Thermischer digitaler Zwilling

• Online-Alterungsüberwachung: kontinuierliche Beobachtung der thermischen Systemdegradation während des Online-Betriebs zur Vermeidung von Ausfallzeiten.
• Optimierte Wartungsplanung: Nutzen Sie die Schätzung der verbleibenden Nutzungsdauer für eine effiziente Wartungsplanung.
• Erweiterung der PQ-Leistungskurve: Erweiterung der Leistungsqualitätskurve durch genaue Schätzung der Sperrschichttemperaturen, wodurch eine Verringerung der Entwurfsspanne ermöglicht wird.
• Geringere Herstellungskosten und geringerer Platzbedarf: Erzielen Sie Kosteneinsparungen und einen geringeren Platzbedarf durch Minimierung der Designmargen.
• Optimiertes Wärmemanagement: Implementierung einer dynamischen Steuerung des aktiven Kühlsystems für ein effizientes Wärmemanagement.
• Begrenzte Zusatzkosten: durch den geringen zusätzlichen Bedarf an Sensorik und Rechenleistung.

Die Entwicklung dezentraler erneuerbarer Energiequellen, der Energiespeicherung sowie der zunehmenden Elektromobilität und anderer unternehmenskritischer Anwendungen stellt die Leistungselektronik vor große Herausforderungen. Leistungswandler müssen zuverlässig elektrische Energie mit minimalen Verlusten liefern, und das in kompakten Systemen.

Leistungselektroniksysteme unterliegen jedoch inhärenten Beschränkungen in Bezug auf Zuverlässigkeit und Überstromfähigkeit, was sie anfällig für Überhitzung und thermische Wechselbeanspruchung macht. Um eine optimale Leistung zu erreichen, sind wirksame Wärmemanagementstrategien erforderlich. Darüber hinaus ist die Implementierung einer Zustandsüberwachung mit minimalem Erfassungsaufwand entscheidend für eine effiziente Degradationsüberwachung und Wartungsplanung.

Offshore-Anlagen, wie z. B. Windturbinen, zeichnen sich durch geringe Betriebsmargen und hohe Wartungskosten aus, insbesondere bei ungeplanten Reparaturen. In dieser Anwendung können thermisch-digitale Zwillinge den Gesundheitszustand des Wechselrichters in Echtzeit überwachen, um den Austausch von Leistungsmodulen besser zu planen und zu erkennen, ob ein Betrieb im degradierten Modus erforderlich ist, um einen Totalausfall zu vermeiden.

Netzgekoppelte Energiespeichersysteme müssen den hochdynamischen, schwankenden Strombedarf des Netzes decken. Bei dieser Anwendung können thermische digitale Zwillinge dazu beitragen, mehr Leistung aus dem Wechselrichter zu holen. Sie sind die optimale Lösung, um die Temperaturen der Leistungsgeräte genau abzuschätzen, so dass die Auslegungsmarge minimiert und der Wechselrichter bis an die Grenze seiner Leistungsfähigkeit gebracht werden kann.

Von industriellen Stromversorgungen wird erwartet, dass sie Strom mit hoher Verfügbarkeit liefern, und zwar unter einem möglicherweise sehr dynamischen Einsatzprofil, das die Stromversorgungsgeräte stark beanspruchen kann. Neben fortschrittlichen Stromversorgungslösungen überwacht unser digitaler Zwilling den Betrieb und sorgt dafür, dass die Wartung optimal geplant werden kann, um unerwartete Ausfälle, mögliche Ausfallzeiten und daraus resultierende Betriebsverluste zu vermeiden.

Für die Online-Identifikation des thermischen Netzes wurden verschiedene Algorithmen wie die Partikelschwarmoptimierung, die rekursive kleinste Quadrate und der duale erweiterte Kalman-Filter (DEKF) implementiert und getestet. Die Auswahl des Identifikationsalgorithmus basiert auf den Anforderungen, den verfügbaren Rechenressourcen, der Sensorik, der Topologie eines Leistungsmoduls und dem Anwendungsfall. Das vorgeschlagene digitale Zwillingsmodell berücksichtigt die Erwärmung des Chips durch seine eigenen Leistungsverluste sowie durch die Leistungsverluste benachbarter Chips über Kreuzkopplungsterme. Unter quasistationären Betriebsbedingungen liefert das identifizierte Modell eine exakte Übereinstimmung mit den gemessenen Wellenformen.

Unser Team ist ein Pionier auf dem Gebiet des thermischen digitalen Zwillings für die Leistungselektronik, und unsere Arbeit wurde in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht und auf verschiedenen Konferenzen vorgestellt:

• M. Votava, K. Debbadi, Y. Pascal, M. Liserre, “Multi-step Least Squares Algorithm for Thermal Characterization Based on Mission Profile”, Accepted for publication to the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2024. APEC'24.
• M. Votava, Y. Pascal, M. Liserre and Z. Peroutka, "Utilization of Least Squares Algorithm for Online Identification of Foster Thermal Network Parameters," PCIM Europe 2023; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2023, doi: 10.30420/566091222.
• J. Kuprat, K. Debbadi, J. Schaumburg, M. Liserre and M. Langwasser, "Thermal Digital Twin of Power Electronics Modules for Online Thermal Parameter Identification," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, doi: 10.1109/JESTPE.2023.3328219.
• J. Kuprat, Y. Pascal and M. Liserre, "Real-Time Thermal Characterization of Power Semiconductors using a PSO-based Digital Twin Approach," 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), Hanover, Germany, 2022