Schalttopologien und Regelungskonzepte zur Steigerung der Effizienz direkter Abwärmenutzung in thermoelektrischen Energiesystemen

Bentaleb, Abdelhamid GND

Ein Großteil der eingesetzten Energie geht in Haushalten, Industrie und Verkehr als Abwärme ungenutzt verloren. Als Beispiele seien hier Bäckereien, Stahlwerke und Verbrennungskraftwerke genannt. Mit Thermogeneratoren lässt sich Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln. Thermoelektrische Abwärmenutzung könnte den Primärenergieverbrauch senken, und damit signifikant zum Klimaschutz beitragen. Die Wesentliche Aufgabe dieser Arbeit war den Gesamtwirkungsgrad der thermoelektrischen Abwärmenutzung unter realistischen Bedingungen zu messen und Schalt‐ und Regelungskonzepte zu erforschen und zu entwickeln um die Effizienz des thermoelektrischen Energiesystems zu verbessern. Da die Ausgangsspannung und der Innenwiderstand der Thermogeneratoren mit der Temperaturdifferenz schwanken, wird ein DC/DC‐Wandler als Übertragerschaltung zur Leistungsanpassung zwischen den Thermogeneratoren und dem Verbraucher eingesetzt. Mit dem Ziel einen hohen Wirkungsgrad ( / 94% DC DC   ) zu erreichen, wurden unterschiedliche Schaltungstopologien von Gleichspannungswandlern analysiert. Mehrere Prototypen wurden realisiert und hinsichtlich Wirkungsgrads verglichen. Für einen kompakten Aufbau der Wandler erfolgte der Betrieb bei einer hohen Schaltfrequenz von 100kHz. Als Hoch‐ /Tiefsetzsteller wurde ein Vollbrückenwandler realisiert. Für Anwendungen mit kleiner Eingangsspannung und hoher Strombelastung wurde ein Zweiphasen‐Synchronwandler mit phasenverschobener Ansteuerung der einzelnen Wandlereinheiten entwickelt. Durch das mehrphasige Schaltkonzept ließ sich ein hoher Wirkungsgrad sowohl im Voll‐ als auch im Teillastbetrieb erreichen. Für die Regelung der Wandler wurden unterschiedliche MPPT‐Verfahren untersucht. Die Auslegung der Regler erfolgte unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Wandlers. Für die Auswertung der Regelgüte wurde der MPPT‐Wirkungsgrad der Verfahren gemessen. Ein wichtiger Designfaktor des thermoelektrischen Energiesystems ist die Schaltkonfiguration bei der Zusammenschaltung der Thermogeneratoren mit den DC/DC‐Wandlern. Durchgeführte Analysen und Messungen zeigten, dass bei einem modularen Aufbau mit Strangwandlern, die maximale Energiemenge geerntet wird. Dies ist allerdings mit einem hohen technischen und Kostenaufwand verbunden. Bei Steigender Anzahl der Stränge in Anwendungen mit großflächigen Modulnetzwerken und mehreren Temperaturzonen, steigt die Gesamtzahl an Bauelementen, Treiberschaltungen, Regelungseinheiten und Sensoren. Als Alternative mit einem besseren Preis‐Leistungsverhältnis wurde ein neues Schaltkonzept bei Verwendung von Ladungspumpen (vgl. Charge‐Balancing im „BMS“ bei Batterien) entwickelt und erprobt. Bei der Realisierung der Wandler‐Prototypen wurden MOSFETs mit einem geringen Durchlasswiderstand DSon R als Halbleiterschalter eingesetzt. Hierdurch wurden die stromabhängigen Leitverluste deutlich reduziert. Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Wandler kann durch die Reduktion der dominierenden Schaltverluste (bei der hohen Schaltfrequenz) erreicht werden. Mit Hilfe eines PSpice‐Modells, das, das dynamische Verhalten der eingesetzten MOSFETs genau abbildet, wurde eine simulationsgestützte Analyse eines weichschalenden Wandlers bei Verwendung von passiven und aktiven Entlastungsnetzwerken durchgeführt. Eine Dimensionierungsvorschrift für die Entlastungsnetzwerke wurde abgeleitet. Der erreichbare Wirkungsgrad mit dem weichschaltenden Wandler unter Nullspannung (ZVS: Zero Voltage Switching) wurde ausgewertet.

Waste heat in various energy‐intensive processes, such as in steel and glass production as well as in large bakeries often remains unused. Thermoelectric generators can convert thermal energy directly into electrical energy. This conversion could reduce primary energy consumption and thus make a significant contribution to environmental protection. The prime objective of this work was to measure the overall efficiency of a thermoelectric energy system under realistic conditions aiming at developing innovative switching and control concepts, which results in improving the efficiency of this energy system. Since the output voltage and the internal electrical resistance of thermoelectric generators fluctuate with the temperature, a DC/DC converter is used for impedance matching and maximum power transfer to the load. In order to achieve a high degree of efficiency , different circuit topologies of DC/DC converters were studied. prototypes were realized and compared regarding efficiency. For a compact design of the converters, operation was carried out at a high switching frequency of 100kHz. A full bridge converter was designed and implemented to perform step‐up and step‐down functions. For applications with low input voltage and high current, a two‐phase synchronous converter with phase‐shift control was developed. Due to the multi‐phase switching concept, a high degree of efficiency could be achieved both at full and partial load operation. Different MPPT methods were investigated for the control of the converters. The dynamic behavior of the converters was considered for the design of MPPT‐controllers. The MPPT efficiency of the processes was measured for the evaluation of the control quality. An important design factor of a thermoelectric energy system is the arrangement of the thermoelectric generators when they are interconnected with the DC/DC converters. Analyses and measurements have shown that in a modular design with string converters, the maximum amount of energy is produced. However, this is associated with high costs. As the number of strings increases in applications with multiple temperature zones, the total number of components, driver circuits, control units and sensors increase as well. As an alternative with a better price‐performance ratio, a new switching concept using charge pumps was developed and tested. MOSFETs with a low On‐resistance were used in the realization of the converter prototypes. This significantly reduced the current‐dependent conduction losses. A further increase in the efficiency of the converters can be achieved by reducing the dominant switching losses (at the high switching frequency). With the help of a PSpice model, which accurately reproduces the dynamic behavior of the MOSFETs used, a simulation‐based analysis of a soft switching converter was performed. A dimensioning rule for auxiliary resonant circuits (passive and active) was derived. The achievable efficiency with the soft switching converter under zero voltage (ZVS: Zero Voltage Switching) was evaluated.

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Bentaleb, Abdelhamid: Schalttopologien und Regelungskonzepte zur Steigerung der Effizienz direkter Abwärmenutzung in thermoelektrischen Energiesystemen. Clausthal 2019.

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