This thesis gives an overview of test bench design for inverter operated Medium Voltage (MV) drives with the focus on the active power measurement. The sources of measurement setup uncertainty are analysed and methods are shown to assess these uncertainties. Further, a possibility is shown to do quantitative uncertainty estimations which are verified with measurements through different measurement setups for MV drives operated with multilevel converters. The influence of measurement transducers, voltage dividers, power meters and data acquisition boards are considered. The digital signal processing is analysed and the possibilities to reduce its uncertainty contribution on an active power measurement is shown. An analysis is made with the conventional measurement devices in the MV-range. The transfer behaviour of the devices and the characteristics of the uncertainty are investigated. Measurements are done on typical medium voltage drives with an uncertainty analysis, which shows the essential aspects of active power measurement. The results show the significance of a measurement setup performance. The investigations on the drives are used to indicate the impact on the determination of the drive efficiency and gives a significant input for further standardisation processes. The handling of measurement uncertainties during active power measurement of drives is shown concerning the permanent topic of energy saving and its efficient use. The work proposes a way of categorising electrical drives in energy efficiency classes and to make their determination comparable. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über den Prüfstandsaufbau von umrichtergetriebenen Mittelspannungsantrieben. Die Unsicherheitsquellen werden analysiert und Methoden werden aufgezeigt um die Messunsicherheit zu bewerten. Des Weiteren werden die Machbarkeit von Unsicherheitsabschätzungen gezeigt, welche mit Messungen an typischen Mittelspannungsantrieben mit Umrichterspeisung verglichen werden. Der Einfluss von Messwandlern, Spannungsteilern, Leistungsmessern und Messkarten zur Signalerfassung wird berücksichtigt. Die digitale Signalverarbeitung wird analysiert um den Unsicherheitsbeitrag zur Wirkleistungsmessung zu reduzieren. Es werden konventionellen Messwandler und -teiler im Mittelspannungsbereich bezüglich ihres Übertragungsverhal- tens sowie Messunsicherheiten untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen verdeutlichen die Signifikanz eines performanten Messaufbaus. Des Weiteren werden Auswirkun- gen auf die Bestimmung der Effizienz aufgezeigt. Die Arbeit liefert einen wesentlichen Beitrag für weitere Standardisierungsprozesse. Der Umgang mit Messunsicherheiten der Wirkleistungsmessung wird betrachtet im Hinblick auf Energieeinsparpotenziale und deren effiziente Nutzung. Die Arbeit schlägt eine Möglichkeit vor, wie elektrische Antriebe in Energieeffizienzklassen kategorisiert werden können um diese vergleichbar zu machen.

The electrical propulsion system as the core component of solar-power Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) for long duration flight requires high power density and stable drive technology. Brushless DC motors (BLDCM) with high power and torque density and control algorithms suitable for drive system are given preference for the application in UAVs. This dissertation is aimed at designing an improved BLDCM using only 4 interior magnet blocks to realize 8 poles compared to the conventional 8 magnet blocks structure. The performances of both BLDCM designs have been analytically determined and the motor models were verified through finite element software in ANSYS. Design and construction of the demonstrators of BLDCMs with the proposed and the conventional magnet structure have been carried out and a test bench for extensive performance comparison has been set up. Since the proposed magnet structure leads to a particularity of the magnetic circuit, the behavior of absolute and differential synchronous direct and quadrature inductances have been investigated by finite element model analysis and experiments. Efficiency maps were generated and thermal characteristics have been measured to gain a comprehensive understanding of the two motors. To reduce the uncertainty of sensor control for BLDCM, a high speed, good linearity analog isolation circuit to measure the voltages of 270 V DC voltage to realize sensorless control strategy has been designed. The circuit combines a PI controller with fast operational amplifiers with a built-in linearizing feedback photodiode loop of a linear optocoupler. A 3D stator model was built to analyse the mechanical resonance frequencies and possible excitation by the electromagnetic radial force leading to vibration and noise for the proposed and conventional rotor structure. Analytical calculation of natural mode frequencies has also been conducted to compare and validate the accuracy of FEM simulations and impact hammer testing experimental results. Das elektrische Antriebssystem als Kernkomponente von unbemannten Solarflugzeugen (UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) für Langzeitflüge erfordert eine hohe Leistungsdichte und robuste Antriebstechnik. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDCM) mit hoher Leistungs- und Drehmomentdichte sowie dafür angepasste Regelalgorithmen werden daher bevorzugt in UAVs eingesetzt. Diese Dissertation zielt darauf ab, einen verbesserten BLDCM mit nur 4 eingebetteten Magnetblöcken zu entwerfen, um 8 Pole zu realisieren im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur mit 8 Magnetblöcken. Das Verhalten beider BLDCM-Designs wurde analytisch ermittelt und die Motormodelle mit Hilfe von Finite-Elemente-Software in ANSYS verifiziert. Design und Konstruktion der Prototypen mit der vorgeschlagenen und der herkömmlichen Magnetstruktur wurden durchgeführt und es wurde ein Prüfstand für einen umfassenden Leistungsvergleich aufgebaut. Da die vorgeschlagene Magnetstruktur zu einem Magnetkreis führt, bei dem die entgegengesetzten Pole keine Spiegelsymmetrie aufweisen, wurden die Längs- und Querinduktivität durch Finite-Elemente-Modellanalyse und Experimente absolut und differentiell untersucht. Weiterhin wurden Wirkungsgradkennfelder erstellt und das thermische Verhalten untersucht, um ein umfassendes Verständnis der beiden Motoren zu erhalten. Um das sensorbedingte Ausfallrisiko zu eliminieren, wurde eine schnelle analoge Isolationsschaltung mit hoher Linearität und Stabilität zur Messung der gepulsten Spannungen bei 270V Gleichspannung entwickelt, um eine sensorlose Steuerungsstrategie zu realisieren. Die Schaltung verwendet einen linearen Optokoppler mit integrierter Rückkopplungsfotodiode, sowie einen PI-Regler mit schnellen Operationsverstärkern im Rückkopplungspfad. Ein 3D-Statormodell wurde erstellt, um die mechanischen Resonanzfrequenzen und die mögliche Anregung durch die elektromagnetische Radialkraft zu analysieren, die zu Vibrationen und Geräuschen bei der vorgeschlagenen und herkömmlichen Rotorstruktur führt. Es wurde auch eine analytische Modalanalyse durchgeführt, um die Genauigkeit von FEM-Simulationen und experimentellen Ergebnissen mit dem Impulshammer zu vergleichen und zu validieren.

Grid converters increasingly affect power system operation due to the increasing share of renewable energy sources and less conventional power plants. This shift in power generation leads to converter-dominated weak grids, which show critical stability phenomena but also enable converters to contribute to grid stability and voltage support. This thesis presents critical parts of converter controls and describes models to assess their characteristics. These models are used to derive design criteria and dedicated stability analysis methods for grid converter controls. Der steigende Anteil an erneuerbaren Energien in den Energieversorgungsnetzen führt zur Verdrängung konventioneller Kraftwerke. Diese Entwicklung lässt umrichterdominierte und schwache Netzabschnitte entstehen, die kritischen Stabilitätsmechanismen unterliegen, allerdings auch ermöglichen, dass Umrichter aktiv zur Netzstützung und Netzstabilität beitragen können. Die vorliegende Arbeit beschreibt kritische Regelungskomponenten der Umrichter und deren Modellierung. Auf Basis der Modelle werden Auslegungskriterien für die Regelungen abgeleitet und dedizierte Stabilitätsanalysemethoden präsentiert.

Lithium plating is not only the most severe ageing mechanism in lithium-ion batteries (LIBs) but also becoming more and more important due the increasing presence of electric vehicles (EVs). In EVs the extreme conditions causing lithium plating, like very high charging currents and low environment temperatures, are much more prevalent than in consumer electronics. Due to the high number of factors that influence the plating process, ranging from the cell geometry to the chemical composition of the electrolyte, a deeper understanding of the plating process is still lacking. Without this knowledge it is hard to design cells in a plating resistant way, or to operate cells under the ideal conditions to minimize plating. This thesis aims at showing different methods to investigate the plating process on three different levels. The first method is on the cell level, investigating the behaviour of the whole cell during plating. It contains the analysis of the voltage and current profiles that show an atypical behaviour during plating. The focus of the analysis is on the current profile of the constant voltage (CV) phase during charging under low temperature conditions leading to plating. This current profile can be fitted with the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) function that describes the electrochemical deposition process of a metallic species on a surface. The resulting fitting parameters can be utilized to characterize the plating behaviour of the cell as well as better estimate the amount of plated lithium than commonly used methods. It can also potentially predict the future safety risk due to dendrite formation. In the second part the chemical composition of the surface electrolyte interface (SEI) is investigated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The composition as well as the mechanical properties of the SEI are strongly influencing the plating process and preliminary work has shown that plating is also changing the morphology of the SEI and increasing its thickness drastically. Cells under different conditions (plated, charged and discharged) as well as cells of different manufacturers have been probed using XPS. During the measurements an unwanted side effect of the experimental setup was discovered that lead to a migration of lithium to the surface of the sample and was distorting the measurement results. Regardless of the effect, it was possible to see that the SEI can have a very different composition in cells of different manufacturers and that plating not only changes the morphology but also the composition of the SEI. The unwanted side effect could furthermore be utilized to identify samples that were plated recently and could be used in further more controlled experiments to localize lithium depositions on plated samples. In the last part the particle structure of the anode surface of cells of different manufacturers was investigated using a watershed particle detection algorithm on laser scanning microscopy (LSM) images of the anode surfaces. The distributions of the particle sizes have then been compared to the capacity loss in plated cells. It was shown that the capacity loss correlates with parameters extracted from the particle size distributions. It is however necessary to create more data to verify this correlation. In summary this thesis utilized new methods to detect or characterize plating on different levels of magnification, from the cell level to the chemical composition. New approaches were found to predict a cells future plating behaviour, spatially localize plated areas on the anode and design cells in a plating resistant way. Lithium Plating ist nicht nur der Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien mit dem größten Kapazitätsverlust, sondern wird auch im Zuge der voranschreitenden Elektrifizierung des Personenverkehrs immer wichtiger. In Elektrofahrzeugen finden sich die extremen Zustände, wie niedrige Ladetemperaturen und hohe Ladestrome, unter denen Plating auftritt, deutlich häufiger als in Unterhaltungstechnik. Durch die Vielzahl von Parametern, von der Zellgeometrie bis hin zur Elektrolyzusammensetzung, die Plating beeinflussen, fehlt immer noch ein tieferes Verständnis des Plating-Prozesses. Ohne dieses Wissen ist es schwer, Zellen zu designen, die resistent gegen Plating sind oder Zellen unter optimalen Bedingungen zu betreiben um Plating zu minimieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Methoden aufzuzeigen, die die Untersuchung von Plating auf drei verschiedenen Ebenen ermöglichen. Die erste Methode untersucht das Gesamtverhalten der Zelle auf Zellebene. Hierbei wird das atypische Verhalten der Strom- und Spannunsprofile wahrend des Plating-Vorgangs analysiert. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Konstantstrom-Phase bei niedrigen Temperaturen während der Ladung. Das Stromprofil dieser Phase kann mit der JMAK-Funktion gefittet werden, welche die elektrochemische Abscheidung eines Metalls auf einer Oberfläche beschreibt. Die resultierenden Fitting-Parameter können genutzt werden, um das Plating-Verhalten vorherzusagen und sind gleichzeitig eine bessere Abschätzung fur die Menge an geplatetem Lithium im Vergleich zu gängigen Methoden. Die Ergebnisse konnten außerdem helfen das Sicherheitsrisiko der Zelle bei Dendritenbildung vorherzusagen. Im zweiten Teil wird die chemische Zusammensetzung der SEI mittels XPS untersucht. Die Zusammensetzung, wie auch die mechanischen Eigenschaften der SEI, beeinflussen den Plating-Prozess stark und es wurde in vorhergehenden Arbeiten gezeigt, dass Plating auch die Morphologie und Dicke der SEI drastisch verändern kann. Zellen in verschiedenen Zuständen (geplatet, geladen, entladen), sowie Zellen verschiedener Hersteller wurden mit XPS untersucht. Während der Messungen wurde ein ungewollter Nebeneffekt des Messaufbaus entdeckt, der zu einer Migration von Lithium an die Oberflache der Proben geführt und die Messergebnisse verfälscht hat. Unabhängig von diesem Effekt war es dennoch möglich, zu zeigen, dass die SEI in Zellen verschiedener Hersteller stark unterschiedliche Zusammensetzungen haben kann und dass Plating nicht nur die Morphologie der SEI beeinflusst, sondern auch die chemische Zusammensetzung. Weiterhin konnte der ungewollte Nebeneffekt verwendet werden, um Proben zu identifizieren, die vor kurzem geplatet wurden und konnte in zukünftigen Arbeiten verwendet werden, um lokalisiert Lithium-Ablagerungen auf geplateten Proben zu identifizieren. Im letzten Teil wurde die Partikelstruktur der Anoden von Zellen verschiedener Zellhersteller mit Hilfe einer watershed-Partikeldetektion an LSM-Bildern untersucht. Die Verteilung der Partikelgrößen wurde mit dem Kapazitätsverlust gleicher Zelle durch Plating verglichen. Es wurde gezeigt, dass der Kapazitätsverlust mit Parametern, die aus den Partikelverteilungen extrahiert wurden, korreliert. Ein größerer Datensatz ist jedoch notwendig, um diese Ergebnisse zu validieren. Zusammenfassend hat diese Arbeit verschiedene neue Methoden aufgezeigt, um Plating auf verschiedenen Vergrößerungsebenen zu detektieren und zu charakterisieren. Neue Ansätze wurden gefunden, um das Platingverhalten von Zellen vorherzusagen, lokalisiertes Lithium auf der Oberfläche zu detektieren und Zellen platingresistenter designen zu können.