Grumm, Florian

To increase the service life or durability of PEM fuel cells, no-load operation at open circuit voltage has to be avoided to reduce destructive electrochemical effects. This paper shows two approaches to realize a regulated base-load with a fuel cell protection unit for application in aircraft multi-powertrain-concepts. Firstly, a clocked MOSFET in the form of a chopper circuit, and secondly, a MOSFET in linear operation as current source. This contribution describes the design concept of both approaches and the validation of prototypes in a laboratory pHiL-environment. Both approaches are proven to be viable solutions, with the current source approach resulting in smoother operation.

Dieser Applikationshinweis beschreibt die Gefahr, die bei unzureichender Überstrom-Absicherung von DC-SPDs in DC-Schnell-Ladesystemen besteht. DC-Schnell-Ladesysteme verbinden sich direkt mit der Traktionsbatterie eines elektrischen Kraftfahrzeuges. Tritt ein niederohmiger Kurzschluss des DC-SPD‘s auf, speist die Traktionsbatterie den entstehenden Kurzschlussstrom. Aufgrund der hohen Kurzschlussströme von Traktionsbatterien im Kiloampere-Bereich entsteht bei unzureichender Überstrom-Absicherung des DC-SPD‘s eine Brandgefahr innerhalb des DC-Schnell-Ladesystems. In diesem Beitrag werden zwei Maßnahmen zur Überstrom-Absicherung der DC-SPDs vorgestellt, um die Brandgefahr zu vermeiden.

Hydrogen fuel cells have become one of the most viable power sources for electric aircraft. Models representing the electrical behavior of the fuel cell stack over the full dynamic operation region are essential for the development of power electronic energy systems powered by fuel cell stacks. This work presents an electrical equivalent circuit model for PEM fuel cell stacks representing the static and dynamic electrical behavior of the fuel cell stack under pulsed loads up to frequencies of 10 kHz. Dynamic phenomena on time scales slower than the considered timescale of power-electronic switching, such as reactant flow, membrane hydration, and temperature effects, are considered stationary. The parameterization method proposed is developed on measured data from a 110 W PEM fuel cell stack and validated with a set of measured data from a 2 kW stack. The time-domain simulated behavior of the parameterized model shows an accurate representation of the measured behavior: the parameterized model reproduces both the static polarization behavior and the behavior under high-frequency pulsed loading with errors of less than 1% with respect to the nominal stack voltage. The model is suitable for dynamic simulation of power electronic systems directly connected to fuel cell stacks and can be parameterized without special electrochemical impedance spectroscopy measurements.

DC chargers shorten BEV charging time compared to onboard chargers due to their higher power. The shortened charging time is beneficial for public charging hubs with multiple charge points, as it increases the number of BEVs that can be charged per day. As the DC chargers of public charging hubs are mostly located outdoors, SPDs must be installed to protect the chargers and BEVs from transient overvoltages. In this paper the options to protect SPD from short circuit currents, considering the SPD configuration in DC chargers connected to BEV, is analyzed.

Smart grids yield in an efficient energy distribution, driven by advanced grid management and diverse technologies’ integration. For instance, the remote monitoring of transmission lines, facilitates the development process of conventional electrical networks into smart grids. One form of such remote monitoring applications can be actuated by means of a drone, which carries an embedded intelligent sensor. These drone-based applications referred to as Unmanned Aerial Systems (UAS), thus allow an instantaneous surveillance of the actual status of transmission lines, remotely. Accordingly, this paper presents an experimental setup of an “all-optical” electrical sensor, confronted with different forced voltage/current (V/I) levels, in order to test its feasibility for future applications in drone-controlled, electric grid monitoring processes. After analyzing different measurements’ outputs, and comparing them with reference values outputted by reference V/I sensors, the resulting deviated errors are tabulated and justified. Furthermore, the exploration of the studied sensor’s pros and cons, and by taking into consideration the space/weight restrictions that a drone-based application obtrudes, related future work is suggested.

This work presents the development and parameterization of a dynamic equivalent circuit model of proton exchange membrane (PEM) fuel cell stacks. The model represents the static and dynamic behavior of the fuel cell stack under pulsed ohmic loading up to switching frequencies of 10 kHz. The model is developed using established mathematical descriptions of fuel cell processes. The model is then parameterized and validated using measurement data obtained from an 11 cell, 110 W PEM fuel cell stack.

Die fortlaufenden, regulatorischen Eingriffe der Bundesregierung im Bereich erneuerbarer Energien führen zu einem hohen Anteil an Windkraft und Photovoltaikanlagen im elektrischen Energieversorgungssystem. Neben einer bevorzugten Einspeisung der erneuerbaren Energien erfolgt aktuell und zukünftig ein Rückbau oder die Stilllegung konventioneller Kraftwerke, wie Atom- und Kohlekraftwerke. Als quantitativer Bewertungsparameter zur Abschätzung der potenziellen Konsequenzen wird die Kurzschlussimpedanz verwendet, die aus den Kurzschlussströmen ableitbar ist. Die Kurzschlussimpedanz dient beispielsweise zur Bewertung der Aufnahmekapazität der Netzanschlusspunkte, der Sicherstellung der Versorgungsqualität und der Reduktion der Netzrückwirkungen. Die Impedanz eines Netzverknüpfungspunktes einer Anlage berechnet sich aus Netzkurzschlussleistung und der Netznennspannung. Somit ist die Netzkurzschlussleistung ein wesentlicher Parameter der Netzbewertung, der sich durch die Energiewende verändert. Betrachtet wird in diesem Beitrag der Anfangs-Kurzschlusswechselstrom, der die Grundlage für die rechnerische Größe der Netzkurzschlussleistung ist. Dieser Beitrag analysiert den Einfluss der Veränderung der Kurzschlussströme auf die Niederspannung (NS) unter Verwendung von Referenznetzen der Nieder- und Mittelspannungsebene (MS), szenariobasierten Simulationen und vereinfachten Modellen für erneuerbare Energieanlagen. Gleichzeitig werden bisherige Forschungsergebnisse auf Tendenzen untersucht, die die Veränderungen der Kurzschlussströme und den Einfluss von EE-Anlagen analysieren. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass die Kurzschlussströme trotz der Abschaltung von Großkraftwerken, die bisher durch Synchrongeneratoren den größten Anteil am Netzkurzschlussstrom lieferten, nicht in relevantem Maße abnehmen.