ISEA-Newsletter
ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe April 2015, Nr. 1/2015 Aus dem Inhalt Parametrierung physikalisch-chemischer Modelle Nach intensiver Forschungsarbeit ist es am ISEA gelungen, eine Methodik zur Parametrierung eines physikalisch-chemischen Modells für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Die Modelle sollen u. a. zur OptiSeite 3 mierung von Batterie-Betriebsstrategien verwendet werden. Ladestrategien für gewerbliche Fahrzeugflotten In zwei Projekten erforschen die RWTH-Institute ISEA und PGS Ladestrategien für gewerbliche Fahrzeugflotten. Auf Basis der gewonnen Daten werden Empfehlungen für den Ausbau von Ladeinfrastrukturen Seite 5 erarbeitet. Leistungselektronik • Kleinere und effizientere Ladegeräte dank Luftkühlung Seite 2 Kurz & knapp Seiten 3/4/5 Elektrische Antriebe • Entwicklung eines innovativen Range-Extender-Moduls Seite 4 Elektrische Antriebe • Vielseitige Prüfinfrastruktur Seite 6 Veranstaltungen/Termine Seite 7 Dissertation • Tilman Sanders Seite 7 Auswahl aktueller Publikationen Seite 8 Editorial Liebe Leserinnen, liebe Leser, die Monate März bis Juni stehen für das ISEA im Zeichen von drei Konferenzen, an deren inhaltlicher Gestaltung und Organisation wir maßgeblich beteiligt sind. Anfang März fanden in Düsseldorf die erstmals an einem Ort vereinigten Tagungen International Renewable Energy Storage Conference IRES und Energy Storage zusammen mit einer Messe mit rund 100 Ausstellern statt. Ende April heißen wir Forscher aus Industrie und Wissenschaft aus dem Bereich der Batterietechnik zum NRW-Batterietag und zur Tagung Kraftwerk Batterie im Aachener Eurogress und auch bei uns am Institut willkommen. Ende Juni findet dann das International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) im Hotel Quellenhof ebenfalls in Aachen statt. Beste Gelegenheiten also, sich zu den aktuellen Fragen in Forschung und Wissenschaft auszutauschen und Aachen, das immer eine Reise wert ist, einen Besuch abzustatten. Herzliche Grüße, Dirk Uwe Sauer Speichersysteme I Prüfinfrastruktur Neuer HiL-Prüfstand unterstützt Entwicklung neuer Batteriemangementsysteme In der Abteilung Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik des ISEA wird seit einigen Jahren aktiv an der Weiterentwicklung von Batteriemanagementsystemen geforscht. Der Fokus liegt hierbei insbesondere auf der Erhöhung der Sicherheit und Kosteneffizienz und auf der Erprobung neuartiger Konzepte und Diagnoseverfahren. Im Rahmen des vom BMWi geförderten Verbundprojekts DriveBattery2015 wurde am Institut jetzt ein Hardware-in-the-Loop (HiL; s. Bild, Seite 2) Prüfstand für Batteriemanagementsysteme (BMS) in Betrieb genommen. Batteriemanagementsysteme dienen innerhalb von Batteriepacks zur Überwachung und Diagnose der Batteriezellen. Diese Aufgaben sind für die Sicherheit des gesamten Speichersystems von enormer Bedeutung, insbesondere bei Verwendung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Grund genug, solche Systeme schon in der Entwicklungsphase eingehend zu testen. 1 Der neue HiL-Prüfstand ist der größte seiner Art an einer deutschen Hochschule und ermöglicht realitätsnahe Tests sowohl der Hardware als auch der Software eines BMS. Zu diesem Zweck kann der Prüfstand ein komplettes Batteriepack mit bis zu 128 Zellen emulieren. Dank des leistungsfähigen integrierten Echtzeitrechners können am Institut entwickelte impedanzbasierte Batteriemodelle eingesetzt werden, die in Echtzeit die Spannungsantworten aller Zellen auf ein beliebiges, auf die jeweilige Applikation Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe abgestimmtes Lastprofil berechnen. Dabei stellt die Zellemulationshardware des Prüfstands dem BMS die aus dem Modell berechneten Einzelzellspannungen zur Verfügung. Weitere Komponenten des Prüfstands ermöglichen die Emulation von Temperatur- und Stromsensoren auf Signalebene sowie die Emulation von Batterieschützen und Trennschaltern. Selbstverständlich können diese Komponenten, falls sie real für den Test vorliegen, ebenso in die Prüfstandsumgebung integriert werden. Möglich ist auch eine Restbussimulation der notwendigen CAN-Signale. Letztlich wird das BMS in einer Prüfstandsumgebung betrieben, die den Verhältnissen im realen Batteriepack exakt nachgebildet ist. Anders als beim Betrieb mit echten Batteriezellen können hier jedoch Fehlerzustände wie zum Beispiel Überladung, Tiefentladung oder Zellkurzschlüsse gezielt und vor allem gefahrlos nachgestellt werden. Ebenso ist die Reproduzierbarkeit der Versuche problemlos möglich: Wenn zum Beispiel ein Fehler in der Software entdeckt und behoben wurde, kann der Erfolg der Maßnahme unmittelbar durch Wiederholung des Tests überprüft werden. Bei Verwendung realer Zellen ist eine solche Wiederholung kaum hinreichend exakt möglich. Auch der durch das BMS durchgeführte Ladungsausgleich (Balancing) kann mit dem neuen Prüfstand getestet werden. Die dabei April 2015, Nr. 1/2015 verwendeten Batteriemodelle sind flexibel auf nahezu beliebige Zelltypen parametrierbar. Durch statistische Variation der Modellparameter können so Inhomogenitäten des Zellverhaltens nachgebildet werden. Diese sind in einem realen Batteriepack von großer Bedeutung, da zum Beispiel bei einer Serienschaltung von Batteriezellen die „schwächste“ Zelle die Performance des Gesamtsystems bestimmt. Das Balancing dient dann zum Ausgleich von Spannungs- bzw. Ladezustandsunterschieden zwischen einzelnen Zellen. Mithilfe der nun am ISEA möglichen HiL-Tests können solche Effekte vor dem Hintergrund der in der Realität ungleichmäßigen Zellalterung untersucht werden. Für entsprechende Testaufbauten aus realen Zellen müsste jede einzelne Zelle aufwendig vorgealtert werden. Insgesamt lassen sich mithilfe des HiL-Prüfstandes nahezu sämtliche Funktionen eines BMS realitätsnah, sicher und vor allem kosteneffizient schon während der Entwicklung testen – ein nicht zu unterschätzender Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit neu entwickelter Batteriemanagementsysteme. Leistungselektronik I Forschungsprojekt Ladegeräte werden kleiner und effizienter dank Luftkühlung Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts Luftstrom hat das ISEA die Aufgabe übernommen, ein luftgekühltes bidirektionales Ladegerät für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Ziel ist es, mit möglichst wenig Bauraum auszukommen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Die Verbindung mit dem Stromversorgungsnetz soll über eine haushaltsübliche Steckdose erfolgen. Zudem soll die Batterie des Fahrzeugs durch die Bereitstellung bzw. Aufnahme von Regelleistung, also durch zeitlich gezieltes Laden und Entladen, zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes genutzt werden. Das ISEA entwickelt in diesem Projekt einen funktionsfähigen Laborprototypen, der mit einem geringeren Bauvolumen als herkömmliche wassergekühlte Ladegeräte auskommt und sich gleichzeitig durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Um den Bauraum zu reduzieren, werden schnellschaltende Bauelemente eingesetzt. Derartige Bauelemente ermöglichen deutlich höhere Schaltfrequenzen als siliziumbasierte 2 Halbleiter, wie sie heute üblicherweise in kommerziell verfügbaren Geräten eingesetzt werden. Die höheren Schaltfrequenzen sollen genutzt werden, um ein geringeres Bauraumvolumen der passiven Komponenten zu erreichen. Dies gilt insbesondere für das Netzfilter und den Hochfrequenztransformator. Allerdings ist der Betrieb dieser Komponenten mit hohen Frequenzen aufgrund verschiedener parasitärer Effekte nicht unproblematisch. Entsprechend ist deren optimales Design ein zentraler Forschungsaspekt dieses Projekts. Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Weitere Untersuchungsgegenstände sind die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Wandlers sowie spezielle Treiberschaltungen. Im Gesamtprojekt Luftstrom, das im Januar 2015 erfolgreich gestartet ist, werden von Projektpartnern verschiedene Aspekte im Bereich der Leistungselektronik für Elektround Hybridfahrzeuge erforscht. Zum einen soll durch eine Anpassung von Aufbau- und Verbin- dungstechnologien die maximal zulässige ChipTemperatur erhöht werden, um die Leistungsdichte zu steigern. Zum anderen werden mit Hilfe von schnellschaltenden Bauelementen, basierend auf Wide-Band-Gap-Materialien, neuartige Schaltungstopologien untersucht, um den Wirkungsgrad der Leistungselektronik zu verbessern. Beide Aspekte machen die Untersuchung luftgekühlter Leistungselektronik besonders interessant. Speichersysteme I Batterieentwicklung Parametrierung physikalisch-chemischer Modelle Modellparameter anhand einer Post-MortemNach intensiver Forschungsarbeit ist es am Analyse notwendig. Hierzu werden BatteISEA gelungen, eine Methodik zur Parametrierung eines physikalisch-chemischen Modells für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Physikalischchemische Modelle bilden die in der Zelle ablaufenden Prozesse, z. B. Diffusionsprozesse oder die Reaktionskinetik, ab und werden anhand von Materialeigenschaften parametriert. Mithilfe solcher Modelle erlangt man ein besseres Verständnis der internen Vorgänge in einer Batterie, zudem können sie zur Materialoptimierung eingesetzt Zellöffnung und ... werden. Der interne Zustand einer Batterie ist insbesondere für deren Alterung von großer Bedeutung. Mit einem physikalisch-chemischen Modell kann beispielsweise das lokale Potential der Anode vorhergesagt und zur direkten Detektion von Lithium-Plating verwendet werden. Um zuverlässige Ergebnisse mit solchen Modellen zu erzielen, ist eine genaue Bestimmung der April 2015, Nr. 1/2015 Kurz & knapp I Projektstart Speichersysteme in Inselstromnetzen Am 1. Februar startete das Verbundprojekt TILOS (Technology Innovation for the Local Scale, Optimum Integration of Battery Energy Storage, Koordinator Prof. John Kaldellis, (SEALAB)), das im Rahmen des EU-Rahmenprogramms Horizon 2020, gemeinsam mit 14 weiteren Partnern, darunter SMA, Younicos, E.ON und FIAMM, die optimale Integration von Speichersystemen in ein intelligentes Inselstromnetz mit hohem Anteil erneuerbarer Energien untersuchen und demonstrieren soll. Die Demonstrationsphase wird auf der griechischen Insel Tilos implementiert werden. Das Projekt hat einen Umfang von 14 Millionen Euro und eine Laufzeit von vier Jahren. *** Stadt erteilt Baugenehmigung für den Batteriespeicher M5BAT Am 9. Dezember 2014 wurde von der Stadt Aachen die Baugenehmigung für den Batteriespeicher M5BAT erteilt. Im Rahmen des Projekts wird ein ehemaliges Verwaltungsgebäude an der Hüttenstraße umgebaut. Das Vorhaben umfasst zunächst die statische Ertüchtigung sowie die Ausstattung mit der erforderlichen technischen Gebäudeausrüstung (insbesondere Brandschutz-, Lüftungs- und Meldetechnik) und die Installation der Elektrotechnik. Für die Erteilung der Baugenehmigung wurde u. a. ein spezielles Sicherheits- und Brandschutzkonzept entwickelt, das im Rahmen des Bauvorhabens bis zum Jahresende 2015 umgesetzt werden soll. Weitere Infos unter www.m5bat.de. ... geometrische Vermessung zur Modellparametrierung 3 Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe rien unter Schutzatmosphäre geöffnet, die geometrischen Daten ermittelt und Proben zur weiteren Vermessung extrahiert (s. Bilder). So kann zum Beispiel die Quecksilber-Porosimetrie zur Bestimmung von Porosität und Partikelradien des Aktivmaterials eingesetzt werden. Aus Strom- und Spannungsmessungen ergeben sich Daten zur Leitfähigkeit der eingesetzten Materialien. Elektrochemische Halbzellenmessungen an Laborzellen können zur Vermessung von OCV-Kurven, der Diffusionskoeffizienten und der Reaktionskinetik der einzelnen Elektroden verwendet werden. Am ISEA konnte gezeigt werden, dass das so parametrierte physikalisch-chemische Modell das Strom/Spannungsverhalten der betrachteten Zelle für verschiedene Ströme und verschiedene Temperaturen sowohl für kurzzeitige Pulse, als auch für vollständige Entladungen gut nachbilden kann. Selbst das Abklingverhalten der Zelle in einer Konstant-Spannungs-Phase, für viele Modelle ein Problem, kann das Modell vorhersagen. Sowohl die Optimierung von Betriebsstrategien als auch die Materialentwicklung werden damit erheblich erleichtert. Elektrische Antriebe I Forschungsprojekt Entwicklung eines innovativen Range-Extender-Moduls Gemeinsam mit den innovativen Unternehmen ENGIRO GmbH, AixControl Gesellschaft für leistungselektronische Systemlösungen mbH und ISAR Getriebetechnik KG entwickelt das ISEA im Rahmen eines Verbundprojekts ein integriertes hochdrehendes Range-ExtenderModul auf Basis eines Wankelmotors und einer Geschalteten Reluktanzmaschine. Das Projekt trägt den Namen HiREX – Hochintegriertes Hochdrehzahl-Range-Extender-Modul – und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Mitte Januar kamen am ISEA alle Verbundpartner und der Projektträger zum offiziellen Kickoff in Aachen zusammen. Mit dem zu entwickelnden innovativen Modul sollen sowohl eine Erhöhung der Betriebsdrehzahl als auch eine konsequente Integration aller Teilkomponenten erreicht werden. Letztlich geht es darum, die Leistungsdichte des Gesamtsystems zu erhöhen. Entwicklungstechnische Kernfrage ist dabei, ob und wie trotz erhöhtem Fertigungsaufwand und mechanischer Verluste ein kosten- und bauraumtechnisch konkurrenz- fähiges Range-ExtenderModul entwickelt werden kann. Der verfolgte Ansatz eröffnet dabei die Möglichkeit, durch technologische Innovation die Unabhängigkeit deutscher Unternehmen von Seltenen-Erden-Metallen zu erreichen. Mit einem Range-Extender ausgestattete Elektrofahrzeuge bieten neben einer erhöhten Reichweite die Möglichkeit, lokal emissionsfrei zu fahren. Besonders im Nah- und Verteilverkehr in Innenstädten wird dies aufgrund strenger werdender Emissionsschutzvorgaben immer wichtiger. Als Zielanwendungen spielen daher neben dem PKW-Markt auch Lieferwagen und Busse eine bedeutende Rolle. Für die Entwicklung jeder der einzelnen Teilkomponenten konnte jeweils ein Partner aus der Industrie gewonnen werden. Ziel ist es, durch die arbeitsteilige, interdisziplinäre Zusammenarbeit der beteiligten Unternehmen mit den Ingenieurwissenschaftlern des ISEA ein optimal abgestimmtes Gesamtsystem zu entwickeln. 4 April 2015, Nr. 1/2015 Kurz & knapp II Konferenz Kraftwerk Batterie in Aachen Am 28. und 29. April trifft sich in Aachen die internationale Batteriewelt auf der Konferenz Kraftwerk Batterie. In über 60 Vorträgen und auf rund 130 Postern werden aktuelle Ergebnisse aus Forschung und Industrie präsentiert. Am ersten Tag findet zudem eine gemeinsame Session mit der i-WING Konferenz (Bestandteil des Rahmenprogramms zur Förderung von Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft) des BMBF in Dresden statt. Hochkarätige Plenarredner werden sowohl in Dresden als auch in Aachen vortragen und wechselseitig per Video zugeschaltet sein. Weitere Infos unter www.battery-power.eu. *** ISEA-Standort an der Hüttenstraße wächst Das ISEA wächst. Vor wenigen Wochen ist die gesamte Abteilung „Batteriesystemtechnik und Fahrzeugintegration“ in einen Gebäudekomplex in der Nähe des Prüfzentrums und des Interims-Standort des „NRW Zentrallabor für Batteriepackdesign“ umgezogen. In die neuen hellen Räume an der Hüttenstraße wird nun auch die BatterieManagement-System-Entwicklung mit HiLPrüfstand und Elektronik-Labor einziehen. Besucher sind herzlich willkommen. *** ISEA-Kolloquium mit Dr.-Ing. Jürgen Reinert Im Rahmen der Vortragsreihe „ISEA-Kolloquium“ referieren Gäste aus Wissenschaft und Industrie über technische Themen aus den Forschungsbereichen des ISEA. In der Januar-Veranstaltung ging Dr.-Ing. Jürgen Reinert (Vorstand SMA) auf die aktuelle Lage der Solarindustrie ein und zeigte zukünftige Entwicklungen im Bereich der solaren Energieversorgung auf. Bei einem anschließenden Imbiss wurden weitere Fragen diskutiert. Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Speichersysteme I Forschungsprojekte Ladestrategien für gewerbliche Fahrzeugflotten Für den Einsatz von Elektrofahrzeugen in gewerblichen Fahrzeugflotten muss es eine Ladeinfrastruktur geben, die den Anforderungen der installierten Leistung und der Betriebssicherheit gerecht wird. Zudem sind optimierte Ladealgorithmen für eine möglichst lange Batterielebensdauer und damit für die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Fahrzeuge unverzichtbar. April 2015, Nr. 1/2015 Kurz & knapp III Baubeginn am Elektromobilitätslabor eLab Die Bauarbeiten des Elektromobilitätslabors (eLab) auf dem Campus-Gelände der Pflegedienst, in einer Werksflotte und im kommunalen gewerblichen Car-Sharing. Eine genaue Analyse der Alterung der Batteriepacks erfolgt nach Beendigung von Phase 2. © LP 12 Architekten Erfahrungen aus dem realen Einsatz von Fahrzeugen und Untersuchungen zur Technologie der Batteriepacks stehen in diesem Projekt genauso im Fokus wie die Optimierung von Einsatz- und Ladestrategien und somit die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen. Die Institute ISEA und PGS sind seit zwei Jahren unter der Leitung von Professor Sauer mit der wissenschaftlichen Begleitforschung in zwei Projekten beauftragt. Im vom BMWi geförderten Der Einsatz von Elektrofahrzeugen im ZustellProjekt „GO ELK – Gewerblich Operierende ELekbetrieb der Deutschen Post wird von ISEA und tro-Kleinflotten“ werden die Fahr- und Ladedaten PGS im vom BMU geförderten Projekt „CO2-Freie von insgesamt 20 Elektrofahrzeugen in einer Zustellung Bonn“ wissenschaftlich begleitet. Für ersten Projektphase den Zustellbetrieb analysiert. Auf Basis wird eine Simuder Ergebnisse lation der Reichwerden in einer weite von Elektrozweiten Phase optifahrzeugen unter mierte LadestraBerücksichtigung tegien entwickelt verschiedener und umgesetzt. Einflussfaktoren Zusätzlich werden auf die Batterie, Batteriezellen im z. B. AlterungszuISEA-Testzentrum stand, Zuladung, kalendarisch und Außentemperatur zyklisch gealtert. und Fahrstil, entwiAnschließend kann ckelt. Untersucht der Einfluss optiwerden darüber mierter Ladestratehinaus der Einfluss gien auf die Battevon großen Fahrriealterung anhand zeugzahlen auf realer Betriebsdie Auslegung der daten untersucht Ladeinfrastruktur und mit den Laborsowie geeignete Einige der Untersuchungen werden an geöffneten ergebnissen vergliLadestrategien. Batteriepacks durchgeführt chen werden. Über die Verlängerung der Lebensdauer hinaus soll hier auch untersucht werden, Der Einfluss unterschiedlicher Ladestrategien wird wie unerwünschte Auswirkungen auf das Stromanhand regelmäßiger Messungen des Alterungsnetz durch eine intelligente Steuerung der Ladezustands an den Fahrzeugen ermittelt. Zwanzig vorgänge verringert werden können. Die ImpleSerienfahrzeuge verschiedener Hersteller wurden mentierung dieser Steuerung kann abhängig von hierzu beschafft. Im täglichen Einsatz sind die der technischen Umsetzbarkeit fahrzeug- und Fahrzeuge in den Schaufensterregionen Bayern, infrastrukturseitig erfolgen. Berlin und Niedersachsen bei einem ambulanten 5 RWTH haben begonnen (Investitionsvolumen inklusive der Einrichtungen: ca. acht Millionen Euro). Das Elektromobilitätslabor wird Prototypen von elektrischen Komponenten, z. B. im Bereich Batteriezellenproduktion, Batteriesystemtechnik, Leistungselektronik, Steuerung und Elektromotor entwickeln und fertigen. Synergetischer Bestandteil des eLab ist das NRW-Zentrallabor für Batteriesystemtechnik (Prof. Sauer, 3,25 Millionen Euro Fördervolumen) mit seinem Fokus auf Batteriesystemtechnik sowie Entwicklung und Bau von Batteriepacks. *** Besuch bei Aurubis Mit einer Gruppe von acht Personen hat das ISEA die Aurubis AG, einen KupferhalbzeugHersteller in Stolberg, besucht. Besonders die verschiedenen Legierungen für Elektronikkomponenten und auch Folien als Vorprodukte für die Batterieproduktion waren dabei von Interesse für die ISEAner. Neben der Vorstellung des Konzerns als größtem Produzenten von Walzprodukten war die Größe des Werkes, der Umfang der Produktion und der Energieverbrauch für die Besucher besonders beeindruckend. Im Verlauf des Rundgangs ergaben sich zahlreiche Fragen an die Kupferspezialisten. *** ABB-Preis für Dr.-Ing. Wladislaw Waag Anlässlich des Tages der Elektrotechnik und Informationstechnik 2014 der Fakultät 6 an der RWTH Aachen wurde Dr.-Ing. Wladislaw Waag für seine hervorragende Dissertation auf dem Gebiet der Energietechnik mit dem ABB-Preis ausgezeichnet. Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe April 2015, Nr. 1/2015 Elektrische Antriebe I Prüfinfastruktur Vielseitig dank hoher Leistungsbandbreite und variabler Drehzahlen In der Forschungsgruppe Elektrische Antriebe decken verschiedene Funktionsprüfstände zur Erprobung und Vermessung elektrischer Maschinen und Umrichter einen Leistungsbereich von 1,5 kW bis 120 kW sowie Drehzahlen bis 25 000 Umdrehungen pro Minute ab. Untersuchungen mit Drehzahlen bis zu 12 500 min-1 und einem maximalen Drehmoment von 600 Nm durchgeführt werden. Darüber hinaus können auf einem Hochdrehzahlprüfstand Maschinen mit Leistungen von momentan bis zu 90 kW (bis max. 120 kW ausbaubar) und einer Maximaldrehzahl von 25 000 Umdrehungen pro Minute getestet werden. Zwei 20-kW-Prüfstände sind so ausgelegt, dass auf ihnen elektrische Maschinen mit bis Zur Evaluierung von Regelalgorithmen und zur zu 12 000 min-1 und 50 Nm Drehmoment eingeMaschinenmodellierung werden zusätzlich hend getestet werden können. Ein Doppelkleinere Prüfachsprüfstand Die Prüfstands-Infrastruktur der ISEA-Forschungsgruppe stände mit 1,5 mit ebenerElektrische Antriebe bietet ausgezeichnete MöglichkW und 6 000 digem Prüfkeiten zur min-1 genutzt. bett und zwei •Inbetriebnahme elektrischer Maschinen und Umrichter 60-kW-LastmaEin Charak•Schwingungsanalyse und akustischen Vermessung schinen kann teristikprüf•Wirkungsgradmessung mit einer maxistand steht •Erprobung von Regelungen und Algorithmen malen Drehebenfalls zur zahl von 6 000 min-1 betrieben werden. Dieser Prüfstand, der sich mittels Getriebe und einer Untersetzung von 4:1 für Direktantriebe mit einem Nennmoment von bis zu 1 200 Nm je Lastmaschine umrüsten lässt, erlaubt unter anderem direkte Tests an elektrischen Antrieben, die im Fahrzeug verbaut sind (ggf. unter Einbeziehung des mechanischem Differenzials). Zur umfangreichen Prüfstands-Ausstattung des ISEA-Forschungsbereichs Elektrische Antriebe gehört auch ein 120-kW-Prüfstand, an dem Verfügung. Hier können zur exakten Bestimmung charakteristischer Maschinengrößen hochpräzise Messungen von Strom, Rotorwinkel, Drehmoment und Temperatur vorgenommen werden. Jedem Prüfstand ist ein DC-DC-Wandler mit variabler Ausgangsspannung zur Speisung der Prüflingsumrichter zugeordnet. Mit Hilfe ISEA-eigener Antriebsumrichter können bis zu 6-phasige Maschinen getestet und vermessen werden. Frei programmierbare DSP- und FPGAbasierte Regelungsplattformen der Unternehmen AixControl und dSpace bieten die Möglichkeit, eigene Regelungen und Algorithmen schnell zu entwickeln und zu prüfen. Lastmaschine und Getriebe des Hochdrehzahlprüfstands 6 Zur Kühlung der Maschinen können neben einer zentralen Hauskühlung auch mobile Konditioniereinheiten eingesetzt werden. Mit deren Hilfe werden die zu untersuchenden Maschinen gezielt temperiert, um reale Einsatzbedingungen möglichst exakt nachzustellen. Zur Antriebsvermessung und -überwachung kommen Präzisionsdigitaloszilloskope, Strommesszangen, Leistungsmessgeräte, Logicanalyzer, Drehmoment- und Drehzahlmesswellen, Schwingungs- und Akustikmessgeräte, Rotortelemetrie und Wärmebildkameras zum Einsatz. Die mittels Datenlogger automatisch aufgezeichneten Messdaten werden mithilfe von eigens zu diesem Zweck am ISEA entwickelter Software ausgewertet. Eine schnelle und umfassende Bewertung der Messergebnisse ist damit gewährleistet. Herausgeber: ISEA I Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe, RWTH Aachen Lehrstuhl Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Prof. Dr. ir. Dr. h. c. Rik W. De Doncker Lehrstuhl Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Redaktion & Kontakt: Dr. Ute Müller/Dr. Rolf Sweekhorst ISEA I Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe RWTH Aachen Jägerstraße 17 - 19 52066 Aachen Tel. : +49 241 80 99597 Fax: +49 241 80 92203 Mail:[email protected] Url: www.isea.rwth-aachen.de Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe April 2015, Nr. 1/2015 Veranstaltungen/Termine 22. - 23. April 2015 Bad Boll Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement (EEHE), www.eehe.de/de/home.html 27. April 2015 Aachen, Eurogress NRW-Batterietag 28. - 29. April 2015 Kraftwerk Batterie www.battery-power.eu 2. Juni 2015 Frankfurt Experten-Workshop PV-Nutzen www.pv-nutzen.rwth-aachen.de; Anmeldung: [email protected] 22. - 25. Juni 2015 Aachen, Quellenhof PEDG2015 • The 6th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems, www.pedg2015.org 22. - 23. September 2015 Aachen, ISEA Energiespeicher für Bordnetze, Hybridfahrzeuge und Antriebssysteme, Anforderungen, Technologien, Praxiserfahrungen (in deutscher Sprache; mit Laborführung und Besichtigung des Batterieprüfzentrum des ISEA), www.hdt-essen.de Dissertation Tilman Sanders: Spatially Resolved Electrical In-Situ Measurement Techniques for Fuel Cells Tilman Sanders hat am 17.7.2014 die Promotionsprüfung zu seiner Dissertation „Spatially Resolved Electrical In-Situ Measurement Techniques for Fuel Cells“ erfolgreich abgeschlossen. In seiner Arbeit stellt Tilman Sanders verschiedene Messverfahren für die ortsaufgelöste Vermessung von Brennstoffzellen vor. Dr. Tilman Sanders arbeitet beim Dortmunder Pumpenhersteller Wilo SE. Von 2007 bis 2012 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISEA tätig. Dazu gehören Methoden für die Temperaturmessung in Nieder- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen sowie für Messungen von Differenzdruck und ortsaufgelöster Stromverteilung. Mit letzterer ist auch eine elektrochemische Impedanz-Spektroskopie an einzelnen Zellsegmenten möglich. 7 Die experimentellen Untersuchungen wurden darüber hinaus durch Neutronen- und Synchrotron-Radiographie ergänzt. So konnten die Auswirkungen der Wasserverteilung auf die Betriebsbedingungen und lokale und globale Leistungsgrößen ermittelt werden. Weitergehend wurde in dieser Arbeit ein ebenfalls ortsaufgelöstes Simulationsmodell einer DirektMethanol-Brennstoffstelle (DMFC) auf-gestellt, das eine Nachstellung beobachteter Effekte ermöglicht. Ein besonderes interessantes beobachtetes Phänomen ist das sogenannte „bifunktionale Regime“, bei dem sich ein Teil der DMFC im normalen Brennstoffzellen-Betrieb befindet, ein anderer jedoch im Elektrolyse-Betriebszustand. Dadurch ergibt sich ein Kreisstrom, welcher bei Betrachtung der Gesamtzelle nicht zu beobachten ist, der aber einen entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Lebensdauer ausübt. Die Dissertationsschrift ist im Shaker-Verlag als Band 73 der Aachener Beiträge des ISEA erschienen und unter der ISBN 978-3-8440-3121-8 erhältlich. Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe April 2015, Nr. 1/2015 Auswahl aktueller Publikationen M. Bösing A. Hofmann R. W. De Doncker Universal Acoustic Modeling Framework for Electrical Drives 7th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2014), Manchester, UK, 2014 Diese Veröffentlichung stellt ein universelles Framework zur effizienten und qualitativ hochwertigen akustischen Modellierung beliebiger Maschinentypen vor. Ausgehend von generischen Eingangsparameter und einer automatisierten OfflineFEM-Simulation, die nur einmal für ein gegebenes Motordesign durchgeführt werden muss, generiert das Framework ein elektromagnetisches Maschinenmodell, Kraftmodell und Übertragungsfunktionen für verschiedene Schwingungsmoden. Die generierten Modelle und Übertragungsfunktionen werden dann in einer zweiten, sehr schnellen Simulation zur detaillierten Analyse des Einflusses verschiedener Regelungsverfahrungen und Modulationsstrategien auf das akustische Verhalten der Maschine verwendet. Auf Initiative der Konferenzveranstalter wird eine weiterentwickelte Version des Artikels im „IET Journal of Power Electronics“ erscheinen. C. Fleischer W. Waag Z. Bai D. U. Sauer On-line Self-Learning Time Forward Voltage Prognosis for Lithium-Ion Batteries Using Adaptive Neuro-fuzzy Inference System Journal of Power Sources 243 (2013), 728-749 Dieser Beitrag beschreibt einen neuen Ansatz für die Leistungsschätzung in Batteriesystemen in Bezug auf deren niedrigste/ höchste Zellenspannung unter Verwendung eines adaptiven Neuro-Fuzzy-Inferenz-Systems (ANFIS). Es kombiniert die Stärken der Fuzzy-Logik, nämlich die Fähigkeit der Modellierung des menschlichen Wissens und der Neuronalen Netze, mit der Fähigkeit des Lernens in einem Framework aus einem lernfähigen System, das sich an den Alterungsprozess eines Batteriepacks anpasst. Um eine Überanpassung, Netzwerkfehler oder falsches Lernverhalten zu vermeiden, wurde ein neuartiges Gitterfilter implementiert. Das ANFIS prognostiziert zuverlässig die niedrigste/höchste Klemmenspannung im Batteriepack für die nahe Zukunft. E. Gerovasili J. F. May D. U. Sauer Experimental Evaluation of the Performance of the Sodium Metal Chloride Battery Below Usual Operating Temperatures Journal of Power Sources 251 (2014), 137-144 NaNiCl2-(ZEBRA)-Batterien arbeiten typischerweise bei einer Temperatur von etwa 300 °C. In dieser Untersuchung wurden Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad bei verschiedenen Strom- und Zyklenbelastungen bei einer Betriebstemperatur von nur 240 °C vermessen. Zu den Untersuchungen gehört auch die Frage der Ladezeiten bei unterschiedlichen Temperaturen. Ziel ist es, die Steigerung des Wirkungsgrads durch geringere Wärmeverluste den Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit gegenüberzustellen. S. Koschik F. Bauer R. W. De Doncker Offline Extraction of Induction Machine Parameters for Control Strategy Synthesis International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA), 3898-3904, Hiroshima, Japan, 2014 Im Rahmen dieser Publikation wurde ein Algorithmus entwickelt, der aus Leistungs-und Drehmomentmessungen über Drehmoment- und Schlupfkurven die Parameter einer Asynchronmaschine berechnet. Basierend auf einer Sensitivitätsanalyse adaptiert der Algorithmus die Ersatzschaltbildparameter der Asynchronmaschine, um diese mit den gemessenen Größen Drehmoment, Statorspannung und Phasenwinkel abzugleichen. Das verwendete Ersatzschaltbild erfasst die Einflüsse von Eisensättigung, Eisenverlusten und Stromverdrängung im Rotor. Der Algorithmus wurde mit experimentell ermittelten Daten verifiziert. C. Loef R. W. De Doncker (RWTH) B. Ackermann (Philips Research, Eindhoven) On High Frequency High Voltage Generators With Planar Transformers 29th Applied Power Electronics Conference, Fort Worth, Texas, USA, 2015 Zur Erzeugung hoher Gleichspannungen werden Transformatoren eingesetzt, die einen gegebenen Spannungswert in einen höheren Spannungswert umsetzen. Um eine kompakte Bauweise zu erzielen, wird eine hohe Betriebsfrequenz angestrebt. Hierdurch können Standard-Ferritmaterialien als Kernmaterial zum Einsatz kommen. Bedingt durch die hohen Betriebsfrequenzen treten in den Wicklungen Skin- und Proximity-Verluste auf. Durch die Anwendung einer FEM-Analyse der Wick- 8 Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe April 2015, Nr. 1/2015 lungsausführung konnte eine Reduktion der Wicklungsverluste erzielt werden. Durch die Anwendung einer verschachtelten Schweibenwicklungsanordnung konnten die Proximity-Verluste deutlich reduziert werden. Eine Validierung erfolgte an einem Transformator mit einer Übertragungsleistung von 50 kW bei einer erzielten Leistungsdichte des Transformators von 40 kW/ Liter. G. Merei S. Adler D. Magnor M. Leuthold D. U. Sauer Multi-physics Model for a Vanadium Redox Flow Battery Energy Procedia 46 (2014), 194-203 Energiespeichersysteme spielen eine wichtige Rolle zum Ausgleich der Fluktuationen aus den erneuerbaren Energien. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRB) ist eine vielversprechende und attraktive Speichertechnologie aufgrund ihrer langen Lebensdauer und der Möglichkeit der unabhängigen Skalierung der Nennleistung und Nennenergie. Diese Veröffentlichung stellt ein VRB-Batteriemodell für die Berechnung der elektrochemischen Reaktionen, Pumpenverluste und Temperaturschwankungen innerhalb der VRB und Alterungsvorhersage vor. Das Modell ist einsatzbar für unterschiedliche VRB-Systeme mit unterschiedlichen Leistungen und Kapazitäten und für verschiedene Vanadium- und Schwefelsäurekonzentrationen. Die Modellierungsergebnisse wurden diskutiert und stimmen mit den aktuellen Forschungserkenntnissen überein. M. Neubert S. Koschik R. W. De Doncker Performance Comparison of Inverter and Drive Configurations With Open-End and Star-Connected Windings International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA), 3145-3152, Hiroshima, Japan, 2014 Im Rahmen dieser Publikation werden auf einer B6C- und einer H-Brücken-Topologie basierende Umrichterkonfigurationen in Verbindung mit entsprechenden Maschinenkonfigurationen simulativ verglichen. Dabei stehen die Effizienz, die THD (Total Harmonic Distortion) und die Drehmomentwelligkeit im Fokus. Die Untersuchungen zeigen, dass mit einer H-Brücken-Konfiguration zwar die tendenziell höchste Effizienz erreicht werden kann, allerdings auch sehr hohe Kreisströme auftreten. Um dieses Problem zu adressieren, werden verschiedene gleichspannungsfreie Modulationsverfahren evaluiert. M. Reichert D. Andre A. Rösmann P. Janssen H. G. Bremes D. U. Sauer et.al. Influence of Relaxation Time on the Lifetime of Commercial Lithium-Ion Cells Journal of Power Sources 239 (2013), 45-53 Der Einfluss von Ruhephasen auf experimentell beobachtbare Kapazitätsverbesserungen (Relaxation) wurde an kommerziellen NMC/LCO- und LFP-Zellen untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass nicht die Summe vieler Ruhephasen, sondern die Länge der längsten Ruhephase entscheidend für die Relaxation der Kapazität ist. Die Relaxationseffekte sind allerdings insgesamt sehr klein und bewegen sich im Promillebereich. M. Rosekeit P. Joebges M. Lelie D. U. Sauer R. W. De Doncker Undersampling Control of a Bidirectional Cascaded Buck+Boost Dc-Dc Converter International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA), 2729-2736, Hiroshima, Japan, 2014 In dieser Veröffentlichung wird eine Deadbeatstromregelung für einen bidirektionalen kaskadierten Hoch-Tiefsetzsteller mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz und einer Regelfrequenz von 10 kHz vorgestellt. Der Spulenstrom wird durch ein Modell vorhergesagt, um die Verschiebung zwischen PWM-Update und Abtastzeitpunkt zu kompensieren. Auswirkungen von Messrauschen und quantisierter PWM werden diskutiert. Die Batterie wird vor ungewollten negativen Strömen durch ein Schaltverfahren mit diskontinuierlichem Spulenstrom geschützt. J. Schmalstieg S. Käbitz M. Ecker D. U. Sauer A Holistic Aging Model for Li(NiMnCo)O2 Based 18650 Lithium-Ion Batteries Journal of Power Sources, 257 (2014), 325 - 334 Dieser Beitrag zeigt die Parametrierung eines umfassenden Alterungsmodells aus beschleunigten Alterungstests inklusive einer Verifikation aus realistischen Fahrprofilen. Mehr als 60 Zellen wurden getestet, um die Einflussfaktoren der kalendarischen und zyklischen Alterung zu untersuchen. Aus der gemessenen Alterung wurden physikalisch basierte Funktionen abgeleitet, um eine mathematische Beschreibung zu erhalten. Zur Berechnung der Alterungsfaktoren wurde das Alterungsmodell mit einem impedanzbasierten elektrisch-thermischen Modell gekoppelt. Mit diesem Tool können verschiedenste Fahrprofile und Batterie-Management-Strategien simuliert und optimiert werden. 9 Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe ISEA News Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe www.isea.rwth-aachen.de Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe April 2015, Nr. 1/2015 C. H. van der Broeck S. A. Richter J. von Bloh R. W. De Doncker Discrete Time Modeling, Implementation and Design of Current Controllers IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2014), Pittsburgh, Pennsylvania, USA, 2014 Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verfahren zur zeitdiskreten Modellierung, Implementierung und optimalen Auslegung von Stromregelern für dreiphasige Netzumrichter entwickelt und untersucht. Dazu wurde ein zeitdiskretes Modell aufgebaut, das sowohl die Charakteristika des PWM-Umrichters als auch den Einfluss der Netzspannung korrekt abbildet. Mithilfe des Modells wurde die Leistungsfähigkeit eines PI-Reglers im rotierenden Koordinatensystem, der ins ruhende Koordinatensystem transformiert wurde, und eines PR-Reglers untersucht und verglichen. Aufbauend auf diesen klassischen Regelstrukturen wurde ein Regelungskonzept vorgestellt, das auf Raumzeigerresonatoren basiert und mehrere Resonatoren auf unterschiedlichen Frequenzen beinhaltet. Dieses Verfahren ist effizient zu implementieren und ermöglicht eine strukturierte und konsistente Regelauslegung. Dazu wurde das Wurzelortskurvenverfahren für Raumzeiger verallgemeinert, um verschiedene Kreuzkopplungen der Zustandsgrößen bei der Regelungsauslegung zu berücksichtigen. Abschließend wurden Simulationen und Experimente durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des Regelungskonzepts zu zeigen. C. H. van der Broeck S. A. Richter J. von Bloh R. W. De Doncker Unified Control of a Buck Converter for Wide Load Range Applications 29th Applied Power Electronics Conference, Fort Worth, Texas, USA, 2015 In dieser Arbeit wurde ein zeitdiskretes Regelungsverfahren für Tiefsetzsteller entwickelt, das es erlaubt, die Ausgangsspannung des Wandlers hochdynamisch und lastunabhängig im kontinuierlichen Betrieb, im Lückbetrieb und im Übergangsbereich zu betreiben. Mit dem entwickelten Regelverfahren kann der Tiefsetzsteller für Anwendungen mit einem großen Ausgangsspannungs- und Strombereich bei starken Lastschwankungen eingesetzt werden. Zum Entwurf der Regelungsstruktur wurden zwei Großsignalmodelle des Tiefsetzstellers entwickelt, welche die Dynamik des Wandlers im kontinuierlichen Betrieb bzw. im Lückbetrieb akkurat abbilden. Der jeweilige Betriebsbereich des Wandlers wird zu jedem Abtastzeitpunkt detektiert. Zur Regelung der Ausgangsspannung wird ein PI-Regler verwendet, der im kontinuierlichen Betrieb die Ausgangsspannung über eine kaskadierte Stromregelung regelt und im Lückbetrieb über einer Entkopplung der Nichtlinearität des Wandlers die Ausregelung der Spannung sicherstellt. Zur Validierung des Regelungskonzepts wurden verschiedene Simulation und Experimente an einer nichtlinearen Last durchgeführt. W. Waag C. Fleischer D. U. Sauer On-line Estimation of Lithium-Ion Battery Impedance Parameters Using a Novel Varied-Parameters Approach Journal of Power Sources 237 (2013), 260-269 In dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren für die Online-Schätzung der Impedanzparameter eines Batterieersatzschaltmodells (ECM) vorgestellt. Die Grundidee ist, dass die Änderung der Batteriespannung unter Last unter Verwendung eines ECM mit unterschiedlichen Parametersätzen während einer kurzen Zeitperiode vorhergesagt wird. Hierzu wurde eine intelligente Strategie für den Aufbau von Parametersätzen implementiert, die eine schnelle, effiziente Konvergenz und genaue Parameterschätzung erlaubt. Das Verfahren berücksichtigt einen optimierten Rechenzeitgewinn und ist daher für einen Einsatz im Automobil-Mikrocontroller prädestiniert. 10 Leistungselektronik Speichersysteme Elektrische Antriebe
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