Beurteilung und Optimierung thermoelektrischer Systeme im Rahmen der Rekuperation und Wandlung von thermischer Energie im Fahrzeug
Jens Kitte
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Jens Kitte, Beurteilung und Optimierung thermoelektrischer Systeme im Rahmen der Rekuperation und Wandlung von thermischer Energie im Fahrzeug (2015), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832595005
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Beschreibung / Abstract
Die vorliegende Arbeit beurteilt die Leistungsfähigkeit eines neu entwickelten Modellansatzes am Beispiel des ganzheitlichen Systemvergleichs verschiedener thermoelektrischer Generatoren. Die Modellqualität wird durch den Vergleich mit 2 verschiedenen Modelltiefen beurteilt. Experimentelle Untersuchungen erlauben die Validierung des Ansatzes.
Die ausgewählten Systeme werden von der thermoelektrischen Materialebene bis zur Systemintegration in das Fahrzeug anhand ausgewählter Bewertungskriterien beurteilt, optimiert und verglichen.
Die Kriterien beinhalten die für ein Industrialisierungskonzept notwendigen Anforderungen. Die ausgelegten Modellvarianten werden in ein ausgewähltes virtuelles Hybridfahrzeug integriert und untersucht.
Die Hybridstrategie wird um die Funktion des thermoelektrischen Generators erweitert. Das Gesamtmodell wird um ein Kostenmodell ergänzt und die maximale Verbrauchseinsparung bei minimalen Materialkosten ermittelt. Ein Konzept wird abschließend vorgeschlagen.
Die ausgewählten Systeme werden von der thermoelektrischen Materialebene bis zur Systemintegration in das Fahrzeug anhand ausgewählter Bewertungskriterien beurteilt, optimiert und verglichen.
Die Kriterien beinhalten die für ein Industrialisierungskonzept notwendigen Anforderungen. Die ausgelegten Modellvarianten werden in ein ausgewähltes virtuelles Hybridfahrzeug integriert und untersucht.
Die Hybridstrategie wird um die Funktion des thermoelektrischen Generators erweitert. Das Gesamtmodell wird um ein Kostenmodell ergänzt und die maximale Verbrauchseinsparung bei minimalen Materialkosten ermittelt. Ein Konzept wird abschließend vorgeschlagen.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Einleitung und Motivation
- 2 Stand der Technik und Präzisierung der Aufgabenstellung
- 2.1 Grundlagen zur Thermoelektrik
- 2.2 Anwendung in der Automobilindustrie
- 2.3 Materialien
- 2.4 Module
- 2.5 Wärmeübertrager
- 2.6 Systemintegration
- 2.7 Virtueller Design-Prozess
- 2.8 Präzisierung der Aufgabenstellung
- 3 Energetische und exergetische Betrachtung am Antriebssystem
- 3.1 Verlustleistungsanalyse am aktuellen Antriebssystem
- 3.2 Exergieflussbetrachtung am Antriebssystem
- 3.3 Kreisprozesse
- 3.4 Prozessvergleich
- 3.5 Implementierung in das Fahrzeug
- 4 Entwurf einer virtuellen Systemumgebung
- 4.1 Allgemeiner Design-Prozess
- 4.2 Modell- und Simulationsumgebung
- 4.3 Quasi-zweidimensionales dynamisches Simulationsmodell
- 4.4 Das quasi-stationäre kontinuierliche Simulationsmodell
- 4.5 Verifikation der Modellebenen
- 4.6 Das virtuelle Fahrzeugmodell
- 4.7 Experimentelle Analysen
- 5 Thermogeneratoranalyse am Beispiel eines planaren mehrflutigen Systems
- 5.1 Definition der Zielleistung
- 5.2 Aufbau der Grundstruktur
- 5.3 Veränderliche Gröà¿en
- 5.4 Randbedingungen
- 5.5 Verifikation mit CFD-Ergebnissen
- 6 Thermogeneratorsynthese am Beispiel der ausgewählten Kanalvarianten
- 6.1 Aufbau der Grundstruktur sowie thermische und elektrische Kontaktierung
- 6.2 Schenkelpaargeometrie
- 6.3 Materialsegmentierung
- 6.4 Vergleich ausgewählter Ergebnisse mit einem FEM-Zweischenkelmodul
- 6.5 Ganzheitliche ortsabhängige Optimierung
- 6.6 Optimierungsmethode - Simplex-Verfahren
- 6.7 Optimierung am Beispiel des dreiflutigen Thermogenerators
- 6.8 Ergebnisvergleich der ausgewählten Maà¿nahmen mit dem ein- und zweiflutigen System
- 6.9 Dimensionierung der Module
- 6.10 Ergebnisvergleich zwischen der Modellebene 2 und der Modellebene 1
- 6.11 Vergleich des einflutigen Thermogenerators mit ausgewählten Messergebnissen
- 7 Gesamtsystembetrachtung und Energiemanagement
- 7.1 Integration Abgasstrang
- 7.2 Integration Kühlsystem
- 7.3 Integration Bordnetz
- 7.4 Definition von Funktionalitäten für ein ganzheitliches Energiemanagement
- 7.5 Gesamtsystemsimulation am Beispiel des einflutigen Thermogenerators
- 8 Generalisierung des integralen thermoelektrischen Systemverhaltens
- 8.1 Definition von generalisierten Kennzahlen
- 8.2 Ableitung eines Wunsch-ZTs
- 9 Vergleich der Kanalvarianten anhand der definierten Bewertungskriterien
- 9.1 Absolute elektrische Leistung und Leistungsspreizung
- 9.2 Leistungsdichte und Systemwirkungsgrad
- 9.3 Sensitivität
- 9.4 Schnittstellenvariablen zum Gesamtsystem
- 9.5 Vergleich im Gesamtsystem
- 9.6 Vergleich der Systemskalierung anhand der drei Flutvarianten
- 10 Zusammenfassung der Arbeit und Ausblick
- A Anhang
- Literaturverzeichnis