Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5133
Main Title: Control and optimization of a DC-DC converter for thermoelectric generators
Translated Title: Regelung und Optimierung eines DC-DC Wandlers für thermoelektrische Generatoren
Author(s): Carstens, Jan Hendrik Hermann
Advisor(s): Gühmann, Clemens
Referee(s): Gühmann, Clemens
Reuss, Hans-Christian
Schauer, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The internal combustion engine is of fundamental importance for individual mobility. The demand for internal combustion engines increases in relation to population growth and fuel consumption. At present, alternative drive concepts using sustainable energies only play a secondary role in mobility. Consequently, the governments enact laws to determine more restrictive emission limit values, thereby aiming to reduce toxic emissions and fossil fuel consumption. To reach those limit values, the efficiency of the internal combustion engine must be increased. In contrast to the combustion process itself, the thermal loss of the waste gas from the internal combustion engine has a high potential to increase the efficiency and to reduce toxic emissions. Thermoelectric generators can be used to directly convert thermal energy into electrical energy. For that reason, thermoelectric generators are a suitable technology to recover thermal losses. The recovered energy can be used to relieve the alternator of the on-board power supply. However, to link the energy from thermoelectric generators to the on-board power supply, the voltage potential must be matched. This can be realized with DC-DC converters. In order to avoid unnecessary losses of energy conversion, different DC-DC converter topologies need to be analyzed. In this thesis, a loss model is presented, which enables to analyze and evaluate the losses of the electrical components of DC-DC converters. An experimental prototype was developed and used to verify this loss model. Changes of the operation points of an internal combustion engine present a challenge for the integration of thermoelectric generators with DC-DC converters. The voltage potential of thermoelectric generators depends on the engine’s operation point. To compensate for the changes in the voltage potential of the thermoelectric generators, DC-DC converters must be controlled. Furthermore, the aim of the controller is to track the maximum power of a thermoelectric generator and to link the power to the on-board power supply. Therefore, a maximum-power-point-tracking controller with a cascade controller was designed. The analytically designed controller was verified by an experiment. Finally, the wiring of separated thermoelectric modules of a generator was analyzed to increase the efficiency of the whole thermoelectric generator. Based on this optimization, the potential for saving fuel and CO2 emissions of an internal combustion engine using thermoelectric generators is simulated.
Für die individuelle Mobilität hat die Verbrennungskraftmaschine eine fundamentale Bedeutung. Mit steigendem Bevölkerungszuwachs steigt der Bedarf an Verbrennungskraftmaschinen, sowie der Bedarf an fossilen Brennstoffen. Alternative Antriebskonzepte auf Basis nachhaltiger Energien haben aktuell noch eine untergeordnete Wichtigkeit für die Mobilität. Aus diesem Grund werden immer restriktivere Emissionsgrenzwerte erlassen um den Verbrauch von fossilen Brennstoffen und toxische Emissionen zu reduzieren. Um diese Grenzwerte einzuhalten, steht die Maximierung des Wirkungsgrads der Verbrennungskraftmaschine verstärkt im Fokus der Entwicklung und Forschung. Im Gegensatz zu dem eigentlichen Verbrennungsprozess von Verbrennungskraftmaschinen, bieten die thermischen Verluste des Abgases ein hohes Potential denWirkungsgrad zu steigern und somit die Emissionen zu senken. Mittels thermoelektrischer Generatoren kann thermische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Aus diesem Grund stellt diese Technologie ein hohes Potential dar die thermischen Verluste der Verbrennungskraftmaschinen zu rekuperieren. Die zurückgewonnene Energie kann in das Bordnetz eingespeist werden um die Lichtmaschine zu entlasten. Um jedoch eine elektrische Potentialanpassung zwischen dem thermoelektrischen Generator und dem Bordnetz vorzunehmen, bedarf es DC-DC Wandlern. Um unnötige Verluste bei der Einspeisung zu vermeiden, muss untersucht werden, welche unterschiedlichen Topologien von DC-DC Wandlern sich je nach Anwendungsfall eignen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Verlustmodell präsentiert, welches es ermöglicht, die Verluste einzelner Bauteilkomponenten zu analysieren und zu bewerten. Zur Verifikation dieses Modells wird ein Prototyp entwickelt und der Wirkungsgrad vermessen. Eine Herausforderung stellt der Wechsel der Betriebspunkte bei einer Verbrennungskraftmaschine dar. Ein thermischer Betriebspunktwechsel wirkt sich auf die Leerlaufspannung von den thermoelektrischen Generatoren aus. Um die Spannungsschwankungen zu kompensieren, wird eine Regelung der DC-DC Wandler entwickelt. Das primäre Ziel des Regelungskonzeptes ist es, die maximale Leistung vom thermoelektrischen Generator in das Bordnetz zu speisen. Hierzu wird eine Maximum-Power-Point-Tracking Regelung mit einer Kaskadenstruktur entwickelt. Die analytisch ausgelegte Regelung wird durch Experimente verifiziert. Zum Abschluss dieser Arbeit wird analysiert, wie einzelne Module eines thermoelektrischen Generators mit DC-DC Wandler verschaltet werden müssen um einen optimalen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen. Mit dieser Optimierung wird an einem Beispiel das Einsparpotential von Kraftstoff und CO2 Emissionen an einer Verbrennungskraftmaschine, durch die Nutzung thermoelektrischer Generatoren, simuliert.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5462
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5133
Exam Date: 18-Mar-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 23-May-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): thermoelectric generator
DC-DC converter
control
optimization
on-board power supply
thermoelektrischer Generator
DC-DC Wandler
Regelung
Optimierung
Bordnetz
Sponsor/Funder: BMBF, 03X3553E, Thermoelektrische Generatoren 2020
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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