generating hydrogen-rich gas and a high-temperature fuel cell (HTPEM-FC). This work covers the general strategy of operation like load cycles, standby phases etc., the reformer control and the fuel cell operation with a newly developed charge concept. While the basic research is done on a rapid prototyping system this work aims on porting the control system to an embedded platform. Here emphasis is put on the hardware independency of the control. The development of the reformer control contains the strategy for heating up the system with a minimum of electrical energy consumption, since this energy has to be supplied from the battery during the system start-up, increasing the minimum charge level of the battery required for an autarkic recharge. Unlike in common systems the reformer will be modulated according to the electric load and not vice versa, though the fuel cell serves as load sensor. Beside start-up and shutdown strategies the fuel cell control covers particularly the charge control. The electric load is assumed to be unknown, non-influenceable and unsteady. The charge control handles the charging of the battery under optimal utilization of the available hydrogen while avoiding an overload of the fuel cell caused by sudden load changes like powering up the drive. Therefore the common stepdown circuit will be advanced so that all huge and heavy electronic components can be minimized or substituted by internal effects of battery and fuel cell. The fuel utilization will be feed back to the reformer control. After coupling of reformer and fuel cell control the system will be ported to an embedded control system. Emphasis is here mainly on the software structure. The introduction of a hardware abstraction layer (HAL) enables the implementation of portable control code and hardware-specific drivers without decreasing performance significantly or influencing real-time capabilities.


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