Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM248 unterschiedliche Zellspannungen robust und effizient messen
Die schnelle Messung und Visualisierung der individuellen Zellspannungen in einer Brennstoffzelle bildet die Grundlage zur optimalen und energieeffizienten Lastreglung der Brennstoffzelle und erlaubt tiefere Einblicke in den Zustand der Zellen. So kann die Last der Brennstoffzelle an den Betriebszustand soweit wie möglich angepasst werden, um z. B. bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen immer die optimale Leistung bei gleichzeitigem Schutz der Brennstoffzelle zu erzielen.
Die Herausforderung im vorliegenden System besteht darin, bei zwei Brennstoffzellen je 248 unterschiedliche Zellspannungen im Bereich zwischen 0,4 und 1,0 Volt sicher und innerhalb weniger Millisekunden zu messen, obwohl jede dieser Spannungen ein eigenes Bezugspotential hat. Das erfordert bei konventionellem Aufbau entweder einen eigenen potentialfreien AD-Wandler oder ein sehr aufwendiges Schaltungsdesign zur Kompensation der Bezugspotentiale. Beides ist jedoch kosten- und zeitintensiv.
Basis der von Fraunhofer IMM entwickelten Lösung bildet eine handelsübliche Baugruppe zur Erfassung von acht Spannungen von 0-10 Volt mit einem einzigen gemeinsamen Bezugspotential. Um Entwicklungszeit und Kosten zu sparen und möglichst schnell zur industriellen Anwendung zu gelangen, wurden ausschließlich industriell erprobte und kostengünstige Standardkomponenten verwendet, ergänzt um eine speziell programmierte Software. Die erforderlichen Komponenten werden zusammengebaut und erfüllen per se sowohl die üblichen Industriestandards, als auch die problemlose Integration in ein Prozessleitsystem oder eine PLC. Das vereinfacht die Installation enorm und verbessert darüber hinaus die Messgenauigkeit. Ein spezielles Hardwaredesign mit entsprechenden Tests entfällt vollständig. Da auf diesem Weg immer alle acht Spannungen mit einem gemeinsamen Bezugspotential gemeinsam gemessen und verarbeitet werden, kann die Anzahl der erforderlichen Potentialtrennungen um den Faktor acht reduziert werden.
Weitere Charakteristika:
- Problemlose Übertragung der Daten vom Erfassungsort direkt an der Brennstoffzelle zum Auswertungssystem über ein international genormtes, herstellerneutrales Bussystem
- Nutzung der leistungsfähigen Hardware der Prozesssteuerung erlaubt die erforderliche Berechnung und Auswertung der Einzelwerte per Software direkt in der Prozesssteuerung ohne zusätzliche Kosten
- Extrem kurze Bearbeitungszeiten von 3 ms für insgesamt 496 Werte
- Dynamische Grenzwertberechnungen und Mittelwertbildung sind im speziellen Softwaremodul bereits integriert
- Flexible Gestaltung der Auswertungssoftware, so dass eine skalierbare, baugruppenweise Auswertung der Zellspannungen erfolgt und eine problemlose Nutzung bei unterschiedlichen Zellanzahlen möglich ist
Zusammenfassend ist so ein System entstanden, welches eine industrietaugliche und gleichzeitig kostengünstige, stabile Lösung für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen in Kleinserie bietet.
