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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine umfassende, systematische Analyse der energetischen Verluste in leistungselektronischen Antriebssystemen durchgeführt. Ziel war es, die relevanten Ursachen für Energieverluste in den unterschiedlichen Funktionsgruppen zu identifizieren und darauf aufbauend gezielte Optimierungsstrategien für eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades zu entwickeln.
Ein Schwerpunkt lag auf der Analyse der Verlustmechanismen in modernen Leistungs-Halbleitern, insbesondere SiC-MOSFETs. Durch eine mathematische Modellierung des Schaltverhaltens sowie durch experimentelle Betrachtungen wurden die dynamischen und statischen Verlustanteile differenziert betrachtet. Die Tatsache, dass parasitäre Effekte und schaltungsspezifische Besonderheiten einen maßgeblichen Einfluss auf das reale Verhalten ausüben, verdeutlicht die Notwendigkeit praxisnaher Validierung und Messstrategien. Ergänzend zur analytischen Betrachtung wurden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Durchlass-, Sperr- und Schaltverluste vorgestellt. Die Ergebnisse belegen, dass die bestmögliche Reduktion von Schaltverlusten nur im Zusammenspiel aus optimierter Bauteilauswahl, angepasster Ansteuerstrategie und geeigneter Gateversorgung realisierbar ist.
Ein weiteres zentrales Thema war die Untersuchung der Versorgungskonzepte für die Treiberschaltungen. Hier wurden verschiedene topologische Ansätze unter Berücksichtigung ihrer Verlustmechanismen und ihrer Eignung für galvanisch getrennte Versorgung analysiert. Es wird betont, dass insbesondere bei Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen und erhöhten Anforderungen an EMV und Leistungsdichte die Wahl des Versorgungskonzepts entscheidend zur Effizienz beiträgt.
Die Auswahl und Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren erwies sich als weiterer Schlüsselbereich. Die Gegenüberstellung verschiedener Technologien, MLCC, Folien- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren, verdeutlichte, dass die Minimierung der Verlustleistung stets in Abhängigkeit von Kapazitätsbedarf, Bauraum und Kosten zu betrachten ist. Die detaillierte Analyse der frequenzabhängigen Eigenschaften, insbesondere von RESR und LESL, machte deutlich, dass die ideale Bauelementwahl immer ein Kompromiss zwischen Verlustminimierung, thermischem Management und wirtschaftlichen Faktoren ist.
Nicht zuletzt wurde der Einfluss der Anbindung und Leiterbahngestaltung auf das Gesamtsystem untersucht. Es zeigte sich, dass parasitäre Induktivitäten und Widerstände maßgeblich das Verhalten der Energiespeicher und somit die Systemeffizienz beeinflussen.
Insgesamt konnte durch gezielte Schaltungs- und Bauteilmodifikation eine rechnerische Reduktion der Gesamtverlustleistung nachgewiesen werden. Die Validierung dieser theoretischen Ergebnisse durch experimentelle Untersuchungen bildet einen essenziellen Schritt für zukünftige Arbeiten. Weiterführend ist insbesondere die experimentelle Erprobung alternativer Ansteuerverfahren, wie resonante Gate-Treiber oder induktive Mitkopplung, von großem Interesse, um das Potenzial neuer Halbleitertechnologien voll auszuschöpfen.
Angesichts des rasanten Fortschritts in der Halbleiterentwicklung und der steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz elektronischer Systeme bleibt die fortwährende Erforschung und Optimierung von Verlustmechanismen ein zentrales Betätigungsfeld der Leistungselektronik. Die vorliegende Arbeit leistet dazu einen grundlegenden Beitrag, indem sie die wichtigsten Einflussgrößen systematisch erfasst und bewertet.
Diese Masterarbeit untersucht die Herausforderungen der Energiewende und deren Auswirkungen auf das Stromnetz, insbesondere im 50Hertz-Übertragungsnetzgebiet. Der zunehmende Ausbau erneuerbarer Energien führt zu Netzengpässen, die die Integration von Wind- und Solarenergie einschränken und eine suboptimale Nutzung der vorhandenen Kapazitäten zur Folge haben. Batteriespeicher bieten eine Lösung, indem sie überschüssige Energie speichern und bei Bedarf bereitstellen.
Vor diesem Hintergrund wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, ein 380/220-kV-Netzmodell für das 50Hertz-Gebiet von Grund auf zu erstellen, um optimale Standorte für Batteriespeicher zu identifizieren. Da ein vollständiges Netzmodell für das 380/220-kV-Netzgebiet von 50Hertz derzeit nicht öffentlich zugänglich ist, musste ein Modell entwickelt werden, das das 50Hertz-Netz möglichst realitätsnah abbildet.
Der Erstellungsprozess eines 380/220-kV-Netzmodells für das 50Hertz-Gebiet wird durch mehrere Herausforderungen erschwert, insbesondere in Bezug auf die Datenverfügbarkeit und den Zugang zu relevanten Informationen. Aufgrund des hohen Modellierungsaufwands wurde die Untersuchung exemplarisch auf das 50Hertz-Netzgebiet beschränkt. Gleichzeitig lassen sich die Ergebnisse der Arbeit später auf Bundesebene skalieren, sodass die entwickelte Methodik auch für andere Netzgebiete und Übertragungsnetzbetreiber anwendbar ist.
Untersuchung der Aufteilung eines realen Niederspannungsnetzgebietes eines Quartiers in Microgrids
(2024)
Die Untersuchung der Aufteilung des Niederspannungsnetzgebiets von Drackendorf in Quartier-Microgrids zielt darauf ab, die technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Potenziale sowie Herausforderungen dieser Netzstruktur zu analysieren. Microgrids, als dezentrale Energiesysteme, kombinieren verschiedene Energiequellen wie Solarenergie, Windkraft und Batteriespeicher, um eine autarke und flexible Energieversorgung zu gewährleisten. Diese Systeme können sowohl netzgekoppelt als auch im Inselbetrieb betrieben werden, was ihre Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit erhöht.
Im Rahmen der Untersuchungen wird die gewünschte Machbarkeit, unter Einbeziehung aller Arten von Stromverbrauchern, in Bezug auf unterschiedliche Spitzenzeiten und Stromverbrauch, durch eine zentrale Anlage für mehrere Wohngebäude zusammen erreicht. Die Untersuchung der Möglichkeiten und der Durchführbarkeit von Wechsel- und Gleichstromübertragungen in einem kleinen Wohngebiet zeigt, dass die wirtschaftliche Durchführbarkeit im Falle eines zentralisierten Systems, d.h. einer Gleichstromübertragung, größer ist, was sich auch in der Einfachheit des Systems und der hohen Zuverlässigkeit widerspiegelt. Der Einsatz eines Gleichstromübertragungssystems in einem Wohngebiet ist machbar, hat keine gesundheitlichen Auswirkungen auf die Bevölkerung und entspricht den Sicherheitsstandards mit den erforderlichen Schutzmaßnahmen und Normen.
Mit der raschen Entwicklung der Multimedia-Videotechnologie spielen hochauflösende Videos in zahlreichen Bereichen eine entscheidende Rolle. In der Automatisierungstechnik ermöglichen hochauflösende Videos visuellen Robotern, die Umgebung besser wahrzunehmen und Aufgaben genauer zu erledigen. Im Bereich des autonomen Fahrens kann der Bordcomputer mithilfe hochauflösender Echtzeitvideos Algorithmen besser nutzen, um Gefahren auf der Straße genau zu erkennen und Hindernisse rechtzeitig zu identifizieren, wodurch die Sicherheit beim Fahrzeugbetrieb erhöht. Hochauflösende Überwachungskameras fördern auch im Sicherheitsbereich effektiv die soziale Sicherheit und den Eigentumsschutz.
Obwohl hochauflösende Videos viele Vorteile bieten, müssen auch die damit verbundenen Herausforderungen berücksichtigt werden. Eine Minute 1080P/30FPS-Rohvideo (RGB888) entspricht etwa 10 GB. Diese Datenmenge ist für Übertragungsmedien und Speichergeräte nicht akzeptabel. Daher wurde nach Möglichkeiten zur Reduzierung der Videodatenmenge gesucht. Es ist bekannt, dass Videos aus aufeinanderfolgenden Bildern bestehen und in benachbarten Bildern oft zahlreiche ähnliche oder identische Pixel vorkommen. Dies führt zu einem erheblichen Datenredundanz. Aus diesem Grund wurde die Videokomprimierungstechnologie entwickelt. Zu den derzeit gängigeren Videokomprimierungstechnologien gehören H.264/MPEG-4 AVC (2003) und H.265 (HEVC). Sie können nicht nur eine hohe Videoqualität aufrechterhalten, sondern auch die Bitrate sowie die Übertragungs- und Speicherkosten senken.
Diese Arbeit behandelt die Implementierung eines Echtzeit-Videokomprimierungssystems nach MPEG-4-Standard auf FPGAs. Das System erfasst Videodaten in Echtzeit über angeschlossene Kameras und überträgt dann die Rohdaten des Videos an eine Videopipeline, wo es einer Reihe von Bildverarbeitungs- und Komprimierungsvorgängen auf Basis von MPEG-4 AVC unterzogen wird. Abschließend wird das komprimierte Video über Ethernet gestreamt und kann in Echtzeit im Webbrowser angezeigt werden.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird die Entwicklung der Multisensorplattform als Messsystem zusätzlicher Umweltgrößen beschrieben. Dabei wird der Aufbau der Akkuzelle auf Lithiumbasis und dessen Kenngrößen, Lebensdauer beeinflussende Umweltfaktoren sowie deren Gefahrenpotential eingegangen. Auf Grundlage dieses Sachverhaltes ist die Idee aufgekommen, dieses zu entwickelnde Messsystem in das bestehende Batteriesystem zu integrieren, um die Umwelteinflüsse von Temperatur und Luftfeuchte innerhalb des Akkucontainers zu ermitteln.
Dabei ist die Aufnahme der Belastungsgrößen in Form von Beschleunigungen und Vibrationen am Einsatzort gleichermaßen für die Weiterentwicklung und Auslegung des gesamten Batteriesystems vorteilhaft.
Es werden die Darstellungsformen und Auswertung von Beschleunigungswerten sowie die zu erwartenden Größenordnungen betrachtet, um für die Entwicklung passende Sensorenzu ermitteln.
Des Weiteren wird auf die Funktionsweise von Gassensoren eingegangen,
um die Möglichkeit von der Erkennung von speziellen Ereignissen in Form von Änderungen der Zusammensetzung der Luft in geschlossen Systemen zu erkennen. Dabei zeigt der Sensor BME688 mit integrierter KI-Funktionalität für Gaserkennung großes Potential.
Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Konzeptionierung des verteilten Messsystems sowie die Realisierung von Hard- und Software von Sensorknoten und Schnittstellenplatine zum vorhandenen Batteriesystem. Dabei wird detailliert das Schaltungsdesign, Platinendesign sowie Gehäusekonstruktion erläutert.
Für die Überprüfung der Hauptfunktion, der Auswertung von den Beschleunigungswerten sowie der Gasklassifizierungen, sind umfangreiche Tests durchgeführt worden. Zum einem konnten Beschleunigungswerte aufgenommen und die höhere Auswertung in Form von einer FFT und ASD berechnet werden.
Zum anderen wurden die Detektion von Ereignissen wie Schmorbrand, Leckage von Kühlmittel und die Klassifizierung von Gasen getestet.
Die TS410-Schulung wird von der Fakultät Wirtschaftswissenschaften der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ) angeboten. Diese Ausbildung hat bereits eine lange Tradition und wird kontinuierlich weiterentwickelt, um den Studierenden stets aktuelle und relevante Inhalte zu bieten. Ein bemerkenswertes Merkmal sind die integrierten Fallstudien. Diese bieten den Studierenden die Möglichkeit, ihr erlerntes Wissen in praxisnahen Szenarien anzuwenden und praktische Einblicke in die Anwendung von Konzepten zu gewinnen. Einige der Fallstudien wurden bei der Einführung von SAP-Modulen in Unternehmen entwickelt und für die Schulung angepasst und übernommen. Bisher fehlte eine spezifische Fallstudie zum Thema Extended Warehouse Management (EWM) in der Schulung. Im Rahmen dieser Arbeit wird jedoch eine solche Fallstudie entwickelt. Dies wird den Studierenden eine Gelegenheit bieten, tiefer in das EWM-Konzept einzutauchen, womit wird das Schulungsangebot weiter bereichert und den Studierenden ein detailliertes Verständnis für moderne Lagerverwaltung innerhalb von Supply-Chains vermittelt.
Emulation eines Gasmotors für die CO2-neutrale Verstromung von Wassestoff in Blockheizkraftwerken
(2024)
Zeit ändert sich und fossile Resourcen werden immer begrenzt. Diese nimmt einen Enfluss auf die Priorisierung der erneuerbaren Energieressourcen und verfolgt CO2-Emissionsfreiheit in zahlreichen Branchen für Klimaneutralität an, vor allem in der Strom- und Wärmeerzeugung. Dabei zeichnen sich die Blockheizkraftwerke (BHKW) mit der Gasmotorenanlage eine vielversprechende Perspektive zu
den Integrations - und Kombinationsmöglichkeiten aus.
Ausschlaggebend für den Einsatz von Gasmotoren werden zwangsläufig die Verbesserung des dynamischen Verhaltens, die Erhöhung der Brennstoffflexibilität und –robustheit und Steigerung der Lasteffizienz im Antriebsstrang bei eingehaltenen Emissionsgrenzwerten sein.
Die BHKW mit ihrer hohen Leistungsdichte, Kompatibilitäts- und Ersetzfreundlichkeit gewinnen einen bedeutenden Wert im dezentralen Energiesystem, die sich mit der Integration von schwankenden Energiequellen auseinandersetzen. In diesem Kontext wird die Entwicklung von Wasserstoffgasmotoren als alternative Antriebsquelle für BHKW untersucht. Um jedoch den Ressourcenverbrauch der Wasserstoffinfrastruktur und die Energieumsetzung quantitativ zu erfassen, werden zunehmend Modellierungs- und Simulationsmethoden eingesetzt.
Der Schwerpunkt dieser Forschungsarbeit liegt auf der Vorstellung eines Antriebskonzepts, das auf der Echtzeit-Emulation von Wasserstoffgasmotoren basiert. Dabei soll die Praktikabilität geprüft und die Einhaltung interner sowie externer Randbedingungen mittels Drehzahlregelung sichergestellt werden.
Die Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität hat in den letzten Jahren zu einem rasanten Anstieg an Elektrofahrzeugen auf den Straßen geführt. Im Zuge dieser Entwicklung rückt die Frage nach einer ökologisch und wirtschaftlich sinnvollen Weiternutzung der Fahrzeugbatterien immer weiter in den Fokus.
Bei der Fahrzeugentwicklung Sachsen GmbH werden die Second-Life-Batterien unter anderem in mobilen Energiespeichern, sowie in hauseigenen Prototypenfahrzeugen verbaut. Hierfür wurde ein BMS entwickelt, welches sich durch eine hohe Modularität und Flexibilität in der Verschaltung mit den Slaves auszeichnen. In dieser Arbeit ist die Konzeption, Entwicklung und Inbetriebnahme der dazugehörigen Master-Grundplatine beschrieben, die zur Überwachung, Steuerung und Diagnose der Batteriemodule dient.
Zur Herstellung von Mikro- und Submikrostrukturen werden im lithografischen Prozess fotosensitive Polymerlacke verwendet. Im i-line-Bereich wird mit einer Belichtungswellenlänge von 365 nm gearbeitet, wofür typische Lacke auf der Basis von Novolak mit Dicken zwischen 1 und 6 µm zum Einsatz kommen. Ein wesentlicher Anspruch an diese Fotolacke ist deren sehr gute Haftung auf unterschiedlichen Substraten, wie beispielsweise thermische- oder CVD-Oxide auch während sich anschließender Prozesse, wie der Implantation. Bei Dicken von ca. 5-6 µm können diese Lacke Probleme im Haftungsverhalten zeigen, was zur Delamination von strukturierten Lackgebieten führen kann.
Gegenstand der Arbeit ist es, das mechanische Verhalten von klassischem Novolak-Lack mit einem chemisch verstärkten i-line-Lack bei Infineon in Dresden zu vergleichen. Dafür wurde zuerst eine Fotomaske mit unterschiedlichen Teststrukturen entworfen. Danach wurden die unterschiedlichen Geometrien dieser Testmaske in Kombination mit unterschiedlichen Untergründen mit Hilfe von Defektdichteuntersuchungen hinsichtlich ihrer Haftung bewertet. Dann am Ende wurden die mechanischen und viskoelastischen Materialeigenschaften der Polymere nach der Implantation untersucht.
