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Entwicklung und Evaluierung eines adaptiv-prädiktiven Algorithmus für thermoaktive Bauteilsysteme
(2017)
Der Gebäudesektor ist einer der Hauptverbraucher von Energie und somit mitverantwortlich für einen wesentlichen Anteil an CO2-Emissionen. Heiz- und Kühlkonzepte, die erneuerbare Energiequellen nutzen können, gewinnen daher immer mehr an Bedeutung. Hierfür besonders geeignet sind Niedertemperatursysteme, wie beispielsweise Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS). Die große thermische Trägheit und die geringe Leistung dieser Systeme verhindern eine schnelle Reaktion auf Raumtemperaturänderungen. Bisherige Steuer- und Regelstrategien für TABS können nur sehr schlecht mit der thermischen Trägheit umgehen, da diese in der Regel keine Prädiktionen verwenden. Hinzu kommt eine aufwändige Parametrierung dieser TABS-Strategien, was in der Praxis zu Inbetriebnahmephasen von oft mehreren Jahren führt. Die Möglichkeit TABS als einen Kurzzeitenergiespeicher für das durch die wachsende Einspeisung aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen belastete Stromnetz nutzbar zu machen, spielt bei diesen Standard-TABS-Strategien bisher keine Rolle.
In dieser Arbeit wurde ein neuartiger Algorithmus für die Steuerung von TABS entwickelt, der hier durch die Abkürzung AMLR gekennzeichnet wird. Die AMLR nutzt Vorhersagen der Hauptstörgrößen einer TABS-Zone zur Berechnung eines innerhalb des nächsten Tages zuzuführenden Energiepaketes. Zu den Hauptstörgrößen zählen die tagesgemittelte Außentemperatur, die tagesgemittelte globale Einstrahlung sowie ein Belegungsplan jeder TABS-Zone. Die AMLR verwendet ein dynamisches und ein stationäres Widerstands-Kapazitäten(RC)-Modell mit einem Verzögerungsglied erster Ordnung (PT1). Das stationäre TABS- und Raummodell wird für eine Adaptionsfähigkeit und das dynamische Modell für die zeitdiskrete Berechnung von Leistungen genutzt. Es wird gezeigt, dass die Genauigkeit eines Modells mit PT1-Glied für die Steuerung von TABS ausreichend ist. Durch die Adaptionfähigkeit kann sich der Algorithmus automatisiert an unterschiedliche Gebäude, Standorte und Nutzungsprofile anpassen. Auf die Erstellung eines Gebäudemodells inklusive dessen technischer Gebäudeausrüstung (TGA), der Wärmelasten sowie der Wettereinflüsse kann somit verzichtet werden. Weiterhin können mit der AMLR mittlere Soll-Raumtemperaturen pro TABS-Zone vorgegeben werden, was bei Standard-TABS-Strategien nicht möglich ist. Dem Autor stehen als Testumgebungen zur Evaluierung der AMLR die Triple-Klimakammer des Instituts für Energiesystemtechnik (INES) der Hochschule Offenburg sowie zwei reale Gebäude und deren Simulationsmodelle zur Verfügung. Bei den Gebäuden handelt es sich um das in Basel befindliche IWB CityCenter sowie das Seminargebäude der Hochschule Offenburg.
Mit Hilfe der Triple-Klimakammer werden die verwendeten RC-Modelle sowie das TRNSYS-Simulationsmodell der Kammer selbst validiert. Durch den direkten Vergleich der AMLR zu Standard-TABS-Strategien kann in Model-in-the-Loop (MiL) Simulationen, Laborversuchen und Pilotanlagen gezeigt werden, dass die AMLR insbesondere dann thermische Energie einsparen kann, wenn es bei der Standardstrategie zu Überhitzungen im Heizfall und Unterkühlungen im Kühlfall kommt. Des Weiteren zeigen sich Energieeinsparpotenziale durch die Möglichkeit der zonenspezifischen Beladung der TABS. Anhand von Messdaten einer Pilotanlage kann eine Reduktion des thermischen TABS-Energiebedarfs von über 41 % belegt werden. In allen Testumgebungen kann eine Einsparung an Hilfsenergie von bis zu 86 % für die TABS-Pumpen bei gleichzeitiger Verbesserung des thermischen Komforts nachgewiesen werden. Neben Energieeinsparungen sind durch den Einsatz der AMLR Investitionseinsparungen durch eine vereinfachte TABS-Hydraulik möglich, da keine konstanten Vorlauftemperaturen notwendig sind. Weiterhin kann gezeigt werden, dass die Leistung eines Zusatzkühlsystems durch den Einsatz der AMLR im Vergleich zur Standard-TABS-Strategie reduziert werden kann, ohne den thermischen Komfort zu beeinträchtigen. Anhand von Simulationsrechnungen wird das Potenzial von TABS für Lastverschiebemaßnahmen quantifiziert. Durch die Verwendung der AMLR mit dynamischen Strompreisen ist im gezeigten Beispiel eine Einsparung an monetären Kosten von 38 % möglich. Weiterhin konnten Anfragen zur Abschaltung der Beladung der TABS zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energieerzeuger durch die AMLR unter Einhaltung des thermischen Komforts durchgeführt werden.
Das Ziel der Arbeit ist es, die Wirkung von datenschutzbezogenen Gütesiegeln auf das Vertrauen, die Teilnahmebereitschaft und die freiwillige Datenbekanntgabe in Webbefragungen zu untersuchen. Hierbei soll der unternehmerische Nutzen im Kontext der deutschen Markt-, Medien- und Sozialforschung transparent gemacht werden. Da sich an diesem Markt überwiegend kleine und mittlere Forschungseinrichtungen befinden, werden die wirtschaftlichen Belange dieser Unternehmen besonders berücksichtigt. Insgesamt beschäftigt sich die Arbeit durch den besonderen Branchenbezug zur deutschen Markt-, Medien- und Sozialforschung mit einem neuartigen Forschungsfeld. Vor diesem Hintergrund werden die konzeptionellen und theoretischen Grundlagen, die zum Einsatz von Gütesiegeln im E-Commerce vorliegen, in einem neuen Licht betrachtet. Dabei liegt die Besonderheit der Arbeit darin, dass sie sich mit der freiwilligen Bekanntgabe von persönlichen Daten auf der Basis von intrinsisch motivierten Faktoren befasst.
Metallische Gehäuse stellen eine große Herausforderung für die Schnittstelle von aktiven medizinischen Implantaten dar. Ihre elektrische Leitfähigkeit und die sich dadurch ergebenden Wirbelströme verhindern das Eindringen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Feldern. Aus diesem Grund werden die Antennen außerhalb des Gehäuses platziert. Niederfrequentere magnetische Felder dringen jedoch durch das metallische Gehäuse, wenn auch abgeschwächt. Damit kann eine induktive Kommunikation realisiert und so elektrische Durchführungen durch das ansonsten hermetisch dichte Gehäuse vermieden werden.
In dieser Arbeit wird die induktive Datenübertragung durch ein metallisches Gehäuse untersucht. Ein Modell wird entwickelt, das die Effekte des metallischen Gehäuses auf die Übertragung berücksichtigt. Hierzu werden in einem neuen Ansatz anhand von FEM Simulationen Korrekturfaktoren ermittelt. Diese Korrekturfaktoren können visualisiert und direkt auf die Auslegung der Antennenspulen angewendet werden. Im Gegensatz zu anderen Modellierungen werden nur frei zugängliche Software-Lösungen verwendet. Zudem werden die Feldverteilungen durch die im metallischen Gehäuse entstehenden Wirbelströme untersucht. Die unterschiedlichen Gehäuse- und Spulenparameter werden im Hinblick auf deren Einfluss auf das Übertragungsverhalten diskutiert, was in dieser Form bisher noch nicht veröffentlicht wurde. Das resultierende Modell kann auf unterschiedliche Ausführungen der metallischen Kapselung angepasst werden um damit die Grenzen und Einschränkungen unterschiedlicher metallischer Gehäuse-Materialien zu untersuchen.
Mit der Weiterentwicklung eines Transceivers, der mit 10 kBit/s bei 125 kHz Trägerfrequenz arbeitet, wird ein Übertragungsbaustein entwickelt, der mit herkömmlichen Mikrocontrollern verwendet werden kann. Der Transceiver wird in einem ASIC mit 32 Pin QFN-Gehäuse implementiert. Anschließend werden die Funktionalität überprüft und die elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf Temperatur-, Spannungs- und Frequenz-Verhalten charakterisiert. Durch die geringe Stromaufnahme und die hohe Datenrate bei niedriger Trägerfrequenz eignet sich dieser Transceiver für Langzeitanwendungen in medizinischen Implantaten. Das Neue an dem Transceiver ist seine Einsatzfähigkeit für metallische Gehäuse, die wegen der schmalen Bandbreite mit \approx\unit[4]{kHz} eine effiziente Datenübertragung trotz hoher Dämpfung ermöglicht und darüber hinaus die frequenzabhängige Verzerrung der Impedanz- und Übertragungsparameter minimiert.
Anhand einer konkreten Anwendung für eine implantierbare steuerbare Infusionspumpe werden die gesamte Elektronik des Implantats sowie eines kleinen und ein großen Bediengerätes konzipiert, entwickelt, programmiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Darin werden sowohl das induktive Übertragungsmodell als auch der Transceiver verwendet und somit deren Funktionalität und Einsatzfähigkeit demonstriert. Mithilfe dieser Entwicklung ist es möglich, über einen Abstand von 65 mm, die Dosierung eines Medikaments einzustellen und an den Tagesrhythmus der Patient*innen anzupassen sowie die Funktionalität des Implantats zu überprüfen. Aktuell gibt es auf dem Markt ein weiteres ähnliches Produkt, zu dem jedoch keine wissenschaftlichen Veröffentlichungen vorliegen. Diese Arbeit liefert damit einen wissenschaftlichen Beitrag für die Entwicklung langlebiger metallisch gekapselter Implantate mit induktiver Schnittstelle.
Im Jahre 2010 bot die Hochschule Offenburg ein Medizintechnikstudium mit dem Schwerpunkt ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ als Bachelor- und später auch Masterstudiengang an. Ziel des auf diesen Schwerpunkt ausgelegten didaktischen Lehrkonzeptes ist die Vermittlung sofort anwendungsbereiten theoretischen Wissens und praktischen Könnens, welches die Absolventinnen und Absolventen in ihrer künftigen Berufsausübung in der Industrie oder als technische Partner der behandelnden Ärztinnen und Ärzte in hochspezialisierten klinischen Einrichtungen benötigen.
Aufgrund fehlender kommerzieller Angebote ist zur Umsetzung dieses Lehrkonzeptes die ingenieurtechnische Realisierung geeigneter Lehrmittel zwingend erforderlich. Dies betrifft die hard- und softwareseitige Erstellung visueller Demonstrationsmöglichkeiten für pathologische und implantatinduzierte Herzrhythmen, sowie die synthetische Bereitstellung originalgetreuer elektrokardiographischer Ableitsignale aus der klinischen Routine. Des Weiteren den Aufbau von in-vitro Trainingssystemen zu Therapien mit elektronischen kardiologischen Implantaten sowie zur Hochfrequenz-Katheterablation.
Insbesondere die Wahlfächer ’Programmierung von Herzschrittmachern’ und ‚Programmierung von Defibrillatoren’, deren Besuch den Teilnehmenden einen besonders raschen Berufseinstieg ermöglichen sollte, wurden in didaktischer Hinsicht in engem Bezug zum 4-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell der Lehre gestaltet.
Durch den kontinuierlichen Einsatz der Instrumente der formativen Evaluation gelangen sowohl deutliche Verbesserungen am Gesamtkonzept der Lehrveranstaltungen als auch an den dort eingesetzten, selbst realisierten Lösungen des benannten speziellen Lehr- und Trainingsequipments.
Eine summative Evaluation des Lehrkonzeptes ist aufgrund seines Alleinstellungsmerkmals schwierig. Aus diesem Grund erschien die quantitative Prüfung des Einflusses eines Besuchs des praktisch orientierten Wahlfachs ’Programmierung von Herzschrittmachern’ auf die Note der kombinierten Abschlussklausur in den Fächern ’Elektrokardiographie’ und ’Elektrostimulation’ sinnvoll. In diese Evaluation eingeschlossen wurde eine Kohorte von 221 Studierenden, 76 Frauen und 145 Männer, von denen 93 am Wahlfach nicht teilnahmen und 128 die es besucht hatten.
Über 7 zusammengefasste Studienjahre zeigte sich, dass die praktische Ausbildung im Wahlfach ’Programmierung von Herzschrittmachern’ das Leistungsniveau der Studierenden der Medizintechnik in der kombinierten Abschlussprüfung ’Elektrokardiographie und Elektrostimulation’ deutlich beeinflusste.
Das im Rahmen dieser Arbeit mitgestaltete Lehrkonzept, die realisierten Lehrmaterialien und Lehrumgebungen wurden im Bachelor- und Masterstudiengang der Medizintechnik an der Hochschule Offenburg in den Praktika, Seminaren und Vorlesungen des Schwerpunktes ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ vielfältig genutzt. Sie ermöglichten die Gestaltung interaktiver praktischer Weiterbildungsveranstaltungen für ärztliches und mittleres medizinisches Personal und für auf diesen Gebieten tätige medizintechnische Firmen.
The evolution of cellular networks from its first generation (1G) to its fourth generation (4G) was driven by the demand of user-centric downlink capacity also technically called Mobile Broad-Band (MBB). With its fifth generation (5G), Machine Type Communication (MTC) has been added into the target use cases and the upcoming generation of cellular networks is expected to support them. However, such support requires improvements in the existing technologies in terms of latency, reliability, energy efficiency, data rate, scalability, and capacity.
Originally, MTC was designed for low-bandwidth high-latency applications such as, environmental sensing, smart dustbin, etc. Nowadays there is an additional demand around applications with low-latency requirements. Among other well-known challenges for recent cellular networks such as data rate energy efficiency, reliability etc., latency is also not suitable for mission-critical applications such as real-time control of machines, autonomous driving, tactile Internet etc. Therefore, in the currently deployed cellular networks, there is a necessity to reduce the latency and increase the reliability offered by the networks to support use cases such as, cooperative autonomous driving or factory automation, that are grouped under the denomination Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC).
This thesis is primarily concerned with the latency into the Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) of cellular networks. The overall work is divided into five parts. The first part presents the state of the art for cellular networks. The second part contains a detailed overview of URLLC use cases and the requirements that must be fulfilled by the cellular networks to support them. The work in this thesis is done as part of a collaboration project between IRIMAS lab in Université de Haute-Alsace, France and Institute for Reliable Embedded Systems and Communication Electronics (ivESK) in Offenburg University of Applied Sciences, Germany. The selected use cases of URLLC are part of the research interests of both partner institutes. The third part presents a detailed study and evaluation of user- and control-plane latency mechanisms in current generation of cellular networks. The evaluation and analysis of these latencies, performed with the open-source ns-3 simulator, were conducted by exploring a broad range of parameters that include among others, traffic models, channel access parameters, realistic propagation models, and a broad set of cellular network protocol stack parameters. These simulations were performed with low-power, low-cost, and wide-range devices, commonly called IoT devices, and standardized for cellular networks. These devices use either LTE-M or Narrowband-IoT (NB-IoT) technologies that are designed for connected things. They differ mainly by the provided bandwidth and other additional characteristics such as coding scheme, device complexity, and so on.
The fourth part of this thesis shows a study, an implementation, and an evaluation of latency reduction techniques that target the different layers of the currently used Long Term Evolution (LTE) network protocol stack. These techniques based on Transmission Time Interval (TTI) reduction and Semi-Persistent Scheduling (SPS) methods are implemented into the ns-3 simulator and are evaluated through realistic simulations performed for a variety of low-latency use cases focused on industry automation and vehicular networking. For testing the proposed latency reduction techniques in cellular networks, since ns-3 does not support NB-IoT in its current release, an NB-IoT extension for LTE module was developed. This makes it possible to explore deployment limitations and issues.
In the last part of this thesis, a flexible deployment framework called Hybrid Scheduling and Flexible TTI for the proposed latency reduction techniques is presented, implemented and evaluated through realistic simulations. With help of the simulation evaluation, it is shown that the improved LTE network proposed and implemented in the simulator can support low-latency applications with low cost, higher range, and narrow bandwidth devices. The work in this thesis points out the potential improvement techniques, their deployment issues and paves the way towards the support for URLLC applications with upcoming cellular networks.
Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist seit ihrem kommerziellen Durchbruch zu Beginn der neunziger Jahre zum Standard für die portable Energieversorgung geworden. Zunehmend macht sie auch im mobilen und stationären Bereich klassischen Technologien, wie dem Verbrennungsmotor, Konkurrenz. Da in diesen Anwendungsfeldern aber meist größere Energiemengen erforderlich und wesentlich längere Produktlebenszyklen üblich sind, sind einerseits die Sicherheit und andererseits die Alterung der Batterien von herausragendem Interesse. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung und Modellierung einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle. Dabei wird eine Lithiumeisenphosphat-Kathode mit einer Graphit-Anode kombiniert. Dieser Zelltyp eignet sich besonders für stationäre Anwendungen. Trotz eines bisher vergleichsweise geringen Marktanteils lassen sich, wie im Laufe dieser Arbeit ersichtlich wird, die Ergebnisse gut auf den Großteil der kommerziell verwendeten Lithium-Ionen-Zellen abstrahieren. Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe mathematischer Modellierung dieser Lithium-Ionen-Batterie das Verständnis über die komplexen Alterungsmechanismen zu vertiefen, um mit diesen Erkenntnissen Verbesserungsvorschläge zum Aufbau und der Betriebsweise der Batterien zu erarbeiten. Eine Batterie ist ein hochkomplexes physikalisches System, in dem sich die räumlichen Gradienten der physikalischen Größen um viele Größenordnungen unterscheiden können. Auch bei der zeitlichen Betrachtung laufen wichtige Prozesse wie beispielsweise die Ladung, die Alterung oder das thermische Durchgehen auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ab. Dabei finden in der Zelle gleichzeitig, teilweise in gegenseitiger Abhängigkeit, zahlreiche chemische Reaktionen statt. Zur numerischen Simulation bedarf es also eines Modells, das flexibel mit diesen unterschiedlichen Anforderungen umgeht. Die in dieser Arbeit verwendete hauseigene Software DENIS bildet dieses flexible Gerüst, welches sich des numerischen Lösers LIMEX, der elektrochemischen Simulationsumgebung Cantera und der Mathematiksoftware MATLAB bedient. Das Kontinuum-Modell verwendet drei unterschiedliche Skalen entlang der gleichen räumlichen Dimension (sog. 1D+1D+1D oder pseudo-3D-Modell). Durch diese drei miteinander gekoppelten Skalen werden die Temperaturverteilung, die elektrochemischen Vorgänge und die Diffusion von Lithium in die Aktivmaterialien berechnet. Ähnliche, häufig nach John Newman benannte, Modelle lassen sich in großer Vielfalt in der Literatur finden. Eine wichtige Verbesserung des Modells stellt daher vor allem die Erweiterung um die Nebenreaktionen dar. Dabei ist die Bildung der Solid Electrolyte Interface (SEI) von herausragendem Interesse, jedoch auch deren Zersetzung bei zu hohen Temperaturen, die zum thermischen Durchgehen der Batterie führen kann. Durch die Modellierung der SEI-Nebenreaktion gelingt es, die kalendarische Alterung der Zellen in dem für viele kommerzielle Anwendungen relevanten Bereich von 100 % bis 80 % State of health (SOH) zu simulieren. Eine weitere wichtige Modellerweiterung stellt die Berücksichtigung mechanischer Effekte dar; dies führt zu einer Beschreibung der zyklischen Alterung der Zelle. Dabei wird ein realer mechanischer Effekt mit dem bestehenden elektrochemischen Modell verbunden. Grundlegende Hypothese ist hierbei, dass die SEI-Schicht beim Laden der Zelle aufbricht und es damit zu einer erhöhten Reduktion des Elektrolyten kommt. Somit ist das Modell in der Lage, sowohl kalendarische als auch zyklische Effekte zu simulieren, die auf chemischen und mechanischen Ursachen basieren. Die Berücksichtigung des Effektes der Austrocknung der Elektrode durch die Reduktion des Elektrolyten ermöglicht eine Vorhersage des irreversiblen Kapazitätsverlustes bis weit über die 80 % SOH-Grenze hinaus. Durch Hinzufügen einer zweiten SEI-Reaktion kann darüber hinaus das thermische und elektrische Verhalten der Zelle bei erhöhten Temperaturen außerhalb des Betriebsbereichs sowie bei externem Kurzschluss qualitativ und quantitativ gut abgebildet werden. Abweichungen der Modellvorhersage zu experimentellen Werten lassen sich zum Teil mit der Vernachlässigung von weniger relevanten physikalischen und chemischen Vorgängen erklären. Ein weiterer Grund für Abweichungen ist in der Zusammensetzung der experimentellen Daten zu suchen, bei denen die Batterien stets von der gleichen Zellchemie sind, sich jedoch in der exakten Bauform teilweise unterscheiden. Um das an Parametern deutlich überbestimmte Modell zu validieren, werden die Ergebnisse umfangreicher Experimente mit stationären Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) verwendet. Neben Lade- und Entladezyklen sind die Elektrochemische-Impedanz-Spektroskopie (EIS) und Alterungsexperimente an baugleichen Zellen durchgeführt worden. Nur mit dieser experimentellen Unterstützung entsteht somit ein konsistentes thermo-elektrochemisches Modell der Zelle. Aufgrund der erweiterten experimentellen Datengrundlage kann somit die Komplexität des Modells erhöht werden. Diese verschiedenen Modellvorhersagen können mit einem einzigen Satz an Parametern gemacht werden. Durch die Kombination und Integration dieser unterschiedlichen Alterungseffekte in ein konsistentes physikalisches System entsteht damit ein Modell, dessen Aussagekraft sich nicht auf einen spezifischen Betriebsbereich der Zelle reduziert. Die Interaktionen der vielen physikalisch-chemischen Effekte sind für verschiedene Betriebszustände analytisch nur schwer abschätzbar. Mit der modellbasierten Abbildung dieser komplexen Interaktionen wird somit ein wissenschaftlicher Mehrwert geschaffen.
In thermomechanisch hochbelasteten Bauteilen begrenzt das Wachstum von Ermüdungsrissen die Bauteillebensdauer. Es kommen Lebensdauermodelle und Finite-Elemente Simulationen zum Einsatz, um ein vorzeitiges Bauteilversagen zu verhindern. Hierbei werden im Allgemeinen deterministische Werkstoffeigenschaften unterstellt, sodass die Information über die im realen Werkstoff auftretenden Streuungen verloren geht, was eine Unsicherheit im Auslegungsprozess mit sich bringt. In der vorliegenden Ausarbeitung werden Methoden zur adäquaten Bestimmung der Werkstoffkennwerte und zur Beschreibung ihrer Streuung durch statistische Verteilungen entwickelt. Einen wesentlichen Aspekt der Arbeit stellt die Bestimmung von objektiven Werkstoffkennwerten dar, zu deren Zweck ein Robustheitskriterium eingeführt wird. Anhand zahlreicher Versuchsdatensätze der Nickelbasislegierung MARM247 und des niobstabilisierten austenitischen Stahls X6 CrNiNb 18-10 kann diese Methodik ausgearbeitet werden und führt auf ein probabilistisches Lebensdauermodell, dass die Abschätzung des Einfluusses von statistisch verteilten Werkstoffkennwerten auf die Ermüdungslebensdauer erlaubt. Als Ergebnis einer Monte-Carlo Simulation zeigt sich, dass im Vergleich von deterministischer zu probabilistischer Lebensdauerbewertung eine probabilistische Auswertung bei beiden untersuchten Werkstoffen zu einem um circa Faktor zwei größeren Streuband in der Lebensdauer führt. In einem Bauteilkonzept wird die anhand der Versuchsdaten erarbeitete Methodik erweitert, sodass eine Abschätzung des Ein usses von streuenden Werkstoffeigenschaften auf Bauteilebene durch Finite-Elemente Simulationen möglich wird. Es kommt das Two-Layer-Viscoplasticity Modell zum Einsatz. Um die Streuung seiner Werkstoffkennwerte ermitteln zu können, reicht die vorliegende Datenbasis nicht aus, sodass Annahmen zu den Werkstoffkennwerten getroffen werden müssen.
Lithium-ion batteries play a vital role in a society more and more affected by the spectre of climate change: hence the need of lowering CO2 emissions and reducing the fossil fuel consumption. At the moment, lithium-ion batteries appear as the ideal candidates for this challenge but further research and development is required to understand their behaviour, predict their issues and therefore improve their performance. In this regard, mathematical modelling and numerical simulation have become standard techniques in lithium-ion battery research and development and have proven to be highly useful in supporting experimental work and increasing the predictability of model-based life expectancy.
This study focuses on the electrochemical ageing reactions at the anode, especially on the topic of lithium plating and its interaction with the solid electrolyte interface (SEI). The purpose of this work is a deeper understanding of these degradation processes through the construction of refined modelling frameworks and the analysis of simulations carried out over a wide range of operating conditions. The governing equations are implemented in the in-house multiphysics software package DENIS, while the electrochemistry model is based on the use of the open-source chemical kinetics code CANTERA.
The development, parameterisation and experimental validation of a comprehensive pseudo-three-dimensional multiphysics model of a commercial lithium-ion cell with blend cathode and graphite anode is presented. This model is able to describe and simulate both multiscale heat and mass transport and complex electrochemical reaction mechanisms, including also as extra feature the capability of reproducing a composite electrode where multiple active materials are subject to intercalation/deintercalation reaction.
A further extension to include reversible lithium plating process and predict ageing behaviour over a wide range of conditions, with a focus on the high currents and low temperatures particularly interesting for the fast charging topic, follows. This extended model is verified by comparison with published experimental data showing voltage plateau and voltage drop as plating indicators and optionally includes an explicit re-intercalation reaction that is shown to suppress macroscopic plating hints in the specific case of a cell not showing evident plating signs. This model is used to create degradation maps over a wide range of conditions and an in-depth spatiotemporal analysis of the anode behaviour at the mesoscopic and microscopic scales, demonstrating the dynamic and nonlinear interaction between the intercalation and plating reactions.
A deeper outlook on the SEI formation and growth is presented, together with the qualitative description of three different 1D-models with a decreasing level of detail, developed with the purpose of ideally being included in future in more comprehensive multiscale frameworks.
Finally, the extended model is successfully coupled with a previously developed SEI model to result in an original modelling framework able to simulate both degradation processes and their continuous positive feedback.
With the expansion of IoT devices in many aspects of our life, the security of such systems has become an important challenge. Unlike conventional computer systems, any IoT security solution should consider the constraints of these systems such as computational capability, memory, connectivity, and power consumption limitations. Physical Unclonable Functions (PUFs) with their special characteristics were introduced to satisfy the security needs while respecting the mentioned constraints. They exploit the uncontrollable and reproducible variations of the underlying component for security applications such as identification, authentication, and communication security. Since IoT devices are typically low cost, it is important to reuse existing elements in their hardware (for instance sensors, ADCs, etc.) instead of adding extra costs for the PUF hardware. Micro-electromechanical system (MEMS) devices are widely used in IoT systems as sensors and actuators. In this thesis, a comprehensive study of the potential application of MEMS devices as PUF primitives is provided. MEMS PUF leverages the uncontrollable variations in the parameters of MEMS elements to derive secure keys for cryptographic applications. Experimental and simulation results show that our proposed MEMS PUFs are capable of generating enough entropy for a complex key generation, while their responses show low fluctuations in different environmental conditions.
Keeping in mind that the PUF responses are prone to change in the presence of noise and environmental variations, it is critical to derive reliable keys from the PUF and to use the maximum entropy at the same time. In the second part of this thesis, we elaborate on different key generation schemes and their advantages and drawbacks. We propose the PUF output positioning (POP) and integer linear programming (ILP) methods, which are novel methods for grouping the PUF outputs in order to maximize the extracted entropy. To implement these methods, the key enrollment and key generation algorithms are presented. The proposed methods are then evaluated by applying on the responses of the MEMS PUF, where it can be practically shown that the proposed method outperforms other existing PUF key generation methods.
The final part of this thesis is dedicated to the application of the MEMS PUF as a security solution for IoT systems. We select the mutual authentication of IoT devices and their backend system, and propose two lightweight authentication protocols based on MEMS PUFs. The presented protocols undergo a comprehensive security analysis to show their eligibility to be used in IoT systems. As the result, the output of this thesis is a lightweight security solution based on MEMS PUFs, which introduces a very low overhead on the cost of the hardware.