Masterarbeiten

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Forschungsdatenplattform auf Basis von Kadi4Mat entwickelt, die eine automatisierte Erkennung, Kategorisierung und Verwaltung von experimentellen Daten aus Batteriezelltests ermöglicht. Die Implementierung entsprechender Schnittstellen sowie die Verknüpfung relevanter Datensätze gewährleistet eine Rückverfolgbarkeit der Messergebnisse. Dies wiederum unterstützt eine fundierte Analyse und Interpretation der Batterietestdaten. Ein besonderer Fokus liegt auf der Entwicklung von Mechanismen zur automatisierten Testdatenverarbeitung und -analyse. Des Weiteren erfolgt eine Bewertung der Leistungsfähigkeit von Batteriezellen. Dies kann durch die Implementierung innovativer Methoden erfolgen, wie beispielsweise KI-basierter Ansätze, die auf den strukturierten Daten innerhalb von Kadi4Mat basieren.

MA 180

Auskunft und Betreuung: M. Sc. Jiancheng Tong

This thesis focuses on the development of a research data platform based on Kadi4Mat, which enables the automated detection, categorization, and management of experimental data from battery cell tests. By implementing appropriate interfaces and linking relevant datasets, the platform ensures traceability of measurement results, thereby supporting a robust analysis and interpretation of battery test data. A particular emphasis is placed on the development of mechanisms for automated data processing and analysis of test results. In addition, the performance of battery cells will be evaluated. This may involve the implementation of innovative methods, such as AI-based approaches that leverage the structured data stored within Kadi4Mat.

MA 180

Auskunft und Betreuung: M. Sc. Jiancheng Tong

Während des Betriebs eines Elektrofahrzeugs bei niedrigen Außentemperaturen liegt aufgrund der hohen Effizienz der elektrischen Komponenten ein signifikanter Heizbedarf für die Batterie und Fahrerkabine vor. Als Wärmequellen werden standardmäßig PTC Heizer verbaut. Durch eine spezielle Regelung eines Traktionsmotors können gezielt Verluste erzeugt werden, welche als Wärmeenergie dem Fahrzeug bereitgestellt werden können. Hierdurch kann der Heizbedarf ganz oder teilweise abgedeckt werden.

Ziel der Arbeit ist es, basierend auf verschiedenen Stromregelungsmethoden, die auf der MTPA-Strategie beruhen, die Verluste in der E-Maschine in Abhängigkeit der Fahrsituation zu erzeugen. Im Rahmen der Masterarbeit soll untersucht werden, ob die durch die Stromregelung erzeugten zusätzlichen Verluste vollständig dazu genutzt werden können, konventionelle PTC-Heizer mit hohem Energieverbrauch zu ersetzen, um entsprechende Komponenten im Winter aktiv zu beheizen. Die abführbaren Wärmeverluste sollen hinsichtlich Realisierbarkeit, Leistungsausbeute für verschiedene Maschinentypen sowie Kühlarchitekturen bewertet werden.

MA191

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Ingo Hahn

Semiempirische Batteriemodelle stellen die Grundlage einer Vielzahl von Diagnostik und Auslegungsfragestellungen dar. Zudem werden die Modelle als Grundlage für die Software des Batteriemanagements genutzt. In der Masterarbeit erfolgt die messtechnische Charakterisierung einer 21700 Zelle. Die Charakterisierung soll es ermöglichen ein Ersatzschaltbildmodell der Zelle zu parametrieren und anhand von gemessenen realen Lastprofilen zu validieren. Hierzu sind u.a. OCV und Pulsmessung über einen weiten Temperaturbereich notwendig. Final soll der Abgleich des ermittelten Modells mit Validierungsprofilen sowie ggf. mit einem Ersatzschaltbildmodell das über elektrochemische Impedanzspektroskopie parametriert wurde erfolgen.

MA 190

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Energiemanagementsysteme stellen sowohl auf Gesamtnetzebene als auch zur Optimierung von beispielsweise Industriestandorten oder auch des Eigenverbrauchs die zentrale Komponente dar und sind entscheidend für eine Dekarbonisierung der Energieversorgung. In der Masterarbeit wird eine Entwicklungsumgebung für das Testing und die Validierung von EMS-Algorithmen basierend auf einer existenten Bachmann Steuerung entwickelt und die Toolchain zur Analyse von Matlab/Simulink-basierten Algorithmen etabliert. Im Rahmen der Prüfstandsumgebung soll einerseits Vorhersagemodellen und Steuergrößen wie beispielsweise Wetterdaten Rechnung getragen werden. Andererseits soll ein Konzept entwickelt werden, wie unterschiedliche Erzeugungs- und Verbrauchskomponenten möglichst modular abgebildet werden können. Hardware kann im Rahmen des Projekts beschafft werden, so dass das entwickelte Konzept final mit einem einfachen Algorithmus validiert werden kann.

MA 189

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

The high purchasing costs of battery electric vehicles (BEVs) remain a key barrier to the widespread adoption of e-mobility. However, advancements in battery and charging technologies are gradually reducing BEV operating costs. One promising solution is bidirectional charging, which allows stored energy in the vehicle battery to be fed back into the grid known as Vehicle-to-Grid (V2G).

However, despite the economic benefits V2G increases charging cycles, accelerating cyclic battery aging, while potentially reducing calendar aging. This dual effect could shorten or extend battery lifespan and lead to additional or reduced costs, making battery aging a critical factor in the economic analysis of bidirectional charging strategies. Therefore understanding of battery aging under different charging strategies such as uncontrolled charging, controlled unidirectional charging, and controlled bidirectional charging is critical.

This thesis aims to investigate the effects of various charging strategies on EV battery aging for LFP cells, with a particular focus on quantifying their impact in terms of both cyclic and calendar aging. Operating parameters for V2G use cases in order to minimize aging shall be derived (e.g. temperature, SoC & DoD).

MA 186

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Among various other redox flow batteries, all iron redox flow battery has gained recent importance in the low-cost energy storage technologies. However, several challenges like hydrogen evolution at the negative electrode during charging, pH shifting, parasitic side reactions etc. still persists. The main aim of this work is to investigate the performance of all iron redox flow battery at different temperatures. To achieve this a test stand must be built that will precisely maintain and regulate a constant temperature within the electrolyte as well as at the reactive site. In a previous study, however conducted on half cell level, it was reported that increasing temperature should enhance coulombic efficiency of the battery. But no study on cell level has been made yet at different temperatures. Furthermore, a modified cell design needs to be made to ensure precise cell temperature control. The purpose of this research is to clarify the unexplored behavior of all iron redox flow batteries at various temperatures. Several analytical methods shall be employed to do so. This study of all iron flow battery at different temperatures would give a clear picture of electrochemical performance, reaction kinetics, battery efficiencies and finally ideal operating temperature.

MA 184

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr. Roswitha Zeis

Im Rahmen der Arbeit sollen basierend auf einer Literaturstudie LCA-Modelle im Bezug auf CO2-Äquivalente für gängige Elektrofahrzeuge entwickelt und hinsichtlich ihrer LCA Parameter verglichen werden. Hierbei soll untersucht werden, welche Stellgrößen einen besonderen Einfluss auf die System-LCA haben und in wie weit diese optimiert werden können. Dies betrifft neben dem Strommix von Produktion und Betrieb, Punkte wie die Recyclingquote sowie die Zusammensetzung der Kathodenchemie. Für die Fahrzeuge sind zudem unterschiedliche Nutzungsprofile und Dauern anzunehmen.
Zudem ist für eine der Anwendungen im Vergleich zu analysieren, ob sich mittels Na-Ionenbatterien eine vorteilhafte Konfiguration ergeben würde. Hierfür soll ein alternatives Batteriedesign entwickelt und analysiert werden.

MA 183

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Mechanical vibrations can significantly influence the performance and longevity of fuel cells as time progresses. Yet, the exact effects and deterioration mechanisms resulting from these vibrations are not completely understood. The effect of one-dimensional mechanical vibrations on the electrochemical performance and longevity of a single-cell Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell will be experimentally examined. While PEM fuel cells are commonly utilized in mobile and transportation applications for their excellent efficiency and zero emissions, the duration of their operation under practical mechanical stress conditions needs additional examination.
The evaluation of electrochemical performance will be carried out through polarization curves to examine output power and voltage losses, cyclic voltammetry (CV) to assess changes in electrochemical surface area and catalyst layer degradation, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to identify alterations in charge transfer resistance, membrane integrity, and mass transport pathways. Furthermore, open-circuit voltage (OCV) assessment and leakage tests will be performed to examine membrane condition and sealing efficiency under vibration. A comparative study of static and dynamic operating conditions will enable the evaluation of performance changes and deterioration trends caused by mechanical vibrations.
The findings are intended to improve the understanding of how mechanical vibrations affect PEM fuel cell performance and degradation. This insight can contribute to enhancing the reliability and operational lifespan of fuel cells in mobile and automotive applications.

MA182

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr. Roswitha Zeis

Matrixumrichter sind selbstgeführte Direktumrichter, die bis auf ein Netzfilter ohne reaktive Bauelemente auskommen. Für die klassische Variante des Matrixumrichters bestehend aus 9 bidirektionalen Schaltern existiert ein Modell in der Simulationsumgebung PLECS. Hierfür soll das Modulationsverfahren von Huber und Borojevic in C-Code realisiert werden, damit es für spätere Vergleiche zur Verfügung steht. Der Code und die Simulationsumgebung müssen derart strukturiert und dokumentiert sein, dass an jeder Stelle der Bezug zu den Veröffentli-chungen eindeutig ist. Es müssen Tests durchgeführt werden, mit denen die Funktion und Übereinstimmung mit den Veröffentlichungen belegt werden.

MA 181

Auskunft und Betreuung: Dr.-Ing. Jens Igney

Die Kombination aus Nut- und Polzahl sowie die Wicklungsanordnung haben einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung, insbesondere hinsichtlich der Harmonischen, des Rastmoments und der Radialkräfte.
Im Vergleich zu herkömmlichen verteilten Wicklungen bieten PMSMs mit Bruchloch-Wicklungen (FSCW) Vorteile wie kürzere Endwicklungen, einen höheren Füllfaktor der Nuten und geringere Herstellungskosten. Allerdings führt die nicht-sinusförmige Flussverteilung im Luftspalt zu Harmonischen, die zu erhöhten Eisenverlusten, Vibrationen und Geräuschen führen.
Im Rahmen dieser Masterarbeit werden die harmonischen Eigenschaften der Stator-MMF bei verschiedenen Nut-Pol-Kombinationen analysiert. Auf Basis dieser Analyse werden Strategien zur Optimierung der Wicklungsanordnung vorgeschlagen, um die Stator-MMF-Harmonischen zu unterdrücken und damit Vibrationen, Geräusche und Verluste im Rotor zu reduzieren. Der optimierte PMSM wird mithilfe von Simulationssoftware modelliert und validiert. Darüber hinaus wird die praktische Anwendung von Harmonischen-Unterdrückungstechniken in industriellen Motordesigns untersucht, mit dem Ziel, Optimierungsrichtlinien für PMSM-Designs in der Industrie zu bieten.

Anforderungen: Grundkenntnisse in elektrischen Maschinen und mathematische Fähigkeiten werden vorausgesetzt. Erfolgreicher Abschluss der Vorlesungen Elektrische Maschinen I und Berechnung und Auslegung elektrischer Maschinen ist erforderlich.

Software: MATLAB, FEMM

MA 175

Auskunft und Betreuung:  M.Sc. Zidan Zhao

Im Rahmen der Masterarbeit soll die Entwicklung der Alterung von Li-Ionen Batterien mittels Data-Mining Verfahren für eine breite Datenbasis analysiert werden. Hierfür bildet eine umfassende Literaturrecherche zu veröffentlichten Alterungsexperimenten die Grundlage. Basierend darauf werden Analysekriterien ermittelt, geclustert und schließlich für die Betrachtungen ausgewählt. Dies kann u.a. Themenfelder wie die Zellform, Hersteller und Anwendung, Testzeitraum und Alterungsregime umfassen. Mittels statistischer Verfahren sollen Trends identifiziert und mögliche Korrelationen analysiert werden. Schließlich wird basierend auf den ermittelten Zusammenhängen ein Modell implementiert und Prädiktionen für unterschiedliche Felder getroffen, wobei die Signifikanz der Ergebnisse kritisch zu beleuchten ist.

MA 169

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Das akustische Verhalten elektrischer Maschinen wird durch die im Betrieb auf die Maschine wirkenden elektromagnetischen Kräfte beeinflusst. Ein im Luftspalt der Maschine vorliegender Kraftvektor kann, in zylindrischen Koordinaten betrachtet, in radiale, tangentiale und axiale Bestandteile zerlegt werden. Die axialen Kraftanteile sind Fokus der Arbeit und sollen in ihrer Amplitude und Frequenz sowohl lokal über die axiale Länge als auch global für die gesamte Maschine analytisch bestimmt werden. Ziel ist es, die Kraftverläufe einer PMSM mit unterschiedlichen Schrägungen von Rotor und Stator zu bestimmen und in ihrem Spektrum zu analysieren. Die Auswirkungen der Konfigurationen sind analytisch zu erfassen und über numerische Methoden zu überprüfen. Die Kräfte sollen im Leerlauf und unter Last charakterisiert werden. Zur Erleichterung der Einarbeitung werden die Vorarbeiten zu radialen und tangentialen Kraftspektren einer abgeschlossenen Masterarbeit bereitgestellt. Die numerische Überprüfung soll mit Hilfe von 3D FEM von COMSOL oder ANSYS erfolgen. Die Modellierung der Maschine ist Teil der Aufgabenstellung. Erfahrungen zur FEM und den Harmonischen in elektrischen Maschinen sind wünschenswert.

MA 168

Auskunft und Betreuung: M.Sc. Alexander Pfannschmidt

Im Rahmen der Abschlussarbeit wird ein Brandschutzkonzept für eine Hochvoltbatterie validiert. Dies geschieht durch Berechnung und experimentelle Analyse des Wärmeübertragungsverhaltens im Falle eines Zellbrandes auf benachbarte Zellen.
Dazu werden zunächst das Aufheiz- und Abkühlverhalten einer Thermal-Runaway-Zelle sowie der benachbarten Zellen unter Standardbedingungen mit Hilfe von Thermal-Runaway-Tests untersucht. Neben der Bewertung der thermischen Trägheit und Stabilität, werden die für den Zellbrand relevanten thermischen Pfade im Modulverbund identifiziert und messtechnisch näher untersucht. Dabei wird insbesondere der Einfluss der Kühlung und des Zellzwischenmaterials detailliert betrachtet, da beide Komponenten für das Wärmeübergangsverhalten und das Brandschutzkonzept entscheidend sind. Basierend auf den experimentell ermittelten Parametern wird eine beschreibende Berechnung der Wärmeleitpfade durchgeführt.

MA 179

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Betrachtet man die CO₂-Emissionen des Güterverkehrs stammt produktübergreifend ein großer Anteil aus dem Straßentransport als letztem Baustein in der Transportkette. Diesem soll durch eine Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs entgegengewirkt werden. Dies bedingt neben einer sukzessiven Anpassung der Fahrzeugflotte auch einen gezielten Ausbau der Ladeinfrastruktur. Hierbei spielen Transportrouten und rechtliche Rahmenbedingungen im Bezug auf Lenkzeiten und Sperrzeiten eine zentrale Rolle. Zudem gibt es unterschiedliche Szenarien zur zukünftigen Entwicklung des globalen Güterverkehrs sowie Konzepten zur Rückverlagerung von Transportkapazitäten auf die Schiene und Schaffung von Verteilzentren, welche einen hohen Einfluss auf den Dekarbonisierungspfad des Sektors haben. Zu guter Letzt stellt der elektrochemische Energiespeicher und dessen Dimensionierung im Fahrzeug eine entscheidende Größe für den Nachladebedarf dar. Im Rahmen der Masterarbeit sollen diese gezielt strukturiert untersucht, Anpassungsstrategien erarbeitet und mögliche kritische Kipppunkte herausgearbeitet werden.

MA 178

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Ein elektrisches Antriebssystem kann grob in drei Teile unterteilt werden: die elektrische Maschine, den leistungselektronischen Teil und die Steuerung. Im Rahmen dieser Arbeit soll die Steuerlogik für einen dreiphasigen 2-Level-Umrichter auf einem STM32 Mikrocontroller implementiert werden.  Dazu gehört das Auslesen von Sensorwerten (z.B. Maschinenströme, Rotorposition), die Berechnung des Steuer- oder Regelungsalgorithmus sowie die Ausgabe der Ansteuersignale an die Leistungshalbleiter. Die am Lehrstuhl vorhandene Hardware umfasst ein STM32 Nucleo Entwicklungsboard und ein dazu passendes Umrichtermodul der Firma STMicroelectronics. Die Programmierung erfolgt in der Entwicklungsumgebung STM32CubeIDE.  Als Testmotor dient eine PM-Synchronmaschine. Um den Prozessor nicht unnötig zu belasten, sollen die einzelnen Programmteile nur so oft wie nötig aufgerufen werden. Dies soll durch eine geeignete Interrupt Routine sichergestellt werden, die nur einmal pro Schaltperiode die Ausgangswerte auf Basis der aktuellen Eingangswerte erneuert. Außerdem soll das Programm gewisse Sicherheitsfunktionen aufweisen, wie etwa das Erkennen zu hoher Ströme oder Drehzahlen. Zur Einstellung verschiedener Parameter und Visualisierung des Betriebszustands ist mit dem Programm STM32CubeMonitor und Node-Red eine grafische Bedienoberfläche zu erstellen.

MA 177

Auskunft und Betreuung: Dr.-Ing. Jens Igney / M.Sc. Marco Eckstein

PV-Module unterliegen dem direkten Einfluss der Umgebungsparameter Wind, Regen, Schnee, Staub und Pollen, was zu einer sukzessive reduzierten Realleistung der Module führt. Diesem wir in der Regel durch eine turnusmäßige Reinigung der PV-Anlagen entgegengewirkt.

In der ausgeschriebenen Arbeit soll der aktuelle Zustand der PV-Module in die Ladestrategien von Energiespeichern mit einbezogen und ggf. auch Handlungsempfehlungen für eine zustandsbasierte Reinigung gegeben werden. Hierzu ist der tatsächliche Ertrag mit dem theoretisch möglichen Ertrag auf Basis von aktuellen Wetterdaten (u.a. gemessene Sonneneinstrahlung), dem Alterungszustand und jahreszeitbedingten Einstrahlungswerten zu ermitteln und damit eine angepasste Prädiktion des weiteren Tagesverlaufs zu treffen. Darauf aufbauend soll die Nachladestrategie der Energiespeicher für unterschiedliche Szenarien (Eigenverbrauch, Lastglättung) optimiert werden. Ab einem parametrierbaren Grenzwert an Ertragseinbuße soll zudem ein Reinigungsvorschlag gegeben werden. Der parametrierbare Grenzwert soll hierbei einerseits frei vorgebbar sein, andererseits aus der Optimierung der Energiespeichernutzung abgeleitet werden können.

MA 170

Auskunft und Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Susanne Lehner

Elektrische Maschinen werden von Umrichtern angesteuert, um Frequenz und Amplitude der Ausgangsspannung einstellen zu können. Bei der Pulsweitenmodulation (PWM) wird die Ausgangsspannung des Umrichters in Pulsen an die Maschine angelegt, mit dem Ziel einen sinusförmigen Stromverlauf anzunähern. Der Ansatz der Random PWM ist die zufällige Auswahl der Schaltfrequenz bzw. der Pulsweite. Über einen längeren Zeitraum betrachtet, tritt mit der Random PWM ein breites Frequenzspektrum auf. In dieser Arbeit sollen die regelungstechnischen Gütekriterien wie Stabilität oder stationäre Regelabweichung bei Verwendung der Random PWM untersucht und bewertet werden. Dabei sollen gewisse Parameter der Random PWM variiert werden, wie z. B. die Bandbreite der Schaltfrequenz/Pulsposition oder die verwendete Verteilungsfunktion. Dazu ist zunächst der Aufbau des regelungstechnischen Modells notwendig, was in Simulink geschehen soll. Im Modell wird FOC mit Raumzeigermodulation zur Erzeugung der Schaltpulse verwendet werden, die die Eingangsgrößen des Maschinenmodells einer PMSM darstellen. Nach der Analyse der gewöhnlichen Regelkreisstruktur ist diese in Hinblick auf die Random PWM zu adaptieren. Dabei ist zu untersuchen, welche Veränderungen nützlich sind und wie sich diese im Vergleich auswirken.

MA 174

Auskunft und Betreuung: M.Sc. Alexander Pfannschmidt