53.36 Energiedirektumwandler, elektrische Energiespeicher
Refine
Document Type
- Master's Thesis (9)
Has Fulltext
- yes (9)
Is part of the Bibliography
- yes (9)
Keywords
- Brennstoffzelle (3)
- Elektromobilität (2)
- Akkumulator (1)
- Elektrischer Speicher (1)
- Photovoltaik (1)
- Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (1)
- Stromtankstelle (1)
Institute
Nach wie vor verzeichnet die E-Mobilität einen stark ansteigenden Marktanteil in Europa, sowie im Rest der Welt. Um einen sicheren Umgang mit dieser Technologie gewährleisten zu können, ist es notwendig sich mit sämtlichen Sicherheitsaspekten der E-Mobilität auseinander zu setzen. Wesentlich dabei ist jene Komponente, die den Energieinhalt für den Elektroantrieb und andere Verbraucher bereitstellt, nämlich die Hochvoltbatterie, welche auch als Traktionsbatterie bezeichnet wird. Gerade diese Komponente stellt aufgrund des hohen Energieinhalts eines der größten, wenn nicht das größte Gefahrenpotential der Elektromobilität dar. Um einen speziellen Fehlerfall, nämlich das Kurzschlussverhalten einer Hochvoltbatterie besser analysieren zu können und schon in der Entwicklungsphase sämtliche Sicherheitsmechanismen zu optimieren bzw. zu validieren, hat die hier vorliegende Masterarbeit die Zielsetzung, einen sich beim Unternehmen Green Testing Lab befindlichen Kurzschlussprüfstand technologisch zu optimieren, weiterzuentwickeln und diesen in einer Simulation abzubilden. Dieser Kurzschlussprüfstand dient dazu, um in einer für den Menschen sicheren Umgebung gezielt Kurzschlüsse an Hochvoltbatterien herbeizuführen und die Zuverlässigkeit von darin enthaltenen Sicherungselementen zu erproben. Dazu soll eine geeignete Möglichkeit gefunden werden, um Kurzschlussströme sicher schalten und mit hoher Abtastrate im MHz-Bereich sinnvoll und korrekt erfassen zu können. Ein weiteres wesentliches Ziel ist es, eine Simulation des gesamten Testaufbaus inklusive der zu prüfenden Batterie zu entwickeln, welche es ermöglichen soll bei zukünftigen Tests das Auslöseverhalten bereits im Vorhinein besser abschätzen und somit das Gesamtverhalten besser bewerten zu können. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen zu einer effizienteren Validierung von Batteriesystemen beitragen.
In der Automatisierungstechnik spielen Akkumulatoren eine zentrale Rolle. Sowohl im industriellen Umfeld als auch bei dem Einsatz von batteriebetriebenen Anwendungen, wie etwa Messgeräten oder kabellosen Endgeräten. Verstärkt kommen hierbei Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LiFePO₄) zum Einsatz, die sich durch Langlebigkeit, Zyklenfestigkeit und Temperaturunabhängigkeit auszeichnen. Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen, müssen besonders korrektes Laden und Entladen, geeignete Betriebstemperaturen und die Auswirkungen der Alterung auf das Ladeverhalten evaluiert werden. Mit Hilfe von Simulationen können diese Aspekte im Detail untersucht werden, ohne reale Zellen zu benötigen. Dadurch wird eine Effizienzsteigerung, eine Optimierung der Betriebsbedingungen und eine Prognose über zukünftiges Verhalten ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist ein tieferes Verständnis von LiFePO₄-Akkumulatoren. Dafür werden zu Beginn die physikalischen und chemischen Grundlagen beleuchtet. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Lade- und Entladeverhalten, der Alterung der Zelle sowie der Rolle der Temperatur während des Ladevorgangs. Darüber hinaus werden wirtschaftliche Aspekte und verschiedene Optionen der Akkumulator Simulation vorgestellt. Mit Hilfe der Programmiersprache Python werden anschließend unterschiedliche Szenarien modelliert und analysiert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Lade- und Entladeverhalten, das mit Messergebnissen an einem realen LiFePO₄-Akkumulator verglichen wird. Zudem wird der Einfluss von verschiedenen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezyklenanzahlen mit Hilfe verschiedener Modelle untersucht. Die Ergebnisse werden bewertet, einschließlich Verbesserungsmöglichkeiten, Aussagekraft und Grenzen. Abschließend wird ein Ausblick auf künftige Simulationsmöglichkeiten gegeben, stets mit einem Schwerpunkt auf Akkumulatoren im industriellen Umfeld.
The importance of alternative fuel concepts is increasing due to environmental and emission regulations. Zero emissions mobility as major purchase intention gives Proton Exchange Membrane fuel cells concepts a significant influence in future vehicle market. The higher demand for PEM-Fuel-Cells necessitates a transformation from small series manufacturing processes to large series producing processes. Especially the unique requisition for proper material and cleanness can significantly influence the lifetime of PEM-Fuel-Cells. The aim of this master’s thesis is to conduct a feasibility study of a serial cleaning process for PEM-Fuel- Cell systems. For this purpose, cleanness requirements are investigated, the state-of-the-art assembling is analysed and then compared with already existing cleaning processes definitions. The conclusions are defined, monitorable and executable cleanness regulations for fuel cell applications. The result of this master’s thesis is a guideline to include a fuel cell cleaning process into a mass assembling process. The investigated allowable ambient conditions and cleanness regulations allow customers the ability to arrange an assembly line to ensure a required durability of fuel cell systems.
Entwicklung einer Lastleistungsregelung zur Optimierung des Eigenverbrauchs von Photovoltaikanlagen
(2025)
Angesichts steigender Energiekosten und zunehmender Bedeutung nachhaltiger Energienutzung befasst sich diese Masterarbeit mit einer entscheidenden Herausforderung der Photovoltaik-Technologie: der effizienten Verwertung überschüssiger elektrischer Energie, die andernfalls unvergütet oder nur gering vergütet in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Dabei stehen insbesondere kleinere Photovoltaikanlagen, beispielsweise Balkonkraftwerke, vor der Problematik, diese überschüssige Energie technisch sinnvoll und wirtschaftlich effizient zu nutzen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein innovatives System zur automatischen Lastleistungsregelung zu entwickeln, welches die überschüssige elektrische Energie einer Photovoltaikanlage gezielt zur Versorgung regelbarer Verbraucher einsetzt. Durch die Regelung wird eine Abgabe der überschüssigen Energie ins Netz weitgehend vermieden und der Eigenverbrauch signifikant optimiert. Im Rahmen des praxisnahen Versuchsaufbaus wurde ein Balkonkraftwerk mit einer Einspeiseleistung von maximal 800 W verwendet, um realistische Messdaten zu gewinnen und die entwickelte Regelung intensiv zu testen und zu optimieren. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Flexibilität und Modularität des entwickelten Systems, um es leicht auf verschiedene Haushalte und Energiezähler adaptieren zu können. Neben den technischen Grundlagen der Photovoltaiktechnik werden auch aktuelle Energiespeichertechnologien betrachtet und kritisch bewertet. Die Leistungsregelung erfolgt durch einen Phasenanschnitt der Sinuswelle, um überschüssige Leistung effizient zu nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eindrucksvoll, dass durch die entwickelte mobile Lastleistungsregelung eine erhebliche Steigerung des Eigenverbrauchs möglich ist. Damit leistet das vorgestellte Konzept einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von kleinen PV-Systemen und zur Förderung nachhaltiger Energielösungen im privaten Bereich.
Die Elektrifizierung führt zur Zeit zu den größten Änderungen in der Automobilindustrie. Obwohl Brennstoffzellen Teil eines elektrischen Antriebsstrangs sein könnten, konnten sie sich bis heute nicht auf dem Markt durchsetzen. Einer der Hauptgründe dafür ist die vergleichsweise kurze Lebensdauer eines Brennstoffzellen-Stacks. Die Lebensdauer wird maßgeblich beeinflusst von Degradationseffekten, welche in suboptimalen Betriebspunkten verstärkt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist, ein System für einen Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen Stack zu entwickeln und in einen Prüfstand zu integrieren, damit Degradationseffekte überwacht und vermessen werden können. Um das zu erreichen, muss der Brennstoffzellen-Stack durch den Systemaufbau in unterschiedliche Betriebspunkte (Strom, Spannung, Gasmenge und Temperatur) versetzt werden können. In jedem Betriebspunkt kann somit eine elektrochemische Impedanzspektroskopie sowie eine Klirrfaktoranalyse durchgeführt werden. Die Messdaten geben Auskunft über den technischen Zustand der Zelle. Weiters wird eine Messmethode entwickelt, die ein effizientes und automatisiertes Testen sowie selbstständiges Ermitteln der optimalen Betriebspunkte ermöglicht. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Brennstoffzellen-System, das aufgebaut und in einen Prüfstand integriert ist. Die Messmethode wird in näherer Zukunft umgesetzt und soll für weitere Prüfstände standardisiert eingesetzt werden. Dieser Aufbau ermöglicht eine innovative Untersuchung von Degradationseffekten, die eine wichtige Rolle in der weiteren Brennstoffzellenentwicklung für Fahrzeuge spielen.
Der Vormarsch der Elektromobilität stellt die Entwicklungsdienstleister zum Teil vor neue Herausforderungen. Die Systemkomplexität steigt, die zur Verfügung stehende Entwicklungszeit hingegen bleibt meist unverändert. Um somit eine effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Entwicklungszeit zu ermöglichen, wird im Rahmen von Entwicklungsprojekten auf Simulationsmodelle zurückgegriffen. Durch diese Anwendung von Modellen können Entwicklungsaufgaben vorab in einer virtuellen Umgebung abgearbeitet werden, noch bevor die ersten daraus resultierenden Ergebnisse auf reale Hardwarekomponenten übertragen werden. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit einem Hochvolt-Inverter, einer Schlüsselkomponente in elektrifizierten Antriebssträngen. Der HV-Inverter ist hierbei für die Transformation des zur Verfügung stehenden Gleichstromes einer Batterie in einen dreiphasigen Wechselstrom zum Antrieb eines Elektromotors verantwortlich. Das Hauptziel dieser Arbeit liegt dabei auf der Erstellung eines Simulationsmodells der Leistungselektronik für einen der gängigsten Inverter-Typen. Durch die Verwendung dieses Modells sollen künftige Entwicklungsaufgaben in diversen Kundenprojekten effizienter abgearbeitet werden.
Implementierung eines Mess- und Protokollsystems einer AC Wandladestation für Elektrofahrzeuge
(2021)
Elektrofahrzeuge (EVs) sind auf gutem Weg, der zukünftige Standard im Transportwesen zu werden. Das Energy Analytics and Solution Lab (EAS-Lab) an der FH Campus 02 bietet Möglichkeiten zum Laden von Elektrofahrzeugen über Wandladestationen. Das EAS-Lab ist als ein Netzwerk von Geräten zu sehen, welche Energie erzeugen, analysieren und verbrauchen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Wandladestationen an das EAS-Lab-Netzwerk anzubinden und ein Mess- und Protokollierungs-System in Hard- und Software zu implementieren. Des Weiteren werden die gesammelten Daten zur Energieanalyse im Ladeprozess genutzt. Es werden die Möglichkeiten der Impedanzanalyse und der Zustandsbewertung (State of Health/SoH) von Fahrzeugbatterien erforscht. Für die Messungen wird ein Siemens PAC2200 Smart Meter gewählt, der über Modbus TCP mit dem EASLab verbunden wird. Zusätzlich wird eine Windows Presentation Foundation (WPF) Benutzeroberfläche entwickelt, um den Modbus-Datenverkehr zu verarbeiten und die Ladedaten zu visualisieren. Das Programm wird mit einer SQL-Datenbank verbunden, welche spezifische Informationen über die Benutzenden und deren Ladedaten auf zyklischer Basis speichert. Zwei Messzyklen werden mit einem Elektrofahrzeug durchgeführt, um das Programm zu validieren. Die Verbindungen zu den Wallboxen und dem Smart Meter werden erfolgreich hergestellt, und das Programm wird implementiert. Auf Grundlage der gewonnenen Daten wird für beide Messzyklen eine Impedanzanalyse durchgeführt. Die gespeicherten batteriespezifischen Daten, welche über Modbus gesammelt werden, reichen nicht aus, um eine Abschätzung des SoH der Fahrzeugbatterie vorzunehmen. Das System bietet jedoch die Möglichkeit, das Ladeleistungsverhalten in Langzeitmessungen zu untersuchen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit gezeigt, wie ein Energiemess- und Protokollierungs-System in einer Laborumgebung implementiert wird. Damit stehen für zukünftige Studierende an der FH Campus 02 zusätzliche Messmöglichkeiten im EAS-Labor zur Verfügung. Diese Arbeit kann als Grundlage für weitere Forschungen sowie als Referenz für zusätzliche SoH Abschätzungen betrachtet werden.
Bezugnehmend auf die immer strenger werdenden Abgasnormen müssen effizientere und emissionsärmere Antriebssysteme entwickelt werden. Ein Ansatz hierfür ist die Verwendung von Brennstoffzellen als Hilfsaggregate in Automobilen. Da Experimente mit Brennstoffzellen komplex, teuer und meistens auch gefährlich sind, wird ein Fokus auf die Simulation gelegt. Im Rahmen dieser Arbeit werden dynamische Modelle der Komponenten Reformer und Stack einer Festkörperbrennstoffzelle erstellt. Zu Beginn werden die Grundlagen von Brennstoffzellen und Reformern besprochen. In weiterer Folge wird die Modellierung anhand physikalischer und mathematischer Ansätze und die Validierung dieser Modelle vorgestellt. Dabei werden beim Reformermodell die unterschiedlichen Reformierungsarten Dampfreformierung, partielle Oxidation und autotherme Reformierung sowie die Verwendung von unterschiedlichen Brennstoffen berücksichtigt. Beim Brennstoffzellenstackmodell können die drei Strömungskonfigurationen Gleich-, Gegen- und Wechselstrom simuliert werden. Durch Kalibrierung der Modelle mit Benchmarkmodellen kann die Gültigkeit überprüft werden. Als Ergebnisse dieser kalibrierten Modelle können die Austrittstemperatur und die Austrittsgaszusammensetzung genannt werden. Mithilfe dieser wird die zukünftige modellbasierte Entwicklung von Steuerungsalgorithmen ermöglicht.
Die Firma Samsung SDI Battery Systems GmbH in Premstätten entwickelt und produziert Batteriesysteme für den Automotive Sektor. Dabei erfolgt die gesamte Entwicklung, Simulation, Berechnung und Fertigungsplanung an diesem Standort. Das Portfolio der Firma Samsung deckt dabei alle verschiedenen Typen von Elektrofahrzeugen ab. Aufgrund einer Kundenanforderung wird erstmals ein 48V Batteriesystem entwickelt. Ziel dieser Arbeit war es, die Ansteuerelektronik für das Hauptrelais im Batteriesystem, welches zum Ein- und Ausschalten der gesamten 48V Seite dient, zu entwickeln. Dieses Batteriesystem dient als Zusatzenergiequelle, um elektrische Verbraucher im Fahrzeug, wie z.B. Klimaanlage, Starter und diverse kleinere Verbraucher im Fahrgastraum zu versorgen. Nachdem alle Anforderungen an das System erhoben wurden, begann das Projekt mit der Berechnung aller wichtigen Komponenten. Anschließend wurden Simulationen durchgeführt, um die Berechnung zu validieren. Weiters wurde ein Stromlaufplan entworfen und in weiterer Folge ein Layout entworfen, welches in das Gesamtlayout des Steuergerätes integriert wurde. Nach der Fertigstellung des Prototyps wurden an diesem Messungen durchgeführt, um die Funktionen für den Einsatz im Fahrzeug zu verifizieren. Das Resultat der Arbeit ist ein fertiger Relaistreiber, welcher alle Kunden- und Sicherheitstechnischen Anforderungen für den Automotive Einsatz erfüllt. Dieser kann nach Anpassung einer wenigen Feinheiten in der Serie auch für zukünftige Projekte eingesetzt werden.
