Erstellung, Kopplung und Anwendung dynamischer thermischer Kompaktmodelle leistungselektronischer Systeme

Freiburger, Philipp GND

In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der thermischen Kompaktmodellerstellung erläutert, wobei die Vorteile von Kompaktmodellen basierend auf thermischen Impedanzen (Zth) ausgearbeitet werden. Es wird gezeigt, dass mit Kompaktmodellen der Temperaturverlauf komplexer thermischer Systeme mit variablen Randbedingungen annähernd exakt nachgebildet werden kann. Mit dem Ziel, ein Kompaktmodell eines Akkupacks basierend auf thermischen Impedanzen zu erstellen, wird zunächst ein detailliertes Modell ausgearbeitet. Dazu werden die thermophysikalischen Parameter einer Lithium-Ionen-Zelle aus Literaturwerten und Messungen ermittelt, mit einem empirischen Verlustmodell validiert und in das Gesamtmodell implementiert. Letzteres besteht aus einem CFD-Modell, das die Messumgebung bei freier Konvektion nachbildet. Um das Kompaktmodell zu erstellen, wird das CFD-Modell um einen Betriebspunkt linearisiert. Das Kompaktmodell wird in ein echtzeitfähiges thermoelektrisches Modell transformiert und mittels eines Lastprofils unter variierenden Umgebungsrandbedingungen mit Messdaten verglichen und validiert. Es zeigt sich eine drastische Reduktion der Rechenzeit sowie eine hohe Genauigkeit des Kompaktmodells. Sind technische Systeme modular aufgebaut und erfordern einen hohen Detaillierungsgrad in der thermischen Modellierung, bietet es sich an, das Ursprungssystem zu substrukturieren und die Substrukturen zu reduzieren. Die gängigen Methoden zur Reduktion und zur Rückkopplung in ein reduziertes Gesamtsystem werden hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen bewertet. Mittels einer in dieser Arbeit entwickelten, neuen, auf Faltung und Entfaltung basierenden Methodik, dem CoC-Verfahren, werden die Vorteile der Substrukturierung und der Kompaktmodellbildung vereint. Es zeigt sich eine hohe Genauigkeit, da durch die zeitdiskrete Faltung keine Abweichung durch ein ansonsten notwendiges Fitting an äquivalente Netzwerke entsteht. Das CoC-Verfahren wird an einem Invertermodul angewandt, das dazu in die Substrukturen B6-Brücke, Folienkondensator und Stromschienen aufgeteilt wird. Ein Kompaktmodell wird unter den Erkenntnissen der allgemeinen Randbedingungen aus dem ersten Hauptteil der Arbeit erstellt und validiert.

The present work shows different methods of compact thermal modeling, whereby the advantages of compact models based on thermal impedances (Zth) are worked out. It is shown, that with compact models, the temperature profile of complex thermal systems with variable boundary conditions can be almost exactly predicted. With the aim of developing an impedance-based compact model of an accumulator, a detailed model is created first of all. For this purpose, the thermophysical parameters of a lithium-ion cell are evaluated from literature values and measurements, validated with an empirical power-loss model and implemented into the whole model. The latter consists of a CFD model, which reproduces the environmental conditions of the measurements at natural convection. To create the compact model the CFD-model is linearized around an operating point. The compact model is transformed into a real time thermoelectric model and compared to measurements with varying environmental boundary conditions by applying a load profile. It is shown that calculation time is reduced drastically and that a high accuracy of the compact model is reached. If technical systems are module-based and require a high level of detail in thermal modeling, substructuring the original system to reduced subsystems offers many advantages. The usual methods for reduction and re-coupling into the complete system are assessed for their strengths and weaknesses. By means of a new methodology, based on convolution and deconvolution, the so called CoC-method, the advantages of substructuring and compact thermal modeling are combined. A high degree of accuracy is shown, as the time discrete convolution has no deviation in comparison to methods which require a fitting to an equivalent network. The CoC-method is applied to an inverter module, which is therefore separated into the substructures B6-bridge, film capacitor and current rails. A compact model is created under the findings of the general boundary conditions from the first main part of the work and finally validated.

Cite

Citation style:
Freiburger, P., 2020. Erstellung, Kopplung und Anwendung dynamischer thermischer Kompaktmodelle leistungselektronischer Systeme. Ilmenau.
Could not load citation form. Default citation form is displayed.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export