Refine
Has Fulltext
- no (5)
Document Type
- Doctoral Thesis (5) (remove)
Is part of the Bibliography
- yes (5) (remove)
Keywords
- Aktive Schwingungsdämpfung (1)
- Antrieb (Technik) (1)
- Dämpfung (1)
- Dielektrische Eigenschaft (1)
- Elektroantrieb (1)
- Finite-Elemente-Methode (1)
- Gleichtaktspannung (1)
- Gleichtaktstörung (1)
- Hochspannungsgleichstromübertragung (1)
- Impedanz (1)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung und Wirkung von Gleichtaktstörungen in elektrischen Antriebssystemen. Parasitäre Gleichtaktimpedanzen bilden zusammen mit Gegentaktimpedanzen des Antriebssystems parasitäre Resonanzschwingkreise aus, welche von den Schalthandlungen der eingesetzten Umrichter im Antriebssystem zum Schwingen angeregt werden. Einer der beiden Schwerpunkte befasst sich mit der Entwicklung einer analytischen Berechnungsmethode, um die vorhandenen parasitären Gleichtaktpfade sowie deren Resonanzfrequenzen zu ermitteln. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Möglichkeit der aktiven Dämpfung von Gleichtaktstörungen. Hierzu analysiert ein Algorithmus jede einzelne Schaltflanke im Umrichter auf deren Wirkung im Gleichtaktsystem. Anschließend kann diese zeitlich derart verschoben werden, dass die Schaltflanke eine bestmögliche Dämpfung im Gleichtaktsystem erzielt. Einleitend werden die notwendigen Grundlagen zur Umrichtertechnik sowie der Ausbildung und Anregung von Resonanzschwingkreisen am Beispiel eines RLC-Reihenschwingkreises erklärt, der stellvertretend für das stark reduzierte Gleichtaktmodell eines modernen Antriebssystems steht. Die Literaturrecherche gibt einen detaillierten Einblick über aktuelle Methoden der Reduktion von Gleichtaktstörungen wieder. Viele wissenschaftliche Veröffentlichungen behandeln modifizierte Ansteuerverfahren für die eingesetzten Umrichter, welche gezielt die Gleichtaktspannungen eines jeden Spannungsraumzeigers ausnutzen. Die Theorie und Funktionsweise des neuen Steuerverfahrens HCad, wird mathematisch hergeleitet und anhand eines idealen Simulationsmodells untersucht. Die Auswertung der Simulationsergebnisse ermöglicht es bereits, die dämpfende Wirkung unter idealen Bedingungen zu quantifizieren. Die Umsetzung eines praxisnahen Laborprüfstands dient der Verifikation und dem Vergleich realer Messungen mit den in der Simulation gewonnen Erkenntnissen. Die durchgeführten Messreihen bestätigen die Möglichkeit, Gleichtaktstörungen mithilfe einer zeitlichen Flankenverschiebung im Umrichter zu bekämpfen. Des Weiteren ist gezeigt, dass die Anwendung der aktiven Gleichtaktdämpfung neben der eigentlichen Aufgabe eines Steuerverfahrens in vollem Umfang und über den kompletten Modulationsbereich eines Umrichters möglich ist.
In lithium-ion batteries, depending on the requirements, many individual cells are connected in series and parallel. Despite very similar individual cell parameters after production, they can develop differently during the subsequent ageing process due to intrinsic and extrinsic influences. A pronounced parameter variation of the assembled cells ultimately leads to a reduced utilisation of the lithium-ion battery and thus also to a reduced lifetime. The aim of this work is therefore to gain a better understanding of the origin and development of parameter variation during the ageing process. The work is divided into three major parts. At the beginning, parameters such as capacity and internal resistance of 480 brand-new cells of one production batch are recorded. The obtained values allow the calculation of the production-related parameter variation of the cells. In order to investigate the development of the parameter variation during cell ageing, numerous ageing tests are carried out in this work. These are divided into single cell tests and module tests. With the help of single cell ageing tests, the development of the parameter variation of unconnected cells is investigated. Here, several cells are combined into groups and aged under identical conditions. In order to show the influence of different operating conditions on the parameter variation during single cell ageing, the cell groups are aged at different temperatures and different load currents. Finally, by ageing various self-built modules, the development of the parameter variation of cells connected in series and in parallel is investigated. By varying the load current and the number of cells connected in parallel, further dependencies are investigated. The measured data show that both the load on the cells and the ambient temperature have a decisive influence on the development of parameter variation. Operating conditions near the lithium plating boundary are particularly problematic. Since the onset of lithium plating varies slightly between the ageing cells, there are extreme differences in the ageing rate over a certain period of time. This ultimately leads to large parameter variations in the tests carried out. The cells used in this work are cylindrical cells in 18650 format with a nominal capacity of 2.6 Ah (Samsung ICR18650-26J). The high-energy cells consist of a NMC cathode and a graphite anode.
Lithium-Ion Batteries (LIBs) are being used in more and more areas of application. At the same time, their chemical composition and their designs are constantly evolving. Major developments are also taking place in the field of Battery Management Systems (BMSs), which are essential for the safe operation of LIBs. The focus is on intelligent charge redistribution between individual cells, called Active Balancing (AB). This thesis deals with the possibilities and limitations of AB. An empirical long-term experiment provides new insights into the ageing behaviour of batteries that are actively balanced during their entire service life. The main objective of this work is to to demonstrate influences on the ageing behaviour of batteries that are still unknown at present. A literature study shows that previous work in this area is often based on theoretical approaches and rarely has a functional proof through measurement results. Most significant statements from literature are examined. These include the increase in discharge capacity, energy efficiency and service life associated with AB, as well as lower parameter variation of the individual cells installed in the battery. Before starting the empirical experiment, the current state of the art is captured and a universal AB topology is selected from a large number of known systems. The operating behaviour as well as the balancing algorithms are explained in detail in order to be able to understand the influences occurring during the ageing of the batteries. The ageing experiment itself is a comparison test between commercial Passive Balancing (PB) and the novel AB. Two identical battery packs are aged under uniform conditions, but with the two different BMSs mentioned above. At the end of the ageing process, the battery packs are disassembled and the parameters of all individual cells are determined for further investigation. The main contribution of this work is the proof of effects through AB, especially with large battery loads. Both the increase in discharge capacity and the service life are demonstrated. The work shows how parameter variation of individual cells can be made visible during operation. It also presents diagnosis and calculation methods. The energetic efficiency of the batteries cannot be increased, since the self-consumption of the power electronics of the AB system is always higher than with PB. However, the overall efficiency of the battery increases due to an increase in capacity and an extension of the service life. The thesis also shows that with lower battery loads, the use of AB is not beneficial any more or may lead to negative effects. In such applications conventional PB is sufficient. The results obtained during pack ageing are additionally substantiated and extended by the measurement results of the individual cells. At the end of the thesis, all results and contributions are summarised. Suggestions for optimisation as well as further research ideas are presented as a possible starting point for further scientific studies.
Verbrauchsfern erzeugter Strom aus regenerativen Energien kann über große Distanzen am wirtschaftlichsten mittels der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) transportiert werden. Die HGÜ führt zu einer veränderten elektrischen Belastung der Hochspannungskomponenten. Transiente Übergangsvorgänge bestimmen die elektrischen Feldverteilungen. Bei der Berechnung elektrischer Feldverteilungen in Isoliersystemen für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) wurden die dielektrischen Eigenschaften bisher in Form von Permittivitäten und parameterabhängigen Leitfähigkeiten berücksichtigt. Langsame Polarisationsvorgänge werden dabei nicht berücksichtigt. Für die Berechnung komplexer Isoliersysteme durch die FEM ist deshalb die Beschreibung der langsamen Polarisationsvorgänge im Isolierstoff durch Differentialgleichungen wünschenswert, die direkt in die FEM einbezogen werden und mit denen je nach Bedarf sowohl einzelne Polarisationsmechanismen als auch ihre Überlagerungen berücksichtigt werden können. In dieser Arbeit werden hierfür auf Basis des bekannten Debye-Ansatzes, und in Analogie zum Netzwerkmodell, zusätzlich zu den Gleichungen, die Verschiebungs- und Leitungsströme beschreiben, weitere Differentialgleichungen direkt in die FEM einbezogen, welche die feld- und temperaturabhängigen Polarisationsströme individuell abbilden. Die Materialfunktionen und ihre Parameter werden durch Messung von Polarisations- und Depolarisationsströmen (PDC) ermittelt. Durch die Implementierung von beliebigen Polarisationsmechanismen in einem FEM-Programm wurde eine Lücke der Berechnungsmöglichkeiten von komplexen, auch dreidimensionalen Isoliersystemen geschlossen, in denen oftmals stationäre oder transiente Temperaturgradienten vorliegen und in denen sich transiente elektrische Feldverteilungen ausbilden. Zur Verifizierung des beschriebenen Berechnungsverfahrens werden transiente Potentialverläufe an den Steuerbelägen von entsprechend modifizierten Hochspannungsdurchführungen unter Gleich- und Umpolspannungen sowie unter thermischen Gradienten gemessen. Dabei kann eine bisher nicht erreichte Übereinstimmung der transienten und stationären Potentialverläufe zwischen FEM-Simulation und Messung erzielt werden. Auswirkungen auf Prüf- und Belastungsszenarien werden anhand von Simulationen diskutiert.