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J. Höflinger:
"Efficiency and Operating Strategy Assessment of a Fuel Cell Range Extended Electric Vehicle";
Supervisor, Reviewer: P. Hofmann, B. Geringer, H. Eichlseder; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA), 2019; oral examination: 2020-03-11.

In order to eliminate the local C02 emissions from vehicles and to combat the associated climate change, the classic internal combustion engine can be replaced by an electric motor. The two most advantageous variants for the necessary electrical energy storage in the vehicle are currently the purely electrochemical storage in batteries and the chemical storage in hydrogen with subsequent conversion into electrical energy by means of a fuel cell stack. The two variants can also be combined in a battery electric vehicle with a fuel cell range extender, so that the vehicle can be refuelled either purely electrically or using hydrogen. In order to ensure the efficient operation of a vehicle with this innovative powertrain configuration and to analyse the unclear fuel cell system efficiency with focus on the air supply system, a PEM fuel cell system test bench with a 30 kW stack was first set up for the experimental investigation. The different parameter influences of the test bench were analysed and evaluated in terms of stack/system efficiency and functionality. The control software of the test bench was specifically developed for the flexible variation of all operating parameters. Depending on the load point and operating conditions, a system efficiency between 42 % and 56 % was achieved. Based on the experimental data, a new validated multi-parameter sensitive fuel cell stack model was developed, which describes all the measured influences. The model was used to optimise the fuel cell system efficiency with regard to the air supply system. lt was shown that higher air pressures and lower air excess ratios increase the system efficiency at high loads. On the vehicle level, the set load point of the range extender and the potential waste heat usage of vehicle components can significantly influence the fuel economy of the vehicle. Thus, a 1-D vehicle simulation model was set up in addition to the fuel cell system range extender model for the simulation-based energy management strategy development. After validating the vehicle model with measurement data, different operating strategies were analysed by means of driving cycle analysis. lt was shown that during the WLTC driving cycle, the fuel consumption can be reduced by 8.3 % when the driving route is known a priori compared to a power follower(or SOC PI-controlled) strategy. Under low ambient temperatures with the waste heat usage of the fuel cell stack, the fuel reduction potential amounts to 13 %. In summary, the fuel cell range extender system and the whole vehicle were evaluated for operation at the highest efficiency.

Um die lokalen C02 -Emissionen von Fahrzeugen zu eliminieren und gegen den damit in Verbindung gebrachten Klimawandel vorzugehen, kann für den Fahrzeugantrieb die klassische Verbrennungskraftmaschine durch einen Elektromotor ersetzt werden. Die zwei vorteilhaftesten Varianten für die dafür notwendige elektrische Energiespeicherung im Fahrzeug stellen derzeit die rein elektrochemische Speicherung in Batterien und die chemische Speicherung in Wasserstoff mit anschließender Wandlung in elektrische Energie mittels Brennstoffzellenstack dar. Die beiden Varianten können auch in einem batterieelektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzellen Range Extender kombiniert werden. Um den effizienten Betrieb eines Fahrzeugs mit dieser innovativen Antriebsstrangkonfiguration sicherzustellen und die unklare Brennstoffzellensystemeffizient mit Fokus auf die Luftversorgung zu analysieren, wurde zunächst für die experimentelle Untersuchung ein PEM-Brennstoffzellensystemprüfstand mit einem 30 kW Stack aufgebaut. Die verschiedenen Parametereinflüsse wurden analysiert und hinsichtlich der Effizienz und Funktionalität des Stacks/Systems bewertet. Die Steuerungssoftware des Prüfstandes wurde speziell für die flexible Variation aller Betriebsparameter entwickelt. Je nach Lastpunkt und Betriebsbedingungen wurde ein Systemwirkungsgrad zwischen 42% und 56% erreicht. Basierend auf den experimentellen Daten wurde ein neues validiertes, multiparameter-sensitives Brennstoffzellenmodell entwickelt, das alle gemessenen Einflüsse beschreibt. Das Modell wurde verwendet, um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems in Bezug auf die Luftversorgung zu optimieren. Höhere Luftdrücke und geringere Luftzahlen erhöhen die Systemeffizienz bei hohen Lasten. Auf Fahrzeugebene können der Lastpunkt des Range Extenders und die mögliche Abwärmenutzung von Fahrzeugkomponenten den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeuges stark beeinflussen. Daher wurde zusätzlich zum Brennstoffzellen Range Extender-Modell ein 1-D-Gesamtfahrzeugmodell für die simulationsbasierte Energiemanagemententwicklung aufgebaut. Nach der Validierung des Fahrzeugmodells mit Messdaten, wurden mittels Fahrzyklusanalyse verschiedene Betriebsstrategien analysiert. Es wurde gezeigt, dass im WLTC-Fahrzyklus der Kraftstoffverbrauch um 8,3% gesenkt werden kann, wenn die Fahrstrecke im Vergleich zu einer Power-Follower (oder SOC PI-Regler) Strategie a priori bekannt ist. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit der Abwärmenutzung des Brennstoffzellenstacks beträgt das Einsparpotenzial 13%. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Brennstoffzellen Range Extender System und das gesamte Fahrzeug für den Betrieb mit höchster Effizienz evaluiert wurden.