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Клиновые акустические волны в твёрдом те-ле — это третий фундаментальный тип волн, после объёмных и поверхност-ных волн, импульсы которых распространяются без изменений своих форм (дисперсия отсутствует). Систему упругого клина можно получить из систе-мы упругого полупространства, “разрезав” его вдоль некоторой плоскости, а систему упругого полупространства можно получить из распределённой в пространстве упругой среды тем же методом, поэтому связи между поверх-ностными и объёмными волнами должны во многом повторяться при рас-смотрении клиновых и поверхностных волн. Например, существование быст-рых псевдоповерхностных волн в системе упругого полупространства, излу-чающих энергию при распространении в объёмные волны, имеет свой аналог и для системы упругого клина: совсем недавно были открыты псевдоклино-вые волны, излучающие как объёмные, так и поверхностные волны по мере своего распространения. С другой стороны, в этой же последовательности объёмных, поверхностных и клиновых волн должны выделяться и отличи-тельные особенности. Если поверхностные волны отличаются от объёмных волн тем, что они локализованы на двухмерной поверхности (объёмные вол-ны являются нелокализованными), то клиновые волны локализованы вдоль одномерной поверхности (линии) — кромки клина. Клиновые волны — это волноводные акустические волны, которые распространяются без дифракци-онных потерь, а также они не обладают дисперсией, поскольку в системе бесконечного упругого клина нет ни одного параметра размерности длины.
В заключении приведены основные результаты работы, которые со-стоят в следующем:
1. С помощью метода функций Лагерра была построена функция динами-ческого отклика на импульсный линейный источник (функция Грина) для задачи Лэмба в полупространстве, а также были изучены вопросы о сходимости и устойчивости данного построения. Было показано, что в предельном случае построенная функция динамического отклика совпа-дает с классической функцией Грина для этой задачи.
2. На основе результатов предыдущего пункта была построена функция Грина для упругого клина (и функция плотности состояния на кром-ке, совпадающая с диагональными компонентами функции Грина), с по-мощью которой удалось идентифицировать импульсы псевдоклиновых волн на экспериментальных кривых.
3. Для определённых клиновых конфигураций в анизотропных упругих средах (тетрагональных кристаллах) удалось получить критерий суще-ствования клиновых волн на основе характеристик поверхностных волн, распространяющихся на гранях исследуемых конфигураций, а также в некоторых случаях удалось классифицировать клиновые волны по типу симметрии.
4. Была разработана теория, описывающая формы импульсов клиновых волн при различных режимах генерации: абляционном и термоупругом.
5. Для клиновых волн была представлена нелинейная теория второго по-рядка. Были проведены численные расчёты функции ядра эволюцион-ного уравнения клиновых волн для кремниевых клиньев с одной гранью, совпадающей с поверхностью (111) (поверхность скола), и с произволь-ной ориентацией второй грани.
6. Были описаны фундаментальные отличия нелинейных линовых волн от нелинейных объёмных и поверхностных волн, а также было проведено численное моделирование эволюции импульса клиновых волн, которое показало соответствие теории эксперименту.
7. Получены решения солитонного типа для клиновых волн. Рассмотрены взаимодействия солитонов и свойства солитонного распада.
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.
Emotionale Reaktionen von Nutzern auf Stimuli einer interaktiven Anwendung gelten als zentrale Indikatoren für positive oder negative User Experience. Oliver Gasts Untersuchung stellt ein Verfahren vor, das die Messung und Interpretation der Emotionen bei der Nutzung interaktiver Anwendungen ermöglicht. Denn der Erfolg von webbasierten Applikationen, wie z. B. Online-Shops, hängt in sehr hohem Maße von der Erfüllung der Erwartungen des einzelnen Nutzers ab. Mit den Ergebnissen seiner Untersuchung hat der Autor ein Modell erstellt und evaluiert, welches die relevanten Indikatoren für Mimik basierte Emotionsbewertung umfassend aufzeigt.
With this generation of devices, Virtual Reality (VR) has actually made it into the living rooms of end-users. These devices feature 6-DOF tracking, allowing them to move naturally in virtual worlds and experience them even more immersively. However, for a natural locomotion in the virtual, one needs a corresponding free space in the real environment. The available space is often limited, especially in everyday environments and under normal spatial conditions. Furnishings and objects of daily life can quickly become obstacles for VR users if they are not cleared away. Since the idea behind VR is to place users into a virtual world and to hide the real world as much as possible, invisible objects represent potential obstacles. The currently available systems offer only rudimentary assistance for this problem. If a user threatens to leave the space previously defined for use, a visual boundary is displayed to allow orientation within the space. These visual metaphors are intended to prevent users from leaving the safe area. However, there is no detection of potentially dangerous objects within this part of space. Objects that have not been cleared away or that have been added in the meantime may still become obstacles. This thesis shows how possible obstacles in the environment can be detected automatically with range imaging cameras and how users can be effectively warned about them in the virtual environment without significantly disturbing their sense of presence. Four different interactive visual metaphors are used to signalize the obstacles within the VE. With the help of a user study, the four signaling variants and the obstacle detection were evaluated and tested.
Dissertation D. Dongol
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.
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.
Hot working tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during service. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas. During production, this causes cyclic plastic deformation and thus thermomechanical fatigue, which can significantly shorten the lifetime of hot working tools. To sustain this high loads, the hot working tools are typically made of tempered martensitic hot work tool steels. While the annealing temperatures of the tool steels usually lie in the range of 400 to 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot working, resulting in softening of the material due to changes in microstructure. Therefore, the temperature-dependent cyclic mechanical properties of the frequently used hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) after tempering are investigated in this work. To this end, hardness measurements are performed. Furthermore, the Institute of Forming Technology and Machines (IFUM) provides test results from cyclic tests at temperatures ranging from 20 °C (room temperature) to 650 °C. To describe the observed time- and temperature-dependent softening during tempering, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is developed. In addition, both mechanism-based and phenomenological relationships for the cyclic mechanical properties of the Ramberg- Osgood model depending on carbide size and temperature are proposed. The stress-strain hysteresis loops measured at different temperatures and after different heat treatments can be well described with the proposed kinetic and mechanical model. Furthermore, the model is suitable for integration in advanced mechanism-based lifetime models. However, since the Ramberg-Osgood model is not suitable for finite element implementation, a temperature-dependent incremental cyclic plasticity model is presented as well. Thus, softening due to particle coarsening can be applied in the finite element method (FEM). Therefore, a kinetic model is coupled with a cyclic plasticity model including kinematic hardening. The plasticity model is implemented via subroutines in the finite element program ABAQUS for implicit integration (subroutine called UMAT) and explicit integration (subroutine called VUMAT). The implemented model is used for the simulation of an exemplary hot working process to assess the effects of softening due to particle coarsening. It shows that the thermal softening at high temperatures, which occur over a long time at a mechanically highly loaded area, has a great influence. If this influence is not considered in tool design, an unexpected tool failure might occur bringing the production to a standstill.
Modern society is more than ever striving for digital connectivity -- everywhere and at any time, giving rise to megatrends such as the Internet of Things (IoT). Already today, 'things' communicate and interact autonomously with each other and are managed in networks. In the future, people, data, and things will be interlinked, which is also referred to as the Internet of Everything (IoE). Billions of devices will be ubiquitously present in our everyday environment and are being connected over the Internet.
As an emerging technology, printed electronics (PE) is a key enabler for the IoE offering novel device types with free form factors, new materials, and a wide range of substrates that can be flexible, transparent, as well as biodegradable. Furthermore, PE enables new degrees of freedom in circuit customizability, cost-efficiency as well as large-area fabrication at the point of use.
These unique features of PE complement conventional silicon-based technologies. Additive manufacturing processes enable the realization of many envisioned applications such as smart objects, flexible displays, wearables in health care, green electronics, to name but a few.
From the perspective of the IoE, interconnecting billions of heterogeneous devices and systems is one of the major challenges to be solved. Complex high-performance devices interact with highly specialized lightweight electronic devices, such as e.g. smartphones and smart sensors. Data is often measured, stored, and shared continuously with neighboring devices or in the cloud. Thereby, the abundance of data being collected and processed raises privacy and security concerns.
Conventional cryptographic operations are typically based on deterministic algorithms requiring high circuit and system complexity, which makes them unsuitable for lightweight devices.
Many applications do exist, where strong cryptographic operations are not required, such as e.g. in device identification and authentication. Thereby, the security level mainly depends on the quality of the entropy source and the trustworthiness of the derived keys. Statistical properties such as the uniqueness of the keys are of great importance to precisely distinguish between single entities.
In the past decades, hardware-intrinsic security, particularly physically unclonable functions (PUFs), gained a lot of attraction to provide security features for IoT devices. PUFs use their inherent variations to derive device-specific unique identifiers, comparable to fingerprints in biometry.
The potentials of this technology include the use of a true source of randomness, on demand key derivation, as well as inherent key storage.
Combining these potentials with the unique features of PE technology opens up new opportunities to bring security to lightweight electronic devices and systems. Although PE is still far from being matured and from being as reliable as silicon technology, in this thesis we show that PE-based PUFs are promising candidates to provide key derivation suitable for device identification in the IoE.
Thereby, this thesis is primarily concerned with the development, investigation, and assessment of PE-based PUFs to provide security functionalities to resource constrained printed devices and systems.
As a first contribution of this thesis, we introduce the scalable PE-based Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) design to provide secure keys to be used in security applications for resource constrained printed devices. The DiffC-PUF is designed as a hybrid system architecture incorporating silicon-based and inkjet-printed components. We develop an embedded PUF platform to enable large-scale characterization of silicon and printed PUF cores.
In the second contribution of this thesis, we fabricate silicon PUF cores based on discrete components and perform statistical tests under realistic operating conditions. A comprehensive experimental analysis on the PUF security metrics is carried out. The results show that the silicon-based DiffC-PUF exhibits nearly ideal values for the uniqueness and reliability metrics. Furthermore, the identification capabilities of the DiffC-PUF are investigated and it is shown that additional post-processing can further improve the quality of the identification system.
In the third contribution of this thesis, we firstly introduce an evaluation workflow to simulate PE-based DiffC-PUFs, also called hybrid PUFs. Hereof, we introduce a Python-based simulation environment to investigate the characteristics and variations of printed PUF cores based on Monte Carlo (MC) simulations. The simulation results show, that the security metrics to be expected from the fabricated devices are close to ideal at the best operating point.
Secondly, we employ fabricated printed PUF cores for statistical tests under varying operating conditions including variations in ambient temperature, relative humidity, and supply voltage. The evaluations of the uniqueness, bit aliasing, and uniformity metrics are in good agreement with the simulation results. The experimentally determined mean reliability value is relatively low, which can be explained by the missing passivation and encapsulation of the printed transistors. The investigation of the identification capabilities based on the raw PUF responses shows that the pure hybrid PUF is not suitable for cryptographic applications, but qualifies for device identification tasks.
The final contribution is to switch to the perspective of an attacker. To judge on the security capabilities of the hybrid PUF, a comprehensive security analysis in the manner of a cryptanalysis is performed. The analysis of the entropy of the hybrid PUF shows that its vulnerability against model-based attacks mainly depends on the selected challenge building method. Furthermore, an attack methodology is introduced to assess the performances of different mathematical cloning attacks on the basis of eavesdropped challenge-response pairs (CRPs). To clone the hybrid PUF, a sorting algorithm is introduced and compared with commonly used supervised machine learning (ML) classifiers including logistic regression (LR), random forest (RF), as well as multi-layer perceptron (MLP).
The results show that the hybrid PUF is vulnerable against model-based attacks. The sorting algorithm benefits from shorter training times compared to the ML algorithms. If the eavesdropped CRPs are erroneous, the ML algorithms outperform the sorting algorithm.
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 the work at hand, we state that privacy and malleability of data are two aspects highly desired but not easy to associate. On the one hand, we are trying to shape data to make them usable and editable in an intelligible way, namely without losing their initial information. On the other hand, we are looking for effective privacy on data such that no external or non-authorized party could learn about their content. In such a way, we get overlapping requirements by pursuing different goals; it is trivial to be malleable without being secure, and vice versa. We propose four “real-world” use cases identified as scenarios where these two contradictory features are required and taking place in distinct environments. These considered backgrounds consist of firstly, cloud security auditing, then privacy of mobile network users and industry 4.0 and finally, privacy of COVID-19 tracing app users. After presenting useful background material, we propose to employ multiple approaches to design solutions to solve the use cases. We combine homomorphic encryption with searchable encryption and private information retrieval protocol to build an effective construction for the could auditing use case. As a second step, we develop an algorithm to generate the appropriate parameters to use the somewhat homomorphic encryption scheme by considering correctness, performance and security of the respective application. Finally, we propose an alternative use of Bloom filter data structure by adding an HMAC function to allow an outsourced third party to perform set relations in a private manner. By analyzing the overlapping bits occurring on Bloom filters while testing the inclusiveness or disjointness of the sets, we show how these functions maintain privacy and allow operations directly computed on the data structure. Then, we show how these constructions could be applied to the four selected use cases. Our obtained solutions have been implemented and we provide promising results that validate their efficiency and thus relevancy.
Herzfehler sind weltweit die häufigste Form von angeborenen Organdefekten. In unterschiedlichen Studien wird die Inzidenz zumeist zwischen vier und elf von 1.000 Lebendgeburten angegeben (1–5). Im Rahmen der multizentrischen PAN-Studie (PAN: Prävalenz angeborener Herzfehler bei Neugeborenen), welche die Häufigkeit angeborener Herzfehler bei Neugeborenen in Deutschland zwischen Juli 2006 und Juni 2007 untersuchte, ergab sich eine Gesamtprävalenz von 107,6 pro 10.000 Lebendgeburten. Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen an Implantaten zur Behandlung von Atriumseptumdefekten (ASD). Vorhofseptumdefekte machen mit 17,0%, nach den Ventrikelseptumdefekten (VSD) mit 48,9%die zweithäufigste Art von Herzfehlern aus (6, 7).Als Vorhofseptumdefekte werden Öffnungen in der Scheidewand zwischen den Herzvorhöfen bezeichnet. Bei der Therapie eines ASD ist der minimalinvasive Verschluss mittels sogenannter Okkluder heute das Mittel der Wahl. Diese werden über einen femoralen Zugang im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung unter Ultraschallkontrolle und Durchleuchtung an die Implantationsstelle vorgeschoben und dort platziert(8). Die Okkluder bestehen in der Regel aus einem Drahtgeflecht aus Nitinol und haben die typische Form eines sogenannten Doppelschirmchens. Dabei weichen die unterschiedlichen Okkluder der einzelnen Firmen hinsichtlich Form und Beschaffenheit oft erheblich voneinander ab. Derzeit gibt es keine Untersuchungsmethode, die die auf dem Markt befindlichen Okkluder hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften vergleichbar macht. Diese Arbeit solleinen Beitrag erbringen, um grundlegende, die Okkludermodelle charakterisierende Parameter zu schaffen, um so deren interindividuelle Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Hierzu werden in-vitro Messungen durchgeführt, welche geeignet sind das Verhalten der untersuchten Modelle unter unterschiedlichen Bedingungen und bei variierenden Defektgrößen zu charakterisieren.
With the increasing share of renewable energies and the nuclear phase-out, the energy transition is accelerating. From the perspective of building technology, there is great potential to support this transition given its large share in total energy consumption and the increasing number of flexible and controllable components and storages. However, a question often asked at the plant level is: "How do we use this flexibility to support the regional grid?". In this work, a grid-supportive controller of a real-world building energy plant was developed using mathematical optimisation methods and its technical feasibility was demonstrated. The results could convince actors from the energy industry and academia about the practicality of these methods and offer tools for their implementation.
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.
The manufacturing of conventional electronics has become a highly complicated process, which requires intensive investment. In this context, printed electronics keeps attracting attention from both academia and industry. The primary reason is the simplification of the manufacturing process via additive printing technology such as ink-jet printing. Consequently, advantages are realized such as on-demand fabrication, minimal material waste and versatile choice of substrate materials. Central to the development of printed electronic circuits are printed transistors. Recently, metal oxide semiconductors such as indium oxide have become promising materials for the fabrication of printed transistors due to their high charge mobility. Furthermore, electrolyte-gating also provides benefits such as the low-voltage operation in sub-1 V regime due to the large gate capacitance provided by electrical double layers. This opens new possibilities to fabricate printed devices and circuits for niche applications.
To facilitate the design and fabrication of printed circuits, the development of compact models is necessary. However, most of the current works have focused on the study of the static behavior of transistors, while the in-depth understanding of other characteristics such as the dynamic or noise behavior is missing. To this end, the purpose of this work is the comprehensive study on capacitance and noise properties of inkjet-printed electrolyte-gated thin-film transistors (EGT) based on indium oxide semiconductors. Proper modeling approaches are also proposed to capture accurately the electrical behaviour, which can be further utilized to enable advanced analysis of digital, analog and mixed-signal circuits.
In this work, the capacitance of EGTs is characterized using voltage-dependent impedance spectroscopy. Intrinsic and extrinsic effects are carefully separated by using de-embedding test structures. Also, a dedicated equivalent circuit model is established to offer accurate simulations of the measured frequency response of the gate impedance. Based on that, it is revealed that top-gated EGTs have the potential to reach operation frequency in the kHz regime with proper optimizations of materials and printing process. Furthermore, a Meyer-like model is proposed to accurately capture the capacitance-voltage characteristics of the lumped terminal capacitance. Both parasitic and nonquasi-static effects are considered. This further enables the AC and transient analysis of complex circuits in circuit simulators.
Following, the study of noise properties in the field of printed electronics is conducted. Low-frequency noise of EGTs is characterized using a reliable experimental setup. By examining measured noise spectra of the drain current at various gate voltages, the number fluctuation with correlated mobility fluctuation has been determined as the primary noise mechanism. Based on that, normalized flat-band voltage noise can be determined as the key performance metrics, which is only 1.08 × 10−7 V^2 µm^2, significantly lower in comparison with other thin-film technologies, which are based on dielectric gating and semiconductors such as IZO and IGZO. A plausible reason could be the large gate capacitance offered by the electrical double layers. This renders EGT technology useful for low-noise and sensitive applications such as sensor periphery circuits.
Last but not least, various circuit designs based on EGT technology are proposed, including basic digital circuits such as inverters and ring oscillators. Their performance metrics such as the propagation delay and power consumption are extensively characterized. Also, the first design of a printed full-wave rectifier is presented by using diode-connected EGTs, which features near-zero threshold voltage. As a consequence, the presented rectifier can effectively process input voltage with a small amplitude of 100 mV and a cut-off frequency of 300 Hz, which is particularly attractive for the application domain of energy harvesting. Additionally, the previously established capacitance models are verified on those circuits, which provide a satisfactory agreement between the simulation and measurement data.
Printed electronics, due to its manufacturability using printing technology, allows for fabrication on large areas and the usage of flexible substrates and thus enables novel applications. Non-impact printing technology, such as inkjet-printing, permits for flexible, decentralized manufacturing of electronic devices and systems. This further facilitates split-manufacturing in security-critical electrical components, as well as a maximum in design flexibility in terms of free form factors and non-standardized structures with different geometrical sizes, reaching from a few micrometers up to several millimeters.
Based on the technological benefits printed electronics offers, it provides an interesting counterpart to classical silicon-based electronics, which is usually densely integrated on miniaturized, rigid areas. By utilizing both technologies in a complementary manner, novel systems in the form of hybrid systems can be enabled. Whilst hybrid systems, incorporating passive printed components and electrically conductive wiring concepts, are already commercialized, complex printed systems, which also utilize active components remain rare. To enable more complex (hybrid) systems, various building blocks are required. This includes possibilities for lightweight, printed data storage, the capability to provide sustainable, self-powered printed components and especially circuits for secure, unique identification for holistic printed systems, deployed in the internet of things.
The presented thesis focuses on inkjet-printed electronic devices, circuits and hybrid systems. It investigates solutions for current scientific questions in the area of efficient data storage, sustainable electronics and hardware-based security in printed electronics.
For data storage, an inkjet-printed memristor is developed. The device is fully electrically evaluated with a focus on its data storage capabilities. Furthermore, the printed device is of special interest due to its easy manufacturability and integration capabilities. The experimental analysis reveals that the developed memristor is highly suitable as lightweight non-volatile memory device.
In order to enable sustainable electronic systems, an inkjet-printed full-wave rectifier based on near-zero threshold voltage electrolyte-gated transistors is developed and fully electrically characterized. The circuit is capable for small alternating voltage rectification of low-frequency vibration energy harvesters in the sub-volt region. This provides an important building block in enabling sustainable, self-powered electronic systems. The inkjet-printed full-wave rectifier is evaluated by electrical simulation and experimentally.
To tackle hardware-based security for printed electronics, two implementations for inkjet-printed physically unclonable functions are developed and presented. For unique identification, intrinsic variation in active printed devices are exploited. One implementation is based on a crossbar architecture, incorporating integrable electrolyte-gated transistor cells. The second implementation, the so-called differential circuit physically unclonable function, is based on inverter structures, which provide the basis for unique response generation. Both physically unclonable functions are evaluated using an electrical simulation-based approach and experimentally. The differential circuit approach is furthermore fully integrated within a silicon-based electronic platform environment and serves as intrinsic variation source in a hybrid system. The hybrid system physically unclonable function is fully verified regarding performance metrics and is capable to generate highly unique responses for secure identification.
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.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermüdungs- und Schädigungsverhalten der in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen AlSi7Cu0,5Mg-T7 und AlSi12Cu3Ni2Mg-T7. Im Vergleich zur niederzyklischen sowie thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung führt die zusätzliche Überlagerung hochzyklischer Belastungen zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Frakto- und metallographische Untersuchungen zeigen, dass Rissinitiierung und Lebensdauerverhalten durch Gussdefekte sowie von belastungs- und temperaturabhängigen Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Dazu wird der Schädigungsparameter DTMF,brittle entwickelt, der die charakteristischen Schädigungsmechanismen berücksichtigt. Die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 wird abschließend mit der Finite-Elemente-Methode und mikrostrukturbasierten Zellmodellen untersucht. Mit den Simulationsergebnissen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.