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The objective of this thesis is the conceptual design of a battery management system for the first prototype of the UWC (University of the Western Cape) Modular Battery System. The battery system is a lithium-ion battery that aims to be used in renewable energy systems and for niche electric vehicles such as golf carts.
The concept that is introduced in this thesis comprises the parameter monitoring, the safety management and has its main focus on an accurate state of charge estimation.
Another battery system that was already implemented is used as base for the parameter monitoring and the safety management for the new battery management system. In contrast to that, the concept for the state of charge estimation must be developed completely.
Different methods for the state of charge estimation which are based on the measured voltage, current and temperature are discussed, evaluated and the chosen method is conceived in this thesis. The method used for the state of charge estimation is different for the time when the battery is active than when it is inactive. During charge and discharge Coulomb counting is used and when the cell is inactive voltage versus state of charge lookup tables are used to update the estimation.
To have an accurate estimation when the cell is inactive only for a short time, a model of the voltage relaxation is used to predict the voltage when the cells are in equilibrium. This allows the algorithm to reset the state of charge that is estimated by Coulomb counting – which tends to have a growing error over time – frequently.
To evaluate the accuracy of the voltage prediction, cell tests were executed where the voltage relaxation was sampled. The recursive least square method to predict the end voltage was tested with a MATLAB programme. With the help of voltage versus state of charge lookup tables it was possible to determine the state of charge accuracy with the accuracy of the voltage prediction.
In dieser Bachelor Arbeit wird die Realisierung und messtechnische Analyse dreier Delta-Sigma-Modulatoren vorgestellt. Zwei der drei Modulatoren sind mit diskreten Bauteilen realisiert, ein dritter als integrierte Schaltung. Bei den diskret realisierten Modulatoren handelt es sich um Modulatoren 1. und 2. Ordnung, der als integrierte Schaltung verbaute Modulator ist ein Modulator 7. Ordnung.
Die Messdaten werden mithilfe eines Mikrocontrollers aufgezeichnet und am Computer mit MATLAB ausgewertet. Für die Auswertung der Modulatoren wird jeweils der Signalrauschabstand und die harmonische Verzerrung des Signals ermittelt. Zusätzlich wird bei jeder Messung eines Modulators das Spektrum des Signals ermittelt und dargestellt. Bei den beiden diskreten Modulatoren ergibt sich bei den Messungen ein Signalrauschabstand von 54 dB bis 56 dB, bei dem als integrierte Schaltung implementierten Delta-Sigma-Modulator wird ein Wert von 70 dB bis 76 dB erreicht. Für die harmonische Verzerrung der Signale wird beim Modulator 1. Ordnung ein Wert von 64 dB, beim Modulator 2. Ordnung 72 dB und beim 7. Ordnung 91 dB gemessen.
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist ein modernes Mehrträgermodulationsverfahren, das sich gut an die besonderen Eigenschaften eines Mobilfunkkanals mit zeitvarianter Mehrwegeausbreitung anpassen kann. Es eignet sich aufgrund seines Aufbaus vor allem für Breitbandübertragungen und wird in vielen aktuellen Funksystemen wie LTE, WLAN, DVB-T usw. eingesetzt. In DSL wird die Basisbandvariante von OFDM eingesetzt, die „Discrete Multitone Transmission (DMT)“ genannt wird. Viele Aussagen über OFDM lassen sich auch auf DMT übertragen.
Moduliert wird mit Hilfe der inversen Fouriertransformation, die viele Unterträger parallel verarbeitet und am Schluss aufsummiert. Dies hat den Nachteil einer hohen Signalfluktuation, die bei Verstärkern zu Problemen führt.
Reale Verstärker haben eine nichtlineare Verstärkungskennlinie mit einer maximalen Ausgangsamplitude. Wird diese überschritten, wird das Signal abgeschnitten (geclippt). Dies hat sowohl vermehrte Bitfehler aufgrund des Orthogonalitätsverlustets der Unterträgersignale zueinander zur Folge, als auch eine erhöhte Außerbandabstrahlung.
Eine mögliche Lösung besteht darin, die Aussteuerung des Verstärkers klein zu halten. Daraus resultieren jedoch erhöhte Kosten und eine verringerte Energieeffizienz. Man ist daher bemüht die Signalfluktuation möglichst gering zu halten. Eine Maßzahl für die Amplitudenschwankungen ist das Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR).
Um das PAPR zu senken, gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren. In dieser Arbeit werden die gängigsten davon vorgestellt und das Interleavingverfahren, die Tone Reservations (TR) und das Active Constellation Expanding (ACE) genauer untersucht.
Implementierung von Softcore-Prozessoren und/oder weiteren IPs (Intellectual Properties) in FPGAs
(2017)
In heutigen Low-Power-Anwendungen ist es mittlerweile Standard sogenannte System-on-a-Chip (SoC)-Systeme zu entwickeln. Diese benötigen eine Recheneinheit, sowie nur die notwendigste Hardware, um die Energieversorgung auch über Energy-Harvesting zu ermöglichen.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde der aktuelle Stand von verfügbaren Hardcore- und Softcore-Prozessoren evaluiert. Aufgrund der hohen Anforderung an den Prozessor in Low-Power-Systemen, wurden Hardcore-Prozessoren für die weitere Untersuchung ausgeschlossen. Obwohl diese sehr leistungstarke und energieeffiziente Prozessoren sind, weisen Hardcore-Prozessoren nicht die notwendige Flexibilität in einer minimalen Konfiguration auf, um die Ansprüche einer Low-Power-Anwendung zu erfüllen.
Aus diesem Grund wurden von verschiedenen Quellen Softcore-Prozessoren untereinander mit zusätzlich, ausgewählten Kriterien untersucht. Die Wahl fiel auf den NEO430, welcher auf der Architektur des Mikrocontrollers MSP430 von Texas Instrument basiert.
Mit dem NEO430 als Softcore, wurde ein Demonstrator-System entwickelt und auf dem Development-Board DE2-115 von Terasic implementiert. Im Zuge der Entwicklung des Demonstrators wurden weiterhin frei verfügbare IP-Cores zur Anbindung an den NEO430 untersucht. Der Demonstrator umfasste eine selbst entwickelte CRC-Berechnung, um damit die Programmierbarkeit, die Funktionen des NEO430 zu testen und dessen Ressourcenverbrauch, sowie Erweiterbarkeit über der Wishbone-Schnittstelle zu evaluieren.
Die Evaluierung des Demonstrator-Systems ergab einen Ressourcenverbrauch von 1253 Logikelemente des Development-Boards. Neben dem Demonstrator wurden weitere Konfigurationen, wie eine Minimale-, die Standard-Konfiguration und insbesondere eine Konfiguration ohne der Wishbone-Schnittstelle evaluiert.
Durch die starke Verbreitung der MSP430-Serie in der Industrie, ist der NEO430 ein interessanter Kandidat für Low-Power-Systeme
Implementierung von schnellen Algorithmen auf Basis der FFT in einem digitalen Signalprozessor
(2017)
In dieser Bachelor-Thesis geht es um die Weiterentwicklung des bestehenden Laborversuchs „Schnelle Algorithmen auf Basis der FFT“ des Labors „Digitale Signalverarbeitung“. Dieser Versuch wird momentan mit einem digitalen Signalprozessor (TMS320C6713) umgesetzt. Dabei sollen eine schnelle Faltung, sowie Erweiterungen der bestehenden Software, welche mit dieser zusammenhängen, implementiert werden. Des Weiteren sollen Verbesserungen und Korrekturen an dem bestehenden Projekt vorgenommen werden. Um herauszufinden, was bereits implementiert ist, wird das bestehende Projekt zunächst analysiert. Anschließend wird die schnelle Faltung mit dem für das Labor benötigten Funktionsumfang implementiert. Zudem werden darüber hinaus Erweiterungen der Software umgesetzt, wie z.B. eine Sprachauswahl.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde evaluiert, welche Hardware-Plattform für Einsteiger im Bereich der System-on-Chip (SoC) Field-Programmable-Gate-Arrays (FPGAs) (SoC-FPGAs)geeignet ist, speziell Altera Cyclone V SoC. Dabei wurde die Vorgehensweise sowie die benötigten Programme, die für die Entwicklung benötigt werden, ermittelt. Als Beispiel Applikation diente hier die Bildverarbeitung. Die Hardware-Plattform soll es ermöglichen, dass diese von Programmierern im Bereich der Bildverarbeitung genutzt werden kann, ohne dass diese sich um die Hardware kümmern müssen. Zusätzlich sollte evaluiert werden, ob und wie man den FPGA benutzen kann, um Algorithmen auf der Hardware auszuführen, und so einen Performance Gewinn zu erhalten.
Für die Thesis stand zu Beginn ein Hardware-Paket, bestehend aus einem FPGA-SoC-Board, Kamera-Modul sowie TFT-Display zur Verfügung. Dieses Paket stellte sich als nicht geeignet heraus, da die Hersteller entweder keine oder nur mangelhafte Dokumentation zu den Modulen bereitstellten.
Als geeignete Hardware wurde das DE0-Nano-SoC von der Firma Terasic gewählt. Das verwendete Kamera–Modul sowie Display–Modul stammt ebenfalls von Terasic. Diese Module bieten den Vorteil, dass sie auch mit anderen Boards von Terasic kompatibel und gut dokumentiert sind und es Beispiel-Programme für diese Module gibt. Für die gewählte Hardware-Plattform wurde ein IP-Core für die Kommunikation mit der Kamera, sowie ein IP-Core für die Berechnung von Bayer-Raw-Format in das 16 bit(565)-RGB-Format entworfen und implementiert. Die Funktion der IP-Cores wurde mit Hilfe von Simulationen verifiziert.
Es wurden die Arbeitsschritte und Abläufe ermittelt, die nötig sind, um das System vom embedded Linux zu programmieren und mit den IP-Cores zu kommunizieren.
Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen
(2017)
Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden.
Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer,geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind.
Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW. Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt.
Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus.
Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden.
Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich mit der Thematik, eine drahtlose Energieübertragung mit Hilfe induktiv resonanter Kopplung zu simulieren und aufzubauen. Durch die in den letzten Jahren immer größer werdende Elektromobilität steigt auch das Interesse an einem drahtlosen Transfer von elektrischem Strom. Doch auch in kleineren Leistungsbereichen ist ein drahtloses Aufladen, wie z.B. bei Laptops und Handys, ein angesagtes Thema. Mit Hilfe von zwei resonanten Schwingkreisen wird ein Austausch an Energie zwischen Sender- und Empfängerschwingkreis demonstriert. Die Grundlagen der magnetischen Induktion wie auch die Grundlagen von elektrischen Schwingkreisen sind hierfür essentiell und werden in dem ersten Kapitel aufgegriffen. Durch das Aufstellen eines mathematischen Modells, im zweiten Kapitel, wird das Prinzip der magnetischen Kopplung und das Phänomen der Frequenzspaltung von gekoppelten Systemen ausführlich behandelt und aufgestellt. Spider-Web Spulen, welche schon in niedrigen Frequenzbereichen hohe Güten aufweisen können, werden für den folgenden Aufbau verwendet. In den darauf folgenden Kapiteln wird das über das Magnetfeld gekoppelte System ausführlich untersucht. Das System erzielt eine Leistungsübertragung von 20W über 30 cm mit einer Effizienz von ungefähr 52%. Des Weiteren konnte der Punkt der kritischen Kopplung, durch eine Verminderung der ohmschen Last im Sendeschwingkreis, auf 50 cm gelegt werden.
Elektrische Antriebssysteme sind in der modernen Welt überall zu finden und sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. In vielen industriellen Anwendungen wandeln sie elektrische Energie in mechanische Energie um, womit das Antriebssystem als Motor fungiert. Im umgekehrten Fall, wenn demnach mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, arbeitet das Antriebssystem als Generator. Die dabei umgewandelte Energie soll bei einer Einspeisung in das Versorgungsnetz möglichst sinusförmig verlaufen, damit überwiegend Grundschwingungsleistung fließt. Zusätzlich ist ein geringer Blindanteil wünschenswert, weil diese Stromkomponente dafür sorgt, dass die Versorgungsleitungen unnötig belastet werden.
In dieser Bachelorthesis werden auf die für das Verständnis wichtigen theoretischen Grundlagen der Raumzeiger eingegangen. Bei der Regelung des Netz- oder Ausgangsstroms und der Zwischenkreisspannung werden auf diese Grundlagen zurückgegriffen, weil die Beschreibung von zeitveränderlichen, sinusförmig verteilten dreiphasigen Größen durch Transformationen in andere Bezugssysteme als besonders zweckmäßig erscheint. Damit weitere elektrische Geräte, die am selben Netzanschlusspunkt angeschlossen sind, möglichst wenig beeinflusst werden, sollte der ins Versorgungsnetz zurückgespeiste Strom geringe Oberschwingungen enthalten und somit einen weitestgehend sinusförmigen Verlauf annehmen.
Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung der Netzfrequenz von 50 Hz. Aus regelungstechnischer Sicht ist es daher zweckmäßig, ein nahezu exaktes Modell der Regelung des Netzstroms und der Zwischenkreisspannung zu erstellen. Eine hochdynamische Regelung ist dann gewährleistet.