Energie und Mobilität
Refine
Year of publication
- 2021 (60) (remove)
Document Type
- Article (21)
- conference proceeding (article) (18)
- conference talk (10)
- Report (5)
- Part of a Book (2)
- Master's Thesis (2)
- conference proceeding (presentation, abstract) (1)
- Preprint (1)
Is part of the Bibliography
- no (60)
Keywords
- Erneuerbare Energien (10)
- Energiewende (7)
- Klimaneutralität (7)
- Power-to-Gas (6)
- Sektorenkopplung (3)
- Archaeen (2)
- Batterien (2)
- Battery management system (2)
- Battery management systems (2)
- DC-DC power converters (2)
Institute
- Fakultät Elektro- und Informationstechnik (37)
- Fakultät Maschinenbau (18)
- Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES) / Forschungsgruppe Energiespeicher (16)
- Combustion Engines and Emissions Control Laboratory (CEEC) (7)
- Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES) / Forschungsgruppe Energienetze (5)
- Labor Sorptionsprozesse (5)
- Labor Datenkommunikation (4)
- Labor Elektrische Maschinen und Antriebstechnik (3)
- Labor Industrielle Elektronik (3)
- Labor Intelligente Materialien und Strukturen (3)
Begutachtungsstatus
- peer-reviewed (30)
- begutachtet (2)
Germany's energy transition, known as 'Energiewende', was always very progressive. However, it came technically to a halt at the question of large-scale, seasonal energy storage for wind and solar, which was not available. At the end of the 2000s, we combined our knowledge of both electrical and process engineering, imitated nature by copying photosynthesis and developed Power-to-Gas by combining water electrolysis with CO2-methanation to convert water and CO2 together with wind and solar power to synthetic natural gas. Storing green energy by coupling the electricity with the gas sector using its vast TWh-scale storage facility was the solution for the biggest energy problem of our time. This was the first concept that created the term 'sector coupling' or 'sectoral integration'. We first implemented demo sites, presented our work in research, industry and ministries, and applied it in many macroeconomic studies. It was an initial idea that inspired others to rethink electricity as well as eFuels as an energy source and energy carrier. We developed the concept further to include Power-to-Liquid, Power-to-Chemicals and other ways to 'convert' electricity into molecules and climate-neutral feedstocks, and named it 'Power-to-X'at the beginning of the 2010s.
he hydrogen gas-to-liquid mass transfer is the limiting factor in biological methanation. In a trickle-bed reactor, mass transfer can be increased by high flow velocities in the liquid phase, by adding a packing material with high liquid hold-up, or by choosing methanogenic archaea with a high methane productivity. This study analyzed various packings and methanogenic strains from a hydrodynamic and microbial perspective. By analyzing twelve pure cultures of thermophilic methanogens for their ability to produce high quality methane and to form biofilms on different packings, strains of Methanothermobacter were found to perform better than thus of the genus Methanothermococcus. Best methane production and adherence was observed on DuraTop®, Bioflow 9, and filter foam. DuraTop® and Bioflow 9 had also a high dynamic liquid hold-up, but the maximum hold-up was determined for expanded clay. The ideal combination for use in the ORBIT-trickle-bed reactor was identified as Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5 and DuraTop®.
The use of alternative fuels in high-power non-road mobile machinery (NRMM) combustion engines is a possible way to substitute fossil fuel. By using pure vegetable oil fuels, like rapeseed oil fuel (DIN 51605), the greenhouse gases can be reduced effectively. Due to the differences in physical and chemical properties, a modification of the engine control unit calibration is necessary to adapt the working process on the fuel. Without modifications, the engine power output with rapeseed oil fuel is lower than with diesel fuel because of the smaller energy content. By adapting the engine settings, like the injection fuel mass, the power loss can be compensated but it accompanies with a higher fuel consumption. The engine emissions at part load conditions show, that there are benefits in particle emissions by using rapeseed oil at similar NOx emissions. Therefore, a design of experiment setup was initiated on a selected engine operation point to determine the effects of further parameters, like rail pressure, manifold pressure and injection pattern, on the process and to see the potential of an optimized calibration.
Assuming that future connected cars with automated driving functions will require even more computing power and communication bandwidth, the current network infrastructure as well as the existing individualized control units are not a profitable option for such vehicles. In addition, changing user expectations demand flexible architectural patterns and upgradeability of software components without the need to visit the workshop. However, the current statically developed and configured ECU architecture does not offer any practicable possibilities for this. For these reasons, the research for a new dynamic and flexible architecture is necessary. This new type of system architecture is expected to meet future requirements in terms of space, cost, performance, energy efficiency and number of required computing units in the vehicle, which will arise as a result of the implementation/inclusion of new automated driving functionalities, and due to the changes in user expectations.
Solutions to this issue can be found in the field of enterprise
IT (cluster computing), in which technologies such as Ethernet,
container-based virtualization and flexible software architectures have proven themselves to be very efficient for years.
Relevant infrastructures, for example from cloud computing providers, have commonly been used in high-performance or high-availability applications. Thus, in the research project A 3F has been investigated which of these concepts and methods can be applied to modern vehicle system architectures. One of the main goals is to assess the synergy potential of the two sectors, information technology and automotive industry, which to date have very different orientations. However, this synergy is expected to grow strongly in the course of the developments mentioned above.
In the following pages, the necessary changes related to hardware and software will be discussed briefly und will be compared to concepts and possible solutions from the IT world.
Die Verschärfung der Abgasgesetzgebung sowie die politischen und gesellschaftlichen Forderungen an eine nachhaltige Mobilität zwingen die Automobilindustrie zur Entwicklung komplexer, hochpräziser mechatronischer Antriebssysteme. Die zunehmende Präzision der mechatronischen Komponenten führt dabei in der Regel zu einer
Zunahme der Strukturanregung und damit zu einer Erhöhung der Störgeräusche. Das so genannte Tickern des Kraftstoffeinspritzsystems hat im Vergleich zum Restmotorgeräusch einen niedrigeren Schalldruckpegel. Dennoch führt der impulshaltige und hochfrequente Geräuschcharakter zu einem Mangel in der Komfort- und Qualitäts-
32 wahrnehmung. Um die Geräuschqualität von raftstoffeinspritzsystemen als Frontloading-Maßnahme zu identifizieren, wurde ein Systemprüfstand entwickelt, der die Körper- und Luftschallabstrahlung des Einspritzsystems in seriennaher Konfiguration abbildet.
In diesem Beitrag werden Maßnahmen zur akustischen Optimierung von Einspritzsystemen und deren Auswirkungen auf die Robustheit im Systembetrieb diskutiert. Der Fokus liegt dabei auf dem Motorleerlauf, da an diesem Betriebspunkt das Tickern der Injektoren und der Hochdruckpumpe durch den geringen Maskierungseffekt anderer Geräusche am deutlichsten wahrzunehmen ist. Dazu wurden die Einspritzparameter im Vollmotorbetrieb erfasst und auf den Systemprüfstand transferiert. Durch ein spezielles Entwicklungssteuergerät war es möglich, die Parameter zu modifizieren, deren Einfluss auf das akustische Verhalten zu quantifizieren und darauf aufbauend NVHoptimierte
Ansteuerstrategien zu definieren. Zur Robustheitsbewertung der NVHoptimierten Ansteuerstrategien wurden Schlüsselfunktionen des Einspritzsystems unter variierenden Randbedingungen im Systembetrieb analysiert.
Beim Kauf eines Pkw wird der akustische Qualitätseindruck eines Fahrzeugantriebstrangs stetig relevanter. Die wahrgenommene Geräuschqualität des Motoraggregates nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Aufgrund der Ausprägung einzelner Störgeräusche wird jene Geräuschqualität negativ beeinflusst. Diese als unangenehm empfundenen Geräuschkomponenten gilt es im Rahmen der Fahrzeugentwicklung
weiter zu reduzieren, wobei die Identifikation und Bewertung störender Geräuschanteile am Motorgesamtgeräusch Voraussetzungen für eine effektive Akustikoptimierung sind. Vor allem das impulshafte Tickergeräusch wird bei Otto-DI-Motoren als besonders lästig eingestuft, weswegen dieser Beitrag darauf abzielt, die tickernden Geräuschanteile aus dem Gesamtgeräusch zu analysieren und zu bewerten. Hierzu wurde eine empirische Formel entwickelt, welche die tickernden Geräuschanteile in ihrer Intensität in Grenzen einstufen kann. Diese ist rein empfindungsbasiert und besteht aus der Impulshaftigkeit, der Lautheit sowie der Schärfe des Motorgesamtgeräusches.
Wie auch bei anderen psychoakustischen Bewertungsskalen wurde die Benotung von 1 (sehr tickernd) bis 10 (nicht tickernd) vorgenommen. Anhand von Hörversuchen mithilfe einer Expertenjury konnte die Tickergeräuschbewertungsformel anschließend verifiziert werden. Hiernach kann präzise ausgesagt werden, in welchen Motorkennfeldbereichen das Tickergeräusch die Angenehmheit des Motorgesamtgeräusches untergräbt.
The key for decentralized battery systems is a robust and communication-less control strategy for autonomous power sharing of parallel-connected DC-DC converters. Battery systems improve the reliability and quality of power supply in renewable energy systems and enable power supply for off-grid, mobile applications, including islanded grids, home storage, and electric vehicles. In many cases, components with different electrical properties require different voltage levels. An adaptation is consequently essential and is normally implemented in DC grids for the batteries via bidirectional DC-DC converters. The power flow in both directions can thus be ensured. To achieve a power distribution in parallel connected DC-DC converters, a droop control in the form of a virtual internal resistor can be used. This paper presents a novel approach of a DC-DC converter with a digitally parameterizable droop resistor, whose voltage regulation is based on an analog operational amplifier circuit to ensure low delays and robustness. The droop resistor is adjusted with a microcontroller, which offers the possibility to apply a higher-level control for load sharing via an interface. Mathematical correlations are used to clearly define the parameters of the control. Furthermore, the circuit was completely simulated and tested in the hardware setup. The shown results verify the functionality and indicate only minor deviations. Therefore, this circuit is important for future use in distributed battery systems.
DC- DC converters control the power flow and thus the power distribution between the components on different voltage levels. They are essential for (dis)charging batteries and influence the safety and stability of the entire battery management system (BMS). Therefore, testing the functionality and the reliability of DC-DC converters is crucial. This is especially true for decentralized battery management systems (DBMS), where multiple nodes communicate to collectively control the system. The used DC-DC converters are modified to parameterize them during operation via microcontroller interfaces. Integrating the communication into the control loop requires an analysis of the control behavior due to additional delays. Therefore, this paper proposes a framework to test DC-DC converters considering the control and communication perspectives. The response time, the control accuracy and stability of these DC-DC converters, e.g., under continuous and abrupt load changes, are measured in automated tests. The dedicated software framework simulates the DBMS and stimulates the hardware components (e.g. electronic loads, data acquisition) via respective interfaces (CAN, RS232). This allows the test of various DC-DC converters with flexibly adaptable load and power generation profiles. An initial application validates the test framework by verifying the aforementioned aspects and thus the applicability of a DC-DC converter within the DBMS.
With an increasing number of sold electric vehicles (EVs), a large number of used batteries will be at disposal. How to deal with these resources is one of the major challenges in reducing the environmental impact of batteries throughout their entire life cycle. Heterogeneous cell parameters due to the different usage histories are a challenge for second-life use. The effort and cost of remanufacturing required to test and assemble a new battery pack is a further concern. Systems that combine battery packs/modules without full reassembly offer advantages such as cost and reusability. A decentralized battery management system (DBMS) provides a suitable architecture for such systems involving different types of batteries. In this paper, an architecture for a decentralized, battery state-dependent control is shown. The proposed DBMS supports various types of batteries, is scalable and flexibly adaptable for a wide range of applications. Despite the significant advantages, there are increased requirements to meet for the hardware implementation and the applied control strategies. Therefore, the necessary hardware components and their requirements are described and the hardware implementations are provided.
Quantization and Sampling Effects in Fast Digitally Controlled Switch-Mode DC/DC Buck Converters
(2021)
Software-defined control of DC/DC switch mode power converters features unequaled flexibility compared to analog control. For fast switching converters as recently used for low power applications, digital control may cause steady-state oscillations known as limit cycles. This effect based on a quantized duty cycle is compared to other aberrations such as output ripple voltage, which is inherent to any pulse-width modulator. A distinction is made between DC and AC errors. The latter are divided into synchronous and asynchronous output voltage disturbances. Synchronous AC errors are composed of the switching frequency and its harmonics.
The contribution presents a methodological procedure for the management and planning of interventions after earthquake events in small historic centres. Reference is made to the case study of Castelluccio di Norcia, a village in the Apennine Mountains affected by the seismic sequence that hit Central Italy in 2016. The earthquake risk of the area and the damaging events of 2016 are critically reviewed. The implementation of cognitive analysis and the application of advanced survey techniques involving the use of nmanned Aerial Vehicles (UAVs) for the purposes of emergency management and monitoring of damaged areas are analysed. The outcomes, combined with the direct involvement of the local population, represent a complete and integrated approach allowing the definition of a) possible intervention strategies, b) related decision criteria and c) practical recommendations for the reconstruction and regeneration of Castelluccio, and, in general, of small historic centres damaged by catastrophic events.
Mit der Energiewende geht eine starke Dezentralisierung der Energieeinspeisung einher. So sind im Deutschland des Jahres 2020 rund 31.000 Windenergieanlagen (WEA) in Betrieb, während bei der Solarenergie vor kurzem die zweimillionste Photovoltaik-Anlage (PVA) installiert wurde. Fast alle diese dezentralen Energieressourcen (DER) sind nach den Einspeiserichtlinien der Vergangenheit und der Gegenwart in der Lage, Blindleistung bereitzustellen, um die Spannung im Netz zu regeln und zum Blindleistungsausgleich beizutragen. Weitere potentielle dezentrale Blindleistungsquellen wie Blockheizkraftwerke, Kompensationsanlagen und perspektivisch sogar Verbraucher und Speicher sind im Verteilnetz zu finden. Durch den stetigen Rückbau konventioneller Großkraftwerke, welche dem Übertragungsnetz bisher als Blindleistungsquellen zur Verfügung standen, bedarf es einer Untersuchung mit der Fragestellung, in welchem Maß die neue Erzeugungslandschaft auch in diesem Feld als Ersatz dienen kann. Ein mögliches Hindernis für einen breitangelegten Einsatz von DER zu Zwecken des spannungsebenenübergreifenden Blindleistungsmanagements ist mangelndes Wissen über die Regeldynamik dieser verteilten Blindleistungsquellen. Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber, die DER aktiv für Blindleistungsausgleich oder statische Spannungsregelung einsetzen, geben in der Regel ihre Blindleistungsanforderungen in kleineren Stufen mit erheblichen Latenzzeiten zwischen zwei Schritten weiter. Befürchtet wird, dass schnellere Sprünge in der Blindleistungsvorgabe zu instabilen Betriebszuständen oder anderweitigen Fehlfunktionen im Netz führen können. Eine genauere Kenntnis der dynamischen Fähigkeiten vorhandener Blindleistungsquellen sowie der Auswirkungen auf die Netzstabilität und den Netzschutz könnte dazu beitragen, die Geschwindigkeit der Blindleistungsbereitstellung zu optimieren und somit temporäre Spannungsschwankungen und -verluste zu minimieren und die Spannungsstabilität insgesamt zu verbessern. Durch eine entsprechende Regelungs- und Einsatzstrategie kann ein optimales Zusammenspiel der verschiedenen Technologien zur Deckung der Blindleistungsbedarfe für unterschiedliche Zeitbereiche erzielt werden. Hierfür ist eine genaue Kenntnis der Blindleistungsstellgeschwindigkeiten und des dynamischen Regelverhaltens erforderlich. Dieser Beitrag stellt dazu Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „Q-Integral“ vor. Um die relevanten Zeitkonstanten der Blindleistungsbereitstellung vollständig aufzuführen, werden zunächst typische Kommunikationszeiten für die Übermittlung von Sollwerten diskutiert. Anschließend werden Untersuchungen zu theoretischen und praktischen Reaktionszeiten verschiedener Blindleistungsquellen vorgestellt. Dafür werden verschiedene Technologien wie Umrichter für PVA, Batteriespeicher und WEA sowie Synchrongeneratoren, die bei thermischen Kraftwerken die dominierende Technologie sind, betrachtet. Abschließend werden diese Werte mit realen Blindleistungsstellgeschwindigkeiten von ausgedehnten Wind- und Solarkraftwerken verglichen.