FUCHS - Modellbasierte Entwicklung von Controller und Diagnose für Brennstoffzelle

Im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo IV 4) der Bundesregierung wird das Forschungsvorhaben FUCHS durchgeführt. Das Ziel dieses Projektes besteht in der Integration eines Brennstoffzellensystems in ein Verkehrsflugzeug und die Demonstration dieser Technologie im Flugversuch. Untersuchungen in der Vergangenheit haben gezeigt, dass eine reine Substitution der Hilfsgasturine durch ein System von mehreren Brennstoffzellen aufgrund des Gewichtes nicht zielführend ist. Aus diesem Grund soll die Brennstoffzelle für mehrere Funktionen an Bord eines Verkehrsflugzeuges verwendet werden. Die erzeugte elektrische Leistung kann über eine Leistungselektronik direkt in das Bordnetz gespeist werden. Auf diese Weise wird ein autonomer Bodenbetrieb ermöglicht und es steht eine Notfallenergieversorgung zur Verfügung, falls die Triebwerksgeneratoren während des Fluges ausfallen sollten. Neben der elektrischen Leistung kann insbesondere das Abgas einer Brennstoffzelle weiter genutzt werden, da dieses einen hohen Anteil an Wasserdampf und einen reduzierten Sauerstoffgehalt aufweist. Das Wasser kann auskondensiert und abgeschieden werden, um es dem Wassersystem des Flugzeuges hinzuzufügen. Das getrocknete und sauerstoffarme Abgas kann schließlich als Inertgas für die Treibstofftankinertisierung verwendet werden. Dieser multifunktionale Ansatz führt zu Herausforderungen unter anderem beim Entwurf von geeigneten Control- und Monitoring-Konzepten sowie im Bereich der Systemdiagnose, die zur Reduktion von Wartungskosten eingesetzt werden soll.

Das Institut für Flugzeug-Systemtechnik bearbeitet im Rahmen des FUCHS Projektes zwei Arbeitspakete. In Arbeitspaket 1 werden geeignete Control- und Monitoring-Konzepte für das multifunktionale Brennstoffzellensystem entworfen, getestet und bewertet. Die Verwendung von modellbasierten Entwurfsmethoden ermöglicht es, komplexe steuerungstechnische Zusammenhänge darzustellen, zu simulieren und die Modelle als kontinuierlich wachsenden Wissensspeicher zu nutzen. Der Test der implementierten Konzepte soll in einer virtuellen Integrationsumgebung stattfinden. Zu diesem Zweck wird ein Gesamtsystemmodell des multifunktionalen Brennstoffzellensystems aufgebaut, das neben dem Nominalverhalten auch Fehlerfälle abbilden kann. Im Rahmen der virtuellen Integration wird das Modell des Control- und Monitoring-Systems zusammen mit dem System unter Verwendung von Testsequenzen simuliert und bewertet. Die Testsequenzen können neben einer normalen Flugmission auch beliebige Grenz- und Fehlerfälle beinhalten, die an einem realen Prüfstand nicht durchgeführt werden können.

In Arbeitspaket 2 werden geeignete Verfahren zur frühzeitigen Erkennung von Fehlern im multifunktionalen Brennstoffzellensystem, sowie der anschließenden, zielführenden Isolation möglicher Fehlerursachen entworfen, getestet und bewertet. Die Nutzung modellbasierter Entwurfsmethoden ermöglicht es hierbei komplexe Wirkungszusammenhänge zwischen Fehlern und Effekten zu analysieren und dadurch die Grundlage für einen anforderungsorientierten Entwurf verschiedener Konzepte von Diagnosesystemen zu bilden. Der Test der entworfenen Konzepte erfolgt in einem mehrstufigen Prozess, der mit einem virtuellen Integrationsansatz abgeschlossen wird. In diesem werden die Konzepte zusammen mit einem Gesamtsystemmodell des multifunktionalen Brennstoffzellensystems getestet. Zu diesem Zweck werden Testprozeduren entwickelt anhand derer verschiedene Fehlerszenarien simuliert werden können. Dies ermöglicht eine Bewertung der Konzepte und eine Verifikation, dass gestellte Anforderungen erfüllt werden.