Die Dissertation beschreibt ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren für Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsysteme. Den Ausgangspunkt bildet die Analyse der Schwankungseigenschaften spezifischer Energiezeitreihen: des Photovoltaik-Energieangebots und des elektrischen Verbrauchs von Haushalten. Konzepte zur zeitgestaffelten Zerlegung, Modellierung und Prognose werden vorgestellt. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Grundlagen von Aufbau und Funktion eines Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsystems und präsentiert Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen einer PEM-Brennstoffzelle, einer Supercap-Einheit, einer Lithium-Ionen Batterie sowie eines speziell entwickelten DC/DC-Wandlers. Praxistaugliche Modelle zur Beschreibung des Klemmenverhaltens, des Ladezustands und der auftretenden Wandlungsverluste werden vorgestellt. Der dritte Teil der Dissertation präsentiert ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren. Optimierungsziele sind die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Brennstoffzellen-Beanspruchung. Das Verfahren basiert auf den drei Steuerungsebenen: Primärregelung, Sekundärregelung und Systembetriebsführung. Schwerpunkt bildet die Sekundärregelung auf der Basis einer speziellen Struktur aus Laderegler und Lastfolgeregler sowie zwei Blöcken zur aktiven Begrenzung des Leistungsgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle. Die Funktion und Leistungsfähigkeit des Energiemanagement-Verfahrens werden an einem Simulations- und an einem Experimentiersystem nachgewiesen. Anwendungsbeispiele werden gegeben. / The dissertation presents a new optimizing energy management concept for fuel cell-direct storage-hybrid systems. Initially, the characteristics of specific energy time series are investigated on the basis of real measurement data. A new concept for the multi-scale analysis, modelling and prediction of fluctuating photovoltaic supply and electric load demand profiles is developed. The second part of the dissertation starts with a discussion of the benefits of and the basic coupling and control principles for fuel cell-direct storage-hybrid systems. The typical characteristics of a PEM-fuel cell, a metal hydride hydrogen storage, a lithium-ion battery and a supercap unit are presented. A new modular DC/DC-converter is described. Results from experimental and theoretical investigations of the individual components and the overall hybrid system are discussed. New practicable models for the voltage-current-curve, the state of charge behaviour and the conversion losses are presented. The third part of the dissertation explains the new energy management concept. The optimization of power flows is achieved by a control-oriented approach, employing a) the primary control of bus voltage and fuel cell current, b) the secondary control to limit fuel cell current gradient and operating range and to perform direct storage charge control, and c) the system control to optimally adjust secondary control parameters aiming for a reduction of dynamic fuel cell stress and hydrogen consumption. Results from simulations and experimental investigations demonstrate the benefits and high capabilities of the new optimizing energy management concept. Examples of stationary and portable applications conclude the dissertation.

Die Dissertation beschreibt ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren für Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsysteme. Den Ausgangspunkt bildet die Analyse der Schwankungseigenschaften spezifischer Energiezeitreihen: des Photovoltaik-Energieangebots und des elektrischen Verbrauchs von Haushalten. Konzepte zur zeitgestaffelten Zerlegung, Modellierung und Prognose werden vorgestellt. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Grundlagen von Aufbau und Funktion eines Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsystems und präsentiert Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen einer PEM-Brennstoffzelle, einer Supercap-Einheit, einer Lithium-Ionen Batterie sowie eines speziell entwickelten DC/DC-Wandlers. Praxistaugliche Modelle zur Beschreibung des Klemmenverhaltens, des Ladezustands und der auftretenden Wandlungsverluste werden vorgestellt. Der dritte Teil der Dissertation präsentiert ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren. Optimierungsziele sind die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Brennstoffzellen-Beanspruchung. Das Verfahren basiert auf den drei Steuerungsebenen: Primärregelung, Sekundärregelung und Systembetriebsführung. Schwerpunkt bildet die Sekundärregelung auf der Basis einer speziellen Struktur aus Laderegler und Lastfolgeregler sowie zwei Blöcken zur aktiven Begrenzung des Leistungsgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle. Die Funktion und Leistungsfähigkeit des Energiemanagement-Verfahrens werden an einem Simulations- und an einem Experimentiersystem nachgewiesen. Anwendungsbeispiele werden gegeben. / The dissertation presents a new optimizing energy management concept for fuel cell-direct storage-hybrid systems. Initially, the characteristics of specific energy time series are investigated on the basis of real measurement data. A new concept for the multi-scale analysis, modelling and prediction of fluctuating photovoltaic supply and electric load demand profiles is developed. The second part of the dissertation starts with a discussion of the benefits of and the basic coupling and control principles for fuel cell-direct storage-hybrid systems. The typical characteristics of a PEM-fuel cell, a metal hydride hydrogen storage, a lithium-ion battery and a supercap unit are presented. A new modular DC/DC-converter is described. Results from experimental and theoretical investigations of the individual components and the overall hybrid system are discussed. New practicable models for the voltage-current-curve, the state of charge behaviour and the conversion losses are presented. The third part of the dissertation explains the new energy management concept. The optimization of power flows is achieved by a control-oriented approach, employing a) the primary control of bus voltage and fuel cell current, b) the secondary control to limit fuel cell current gradient and operating range and to perform direct storage charge control, and c) the system control to optimally adjust secondary control parameters aiming for a reduction of dynamic fuel cell stress and hydrogen consumption. Results from simulations and experimental investigations demonstrate the benefits and high capabilities of the new optimizing energy management concept. Examples of stationary and portable applications conclude the dissertation.

Technische Systeme nutzen sich ab. Dadurch bedingt kommt es zu Ausfällen. Um die Funktionstüchtigkeit von abgenutzten technischen Systemen wiederherzustellen, werden Instandsetzungsmaßnahmen durchgeführt. Da die Folgen eines unerwartet eintretenden Ausfalls drastisch sein können, ist es sinnvoll, das Abnutzungsverhalten eines technischen Systems vorherzusagen und so den Zeitpunkt von Instandsetzungsmaßnahmen zielgerichtet zu planen. Die Erstellung von Abnutzungsprognosen wird dadurch erschwert, dass sich technische Systeme oft variabel, in Abhängigkeit von auf sie einwirkenden Beanspruchungen, abnutzen. Außerdem wird diese Abnutzungsvariabilität von betriebsbedingten Einflüssen überlagert, was deren Modellierung erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Lösungsansätze entwickelt, die es ermöglichen, die Abnutzungsvariabilität eines technischen Systems in Abnutzungsprognosen zu integrieren und dabei betriebsbedingte Einflüsse zu berücksichtigen. Somit können Instandsetzungsmaßnahmen präziser geplant, Ressourcen geschont sowie Kosten reduziert werden. / Technical systems are prone to deterioration. This leads to negative consequences like break-downs. Maintenance actions are executed in order to transfer technical systems back into healthy states. If break downs occur suddenly, the consequences can be dramatic. Therefore, it is reasonable to schedule maintenance actions based on health-state predictions. Thereby, health state predictions are impeded by the fact that technical systems often deteriorate variably, depending on certain stress factors. Furthermore, the effects of variable deterioration behavior can be hidden by system specific behavior. Thus, approaches are shown which integrate variable deterioration behavior into healthstate predictions while influences caused by the system specific behavior are considered. Consequently, maintenance actions can be scheduled more efficiently which spares resources and reduces costs.

Technische Systeme nutzen sich ab. Dadurch bedingt kommt es zu Ausfällen. Um die Funktionstüchtigkeit von abgenutzten technischen Systemen wiederherzustellen, werden Instandsetzungsmaßnahmen durchgeführt. Da die Folgen eines unerwartet eintretenden Ausfalls drastisch sein können, ist es sinnvoll, das Abnutzungsverhalten eines technischen Systems vorherzusagen und so den Zeitpunkt von Instandsetzungsmaßnahmen zielgerichtet zu planen. Die Erstellung von Abnutzungsprognosen wird dadurch erschwert, dass sich technische Systeme oft variabel, in Abhängigkeit von auf sie einwirkenden Beanspruchungen, abnutzen. Außerdem wird diese Abnutzungsvariabilität von betriebsbedingten Einflüssen überlagert, was deren Modellierung erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Lösungsansätze entwickelt, die es ermöglichen, die Abnutzungsvariabilität eines technischen Systems in Abnutzungsprognosen zu integrieren und dabei betriebsbedingte Einflüsse zu berücksichtigen. Somit können Instandsetzungsmaßnahmen präziser geplant, Ressourcen geschont sowie Kosten reduziert werden. / Technical systems are prone to deterioration. This leads to negative consequences like break-downs. Maintenance actions are executed in order to transfer technical systems back into healthy states. If break downs occur suddenly, the consequences can be dramatic. Therefore, it is reasonable to schedule maintenance actions based on health-state predictions. Thereby, health state predictions are impeded by the fact that technical systems often deteriorate variably, depending on certain stress factors. Furthermore, the effects of variable deterioration behavior can be hidden by system specific behavior. Thus, approaches are shown which integrate variable deterioration behavior into healthstate predictions while influences caused by the system specific behavior are considered. Consequently, maintenance actions can be scheduled more efficiently which spares resources and reduces costs.

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