Lange war die Überwachung der Zellspannung von Elektrolyse- und Brennstoffzellen ein Thema der Forschung. Doch das ändert sich gerade. Zurzeit finde ein Wechsel von der Forschung zu industriell, praxisnahen Fragen statt, sagt Wolfgang Häußler, zuständig für Business Innovation im Wasserstoffbereich bei der Marquardt GmbH, einem Zulieferer für mechatronische Systeme. Das Unternehmen bietet Cell-Voltage-Monitoring-Systeme (CVM) an, die zunehmend in der Praxis eingesetzt werden. Denn auch im Betrieb kann das CVM wertvolle Informationen liefern und Fehler und Alterungsprozesse aufdecken. Seien es eine Membrandegradation oder Membrandefekte, Zellleckagen, unzureichende Elektrolytzufuhr oder der Verlust der Elektrodenbeschichtung. Auch kritische Betriebszustände unter Überspannung werden erkannt. Detektiert man solche Fehler frühzeitigt, kann man die Prozessparameter anpassen oder Wartungen vornehmen. Sogar zur Vermeidung von Unfällen kann das CVM beitragen, sagen Fachleute.
Unter Cell Voltage Monitoring (CVM) versteht man die kontinuierliche Überwachung der Zellspannungen innerhalb eines Stacks – also ein System, das die Hardware für die Messung und die Software zur Datenauswertung umfasst. Gelegentlich findet man die Abkürzung auch für den Begriff Cell Voltage Measurement, wobei dieser Begriff nur den eigentlichen Messvorgang der Zellspannungsmessung beschreibt. Cell Voltage Pickup (CVP) bezeichnet die Hardware direkt am Stack, die die elektrische Kontaktierung der Einzelzellen sowie die Verbindung zur Messtechnik übernimmt.
Systeme für alle gängigen Stack-Technologien
Das CVM-Portfolio von Marquardt deckt alle heute gängigen Stack-Technologien ab. Bei Elektrolyseuren kann die Elektronik sowohl in PEM- als auch Alkali-Stacks auf Basis derselben Architektur eingesetzt werden. Im Bereich der Brennstoffzellen reichen die Anwendungen von Personenkraftwagen und schweren Nutzfahrzeugen bis hin zu stationären Anwendungsfällen wie Notstromversorgung und Kraft-Wärme-Kopplung. „In Europa arbeiten wir eng mit mehreren der führenden Stack-Entwickler zusammen, was uns einen kontinuierlichen Feedback-Kreislauf zwischen unserer Elektronik und den Anforderungen realer Serien-Stacks ermöglicht“, so Häußler. Dabei nutzt das Unternehmen Technologie aus seinem Geschäftsbereich für Batteriemanagement im Automobilbereich. „Ein Großteil des Know-hows stammt direkt aus der Zellüberwachung in Hochspannungs-Antriebsbatterien“, sagt Häußler.
Die Zellspannungsmessung von Brennstoffzellen-Stacks und denen in der Elektrolyse unterscheidet sich nicht wesentlich „Unterschiede ergeben sich vor allem aus den jeweiligen Systemanforderungen“, sagt Carsten Krüger, Strategischer Marketingleiter beim CVM-Hersteller Dilico. „Dazu zählen Temperaturbereiche, Feuchtigkeitseinflüsse, mögliche Medienkontakte, Zellspannungsbereiche sowie sicherheitsrelevante Anforderungen wie beispielsweise ATEX-Vorgaben. Auch Bauraum, Zugänglichkeit und Wartungskonzepte unterscheiden sich teilweise deutlich.“ Da es keine standardisierten Zellgeometrien gibt, entwickelt das Unternehmen die Lösungen immer kundenspezifisch.
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Worauf es beim CVM ankommt
Zurzeit konzentriert sich Dilico auf stationäre Anwendungen. Eine Weiterentwicklung in Richtung Automotiveanwendungen ist aber denkbar. Unterschiede zwischen stationären und mobilen Anwendungen ergeben sich aus den Anforderungen an Robustheit, Integration und Normung. „Im Automotivebereich stehen insbesondere Vibrationen, dynamische Lastwechsel, EMV-Anforderungen, Bauraumrestriktionen und sicherheitsrelevante Vorgaben im Fokus. Stationäre Systeme fokussieren dagegen stärker auf Langzeitstabilität, Wartungsfreundlichkeit und skalierbare Integration“, so Krüger. Wichtig bei einem CVM sei die zuverlässige, kontinuierliche und störungsfreie Überwachung der Einzelzellspannungen. Neben der Messgenauigkeit spielt laut Dilico vor allem die Integration der Messtechnik direkt am Stack eine zentrale Rolle.
Für Marquardt steht der Messbereich an erster Stelle. „Ein dabei oft übersehenes Detail ist die Fähigkeit, negative Zellspannungen zu messen“, so Häußler. „Eine negative Einzelzellspannung ist einer der deutlichsten Indikatoren für einen kritischen Fehler: Eine eingefrorene Zelle, eine unterversorgte Zelle oder eine Zelle mit starker Umkehrung. Ein CVM, das bei Null abschneidet, verliert genau die Informationen, die Sie am dringendsten benötigen.“
Auch die funktionale Sicherheit ist ein zentrales Kriterium. Marquardt bietet im Automobilbereich gemäß dem Risikoklassifizierungssystem ASIL (Automotive Safety Integrity Level) der ISO-Norm 26262 die Sicherheitsstufe bis ASIL B an. In den meisten Serienprojekten sei Stufe QM für standardmäßige Qualitätsmanagement-Prozesse jedoch ausreichend.
Genauigkeit und Messfrequenz mit Kostenabwägen
„Der dritte Punkt – und einer, der uns sehr am Herzen liegt – ist, nicht zu überdimensionieren“, sagt Häußler. „Ab einer bestimmten Schwelle verursachen zusätzliche Genauigkeit und Messfrequenz Kosten, ohne dem Stack-Controller nennenswert bessere Informationen zu liefern.“ Die Spezifizierung des CVM auf den tatsächlichen Diagnosebedarf und nicht darüber hinaus, sei ein wesentlicher Teil der Überführung des Systems in die Serienproduktion. In der Forschung wolle man so viel wie möglich messen. In der Praxis komme es dagegen darauf an, dass die Technologie zuverlässig funktioniere und was sie koste. „Der Preis ist zunehmend ein Thema“, so Häußler.
Für die Zuverlässigkeit der Messung muss das Design vom CVP bis hin zur Auswertungssoftware robust sein. Dabei muss die Software enorme Datenmengen bewältigen. Die Rohspannungswerte sind für den Stack-Controller nur von begrenztem Nutzen. Daher verdichtet das CVM diese in Echtzeit zu den relevanten Variablen: Minimal-, Maximal- und Mittelwert sowie Streuung und Gradienten pro Zelle. Hinzu kommen spezielle Erkennungswege für Spannungsumkehr, Niederspannungsereignisse, Drift und Leitungsbrüche. Und auf Geschwindigkeit kommt es ebenfalls an. „Die Daten müssen den Stack-Controller rechtzeitig erreichen, um eine Schutzreaktion auszulösen“, sagt Häußler. Für Marquardt sind auf der Kommunikationsseite für Brennstoffzellensysteme im Automobilbereich CAN und CAN-FD die relevanten Schnittstellen. Für Elektrolyseure unterstützt das Unternehmen die in der Industrie üblichen Kommunikationsprotokolle.
Und ein weiterer Punkt ist wichtig: Die bereitgestellten Daten sollen auch in die Weiterentwicklung der hinterlegten Modelle einfließen. Bei Marquardt wird die Datenaufbereitung darum in enger Zusammenarbeit mit den Modellentwicklern optimiert. Dilico entwickelt derzeit eine intelligente Softwareplattform zur Auswertung der Messdaten. Ziel ist es, Zellspannungen, Temperaturverläufe und weitere Betriebsdaten datenbasiert zu analysieren und daraus konkrete Zustands- und Handlungsempfehlungen abzuleiten. Langfristig soll so eine Diagnostik- und Analyseplattform entstehen, die Sicherheit und Effizienz von großen Wasserstoffsystemen verbessert und eine vorausschauende Wartung ermöglicht.
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Kontakte auf engstem Raum
Zuverlässig muss auch die Kontaktierung für die Erfassung der Zellspannung sein. Dafür gibt es unterschiedliche Verbindungstechnologien. Das reicht von der klassischen Einzelverdrahtung über Federkontaktelemente bis hin zu weiteren mechanischen Kontaktierungslösungen. „Welche Technologie sich eignet, hängt stark von den jeweiligen Anforderungen ab“, sagt Krüger. Entscheidend sind auch hierbei Bauraum, Montagefreundlichkeit, Vibrationsfestigkeit, Wartungskonzepte sowie Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Kontaktierung. Dilico setzt kundenspezifische Kontaktierungskonzepte ein und entwickelt diese gezielt für die jeweilige Stack-Technologie weiter.
Marquardt bietet zwei Hauptfamilien von Cell-Voltage-Pickup-Produkten an, die sich durch die Art der Bipolarplatte unterscheiden. Für mechanisch empfindliche Bipolarplatten aus Graphit sind Kontaktierungen erforderlich, die die Belastung sorgfältig verteilen und lokale Spannungen vermeiden. Metallische Bipolarplatten aus Edelstahl ist der Kontaktpartner eine gestanzte Lasche. Hier liegt der Schwerpunkt auf Korrosionsbeständigkeit und zuverlässigem Clip-Eingriff bei sehr dünner Geometrie. Beide Produktfamilien lassen sich an die Stack-Geometrie des Kunden anpassen und decken eine breite Palette an Zellabständen ab. Somit kann Marquardt sowohl kompakte Automobil-Stacks mit Abständen im Submillimeterbereich kontaktieren als auch Stacks mit größerem Abstände, wie sie für industrielle Systeme typisch sind. Die jeweils verwendeten Feder-, Laschen- oder Stiftkontakte wählt das Unternehmen projektspezifisch entsprechend dem Stapeldesign aus.
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Messtechnik direkt am Stack
Früher wurden Zellspannungen häufig über Einzelverdrahtung erfasst, bei der jede Zelle separat mit externer Messtechnik verbunden wurde. Geschieht das über lange Kabelwege bis in einen Schaltschrank, bedeutet das einen großen Aufwand für die Verkabelung und die Integration in die Anlage. „Geichzeitig müssen hohe Spannungspotenziale – teilweise bis 1.500 VDC – über größere Distanzen innerhalb des Systems geführt werden“, sagt Krüger. „Lange analoge Leitungswege können zudem die Signalqualität beeinträchtigen und die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen erhöhen.“
Daher hat Dilico ein CVP entwickelt, das eine stacknahe Messung mit kurzer analoger Signalführung und unmittelbarer Digitalisierung nahe der Zelle ermöglicht. Dadurch lassen sich Leitungslängen, Störeinflüsse und potenzielle Fehlerquellen deutlich reduzieren. Gleichzeitig verbessern sich laut Krüger Signalqualität, Prozesssicherheit und Integrationsfähigkeit erheblich. Die stacknahe Integration schaffe zudem die Grundlage für zusätzliche Funktionen wie Temperaturmessung, weitere Sensorsignale oder ein gezieltes Einzelzell-Bleed-down. Die patentierte Bleed-down-Technologie von Dilico ermöglicht ein kontrolliertes Entladen einzelner Zellen und könne dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Zellgesundheit, Betriebsstabilität und Lebensdauer des gesamten Stacks leisten, so Dilico. Auch Marquardt bietet mit dem CVMcompact ein System an, das die Messelektronik im CVP integriert und die Daten über eine digitale Schnittstelle weitergibt.
Jede Zelle oder repräsentative Teilmenge messen?
Für Forschungszwecke werden sämtliche Zellen vermessen. Im Einsatz in der Serie ist das nicht immer nötig. Der Hersteller Smart Testsolutions misst zum Beispiel die ersten und die letzten Zellen und dann noch einige ausgewählte in der Mitte (siehe Interview mit Wolfgang Neu, Geschäftsführer der Smart Testsolutions, auf Seite xx). Marquardt empfiehlt, jede einzelne Zelle zu überwachen. „Eine vollständige Abdeckung bietet den bestmöglichen Einblick in den Zellstapel: So kann der Controller einen Fehler auf eine einzelne Position eingrenzen“, sagt Häußler. Manche Kunden entscheiden sich aber dafür, nur einen bestimmten Bereich von Zellen zu überwachen. Zum Beispiel die Zellen, die unter ihrem Betriebsprofil am anfälligsten für Fehler sind, oder eine repräsentative Teilmenge. Das reduziert die Anzahl der Kanäle und spart Kosten. Je besser der Kunde das Verhalten seines Stacks bereits kennt, desto besser ist eine Auswahl der zu überwachenden Zellen möglich.
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