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Experimental Investigation into Dynamic and Static Stiffness Relationships in Rubber-Metal Springs
No full textRubber-metal springs are widely utilized in industrial applications, particularly as vibration absorbers, due to their ability to mitigate dynamic loads. The dynamic stiffness of rubber-metal springs plays a crucial role in determining the natural frequency of a system, as natural frequency is directly linked to dynamic stiffness. Therefore, the accurate determination of dynamic stiffness is essential when selecting an appropriate rubber-metal spring for a given application. However, the assessment of dynamic stiffness presents a significant challenge due to the complex interaction between rubber and metal components, particularly when considering the viscoelastic properties of rubber and the geometric properties of the spring. Rubber’s viscoelastic response and how it changes under different strain rates is fundamentally rooted in the micro- and meso-scale configuration of polymer chains, filler particles, and their bonding to metal components. Consequently, dynamic stiffness is often approximated using static stiffness measurements, which simplifies the problem but may lead to inaccuracies in predicting the true dynamic behaviour of the spring. In this paper, we present an experimental method for dynamic stiffness assessment using an electrodynamic shaker, which allows for a more accurate characterization of the spring’s response to dynamic loading. This method is compared to an analytical approach based on static stiffness, highlighting the limitations of the latter approach. Furthermore, we propose an improved range for calculating dynamic stiffness from static stiffness, enhancing the predictive accuracy for dynamic behaviour
Modellbasierte elektronische Regelungseinrichtung zur Lagerung und zum Transport von frischem Obst und Gemüse unter modifizierter O₂- und CO₂-Atmosphäre
No full textEfficient storage and transport of fresh produce are critical for maintaining product quality and minimising postharvest losses across the supply chains. Temperature fluctuations and package/container gas compositions, particularly of oxygen (O2) and carbon dioxide (CO2), can accelerate respiration, leading to spoilage and economic loss. Existing controlled atmosphere systems often rely on gas sensors, complex control units and infrastructure, making them economically unfeasible for low-cost storage or transport applications. Modified Atmosphere (MA) systems, including perforated packages and membrane-based storage boxes, are ineffective under dynamic/variable environmental conditions, such as temperature, O2 and CO2 composition, as they are unable to modify the gas transmission rates or their permeability in real-time. This study addressed this gap through the development and validation of a stand-alone, compact, microcontroller-based gas control system that dynamically regulated dual gases such as O2 and CO2 without the need for gas sensors or external gas cylinders, making it suitable for MA storage and transport of different types of fruit and vegetables. The system includes a miniature air blower and tube for fresh air exchange to regulate O2, a second blower to direct air through a soda-lime reactor within the box for CO2 removal, and a thermistor to monitor the fresh produce temperature. A Teensy microcontroller was used to run a temperature-dependent mathematical model to predict the respiration rate of the stored produce and calculate the required blower ON frequency (BOF) for both O2 and CO2 control. An e-paper display provided real-time updates of temperature, predicted gas concentrations and respiration rate. The research was structured into four hypotheses. The first hypothesis included the development of a mathematical model to predict respiration rates based on dynamic temperature and gas composition. This model integrated the Arrhenius equation to capture the effects of temperature, the Michaelis–Menten kinetics to describe O2 dependence and an uncompetitive inhibition term to test the influence of CO2. The internal gas composition was governed by the mass balance of gases between the fresh produce respiration and the blower airflow. This model enabled the calculation of blower ON time to regulate O₂ concentration in real-time based on fresh produce temperature inside the box. Experimental validation using 25 kg of broccoli in a 190L box demonstrated that the system could maintain O₂ at 3.8 ± 0.29% under fluctuating temperatures (4–23°C) for 8 days, while also preserving product quality with minimal weight loss (<3%) and acceptable color change (ΔE < 5). The second hypothesis focused on evaluating the model’s sensitivity in regulating the O2 concentration. It investigated the effect of variations in key parameters, including product respiration rate, supply chain temperature, gas diffusion rate, product mass and storage volume, on the model’s performance and stability in maintaining O2 within the storage/transport box. Monte Carlo simulations revealed that over 80% of BOF variability was driven by just a few key parameters, particularly product weight and respiration rate. The sensitivity analysis identified the most influential parameters, which affected BOF values, and BOF followed a normal distribution with a mean of 47.84 ± 3.69 seconds, highlighting the need to prioritize these factors. Despite the variability, the system maintained O2 concentration at 3.8 ± 0.29 % and CO2 at 14.4 ± 0.66 % and proved the robustness of the model using the validation experiment, containing a 70-litre box with 16 kg of broccoli. The sensitivity analysis paved the way for the development of a respiration model using minimal-data with only impactful parameters, with fewer experiments for their estimation, to make it easy for practical application in the real-time supply chain. The elevated CO2 concentration observed in the storage box prompted the need to find out the control mechanism for CO2. The third hypothesis involved integrating a CO₂ control strategy using soda-lime in an active adsorption reactor. CO₂ adsorption kinetics were modelled using the Weibull function, with temperature dependence described by the Arrhenius equation. Experiments showed that soda-lime maintained CO₂ levels at 4.3 ± 1.8% in a 70L box containing 16 kg of broccoli, provided relative humidity was maintained above 80%. Moisture availability and temperature were found to significantly influence the reaction rate and adsorption efficiency. The final hypothesis combined O2 and CO2 control in a single system, tested on 30 kg of apples over 21 days under dynamic temperatures (5–23°C). The respiration model with minimal-data approach required only four experiments for parameter estimation and proved effective. The system automatically maintained O2 at 1.9 ± 0.4% and CO2 at 3.0 ± 0.5% without gas sensors and generators, by dynamically adjusting the blower operation. This research offered a scalable, gas sensor-independent, moderately precise MA system for dynamic control of O2 and CO2 for extending produce freshness during storage and transport. The approach can be extended to different commodities by adjusting for respiration parameters and CO₂ sensitivity.Eine effiziente Lagerung und der Transport von frischem Obst und Gemüse sind entscheidend für die Erhaltung der Produktqualität und die Minimierung posternterlicher Verluste entlang der Lieferkette. Temperaturschwankungen sowie die Gaszusammensetzung innerhalb von Verpackungen oder Containern, insbesondere der Sauerstoff- (O2) und Kohlendioxid- (CO2) Gehalt, können die Atmung beschleunigen und dadurch Verderb sowie wirtschaftliche Verluste verursachen. Bestehende kontrollierte Atmosphärensysteme basieren häufig auf Gassensoren, komplexen Steuereinheiten und umfangreicher Infrastruktur, was sie für kostengünstige Lager- oder Transportanwendungen wirtschaftlich unattraktiv macht. Systeme der modifizierten Atmosphäre (MA), wie perforierte Verpackungen oder membranbasierte Lagerboxen, sind unter dynamischen bzw. variablen Umgebungsbedingungen (Temperatur, O2- und CO2-Konzentration) ineffektiv, da sie ihre Gastransmissionsraten oder Permeabilitäten nicht in Echtzeit anpassen können. Diese Studie schließt diese Lücke durch die Entwicklung und Validierung eines autarken, kompakten, mikrocontrollerbasierten Gasregelsystems, das eine dynamische Regelung von zwei Gasen (O2 und CO2) ohne den Einsatz von Gassensoren oder externen Gasflaschen ermöglicht und sich somit für die MA-Lagerung und den Transport verschiedener Obst- und Gemüsearten eignet. Das System umfasst einen Miniatur-Luftgebläse mit Schlauch zur Frischluftzufuhr zur O2-Regelung, ein zweites Gebläse zur Führung der Luft durch einen Soda-Lime-Reaktor innerhalb der Box zur CO₂-Entfernung sowie einen Thermistor zur Überwachung der Produkttemperatur. Ein Teensy-Mikrocontroller führte ein temperaturabhängiges mathematisches Modell aus, um die Atmungsrate der gelagerten Produkte vorherzusagen und die erforderliche Einschaltfrequenz der Gebläse (Blower ON Frequency, BOF) für die Regelung von O2 und CO2 zu berechnen. Ein E-Paper-Display stellte Echtzeitinformationen zu Temperatur, vorhergesagten Gaskonzentrationen und Atmungsrate dar. Die Forschung wurde anhand von vier Hypothesen strukturiert. Die erste Hypothese umfasste die Entwicklung eines mathematischen Modells zur Vorhersage der Atmungsrate in Abhängigkeit von dynamischer Temperatur und Gaszusammensetzung. Das Modell integrierte die Arrhenius-Gleichung zur Beschreibung des Temperatureinflusses, die Michaelis-Menten-Kinetik zur Darstellung der O2-Abhängigkeit sowie einen unkompetitiven Inhibitionsterm zur Untersuchung des CO2-Einflusses. Die interne Gaszusammensetzung wurde durch eine Massenbilanz zwischen der Atmung des Frischprodukts und dem Luftstrom der Gebläse beschrieben. Dieses Modell ermöglichte die Echtzeitberechnung der Gebläse-Einschaltzeit zur Regelung der O2-Konzentration basierend auf der Produkttemperatur innerhalb der Box. Experimentelle Validierungen mit 25 kg Brokkoli in einer 190-Liter-Box zeigten, dass das System über acht Tage hinweg unter schwankenden Temperaturen (4–23 °C) eine O₂-Konzentration von 3,8 ± 0,29 % aufrechterhalten konnte, während gleichzeitig die Produktqualität mit minimalem Gewichtsverlust (< 3 %) und akzeptabler Farbänderung (ΔE < 5) erhalten blieb. Die zweite Hypothese konzentrierte sich auf die Bewertung der Sensitivität des Modells bei der Regelung der O2-Konzentration. Untersucht wurden die Auswirkungen von Variationen zentraler Parameter, darunter Atmungsrate des Produkts, Temperaturbedingungen in der Lieferkette, Gasdiffusionsrate, Produktmasse und Lagervolumen, auf die Modellleistung und Stabilität. Monte-Carlo-Simulationen zeigten, dass über 80 % der BOF-Variabilität von wenigen Schlüsselfaktoren, insbesondere Produktgewicht und Atmungsrate, bestimmt wurden. Die Sensitivitätsanalyse identifizierte die einflussreichsten Parameter, welche die BOF-Werte beeinflussten, wobei die BOF einer Normalverteilung mit einem Mittelwert von 47,84 ± 3,69 s folgte. Trotz dieser Variabilität konnte das System die O2-Konzentration bei 3,8 ± 0,29 % und die CO2-Konzentration bei 14,4 ± 0,66 % stabil halten. Die Robustheit des Modells wurde zusätzlich durch ein Validierungsexperiment mit einer 70-Liter-Box und 16 kg Brokkoli bestätigt. Die Sensitivitätsanalyse ebnete den Weg für die Entwicklung eines Minimaldaten-Atmungsmodells, das nur die einflussreichsten Parameter erfordert und mit wenigen Experimenten parametrisiert werden kann, wodurch eine praktische Anwendung in Echtzeit-Lieferketten erleichtert wird. Die beobachteten erhöhten CO2-Konzentrationen in der Lagerbox machten die Entwicklung eines gezielten CO2-Regelmechanismus erforderlich. Die dritte Hypothese befasste sich mit der Integration einer CO2-Kontrollstrategie mittels Soda-Lime in einem aktiven Adsorptionsreaktor. Die CO2-Adsorptionskinetik wurde mithilfe der Weibull-Funktion modelliert, wobei die Temperaturabhängigkeit durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben wurde. Die Experimente zeigten, dass Soda-Lime bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 80 % die CO2-Konzentration in einer 70-Liter-Box mit 16 kg Brokkoli bei 4,3 ± 1,8 % halten konnte. Die Verfügbarkeit von Feuchtigkeit und die Temperatur erwiesen sich als entscheidende Faktoren für die Reaktionsgeschwindigkeit und die Adsorptionseffizienz. Die vierte Hypothese kombinierte die O2- und CO2- Regelung in einem einzigen System und wurde mit 30 kg Äpfeln über einen Zeitraum von 21 Tagen unter dynamischen Temperaturen (5–23 °C) getestet. Diese Arbeit stellt ein skalierbares, gassensorunabhängiges und moderat präzises MA-System zur dynamischen Regelung von O2 und CO2 dar, das zur Verlängerung der Frische von Produkten während Lagerung und Transport beiträgt. Der Ansatz kann durch Anpassung der Atmungsparameter und der CO2 Empfindlichkeit auf verschiedene Agrarprodukte übertragen werden
Internationaler Handel und Klimapolitik: die Rolle von Firmen-Heterogenität
No full textEffective policies to reduce greenhouse gas emissions are indispensable to combat climate change. As a substantial share of emissions is embodied in internationally traded goods, climate policy and trade are closely intertwined. This dissertation leverages firm-level data and general equilibrium modeling to generate novel insights into this relationship. The four original research articles of this dissertation are categorized into two parts. The first part focuses on micro-level evidence. Chapter 2 highlights the relevance of accounting for emissions embodied in domestically and internationally sourced intermediate inputs at the firm-level, specifically when comparing the emission intensities of exporting to non-exporting firms. It further shows how the interdependency between exporting and international sourcing shapes firm-level emission intensities. Chapter 3 provides empirical evidence on how cost compensation for firms exposed to carbon pricing affects their competitiveness and incentives to reduce emissions. The second part turns to the aggregate, general equilibrium consequences of carbon pricing and trade liberalization. While adopting a macro perspective, it emphasizes how microlevel firm heterogeneity shapes aggregate outcomes. Chapter 4 analyzes the impact of carbon pricing and accompanying tools to protect exposed firms on real income and global emissions. Chapter 5 studies the effect of trade liberalization on global emissions and how different approaches to modeling firm heterogeneity affect this result.Zur Bekämpfung des Klimawandels sind ambitionierte Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen unerlässlich. Da ein erheblicher Teil dieser Emissionen in international gehandelten Gütern enthalten ist, sind Klimapolitik und internationaler Handel eng miteinander verknüpft. Diese Dissertation nutzt Firmendaten und allgemeine Gleichgewichtsmodelle, um neue Erkenntnisse über diese Beziehung zu gewinnen. Der erste Teil zeigt Evidenz auf der Mikroebene. Kapitel 2 demonstriert die Relevanz Emissionen aus inländisch und international bezogenen Vorleistungen bei der Messung von firmenspezifischen Emissionsintensitäten zu berücksichtigen – insbesondere beim Vergleich von exportierenden und nicht-exportierenden Unternehmen. Zudem wird aufgezeigt, wie die Wechselwirkung zwischen Exporttätigkeit und internationaler Beschaffung die Emissionsintensität von Firmen beeinflusst. Kapitel 3 liefert empirische Evidenz dazu, wie sich Ausgleichszahlungen für Unternehmen, die der CO2-Bepreisung unterliegen, auf deren Wettbewerbsfähigkeit und Anreize zur Emissionsreduktion auswirken. Der zweite Teil untersucht die gesamtwirtschaftlichen Gleichgewichtswirkungen von CO2-Bepreisung und Handelsliberalisierung. Trotz makroökonomischer Perspektive steht weiterhin die Rolle der firmenspezifischen Heterogenität im Fokus. Kapitel 4 analysiert die Auswirkungen von CO2-Bepreisung sowie begleitender Schutzmaßnahmen für betroffene Unternehmen auf das Realeinkommen und die globalen Emissionen. Kapitel 5 untersucht den Effekt von Handelsliberalisierung auf weltweite Emissionen und wie unterschiedliche Modellierungen von Unternehmensheterogenität diese Ergebnisse beeinflussen
Femonationalism, gendered anti-Muslim racism and reproductive anxiety: Perspectives from the United Kingdom and Germany
No full textFocussing on two different Western European nation states, the United Kingdom and Germany, we explore the apparent paradox of liberal feminist support for right-wing and authoritarian populist parties. First, we explore the wider political context of anti-migrant and anti-Muslim neo-nationalist discourse within which this paradox occurs. Second, while critical scholarship has often focused on far-right ‘populism’, this obscures the role that centre-right and left-wing political discourses play in fostering and normalising anti-Muslim racism and gendered Islamophobia specifically. Finally, through exploring media and political discourses, we examine how narratives of integration are explicitly linked to reproductive anxieties. We argue that contemporary gendered nationalist discourses are interwoven with these narratives of reproductive anxiety and whiteness, and they span the political spectrum. Through exploring the nation as an ethnicised project where women play a central role in its biological, cultural, and symbolic reproduction, the convergence of some strands of liberal feminism with far-right politics become less paradoxical than it would initially appear
SVN-ICP: Uncertainty estimation of ICP-based LiDAR odometry using Stein Variational Newton
No full textThis letter introduces SVN-ICP, a novel Iterative Closest Point (ICP) algorithm with uncertainty estimation that leverages Stein Variational Newton (SVN) on manifold. Designed specifically for fusing LiDAR odometry in multisensor systems, the proposed method ensures accurate pose estimation and consistent noise parameter inference, even in LiDAR-degraded environments. By approximating the posterior distribution using particles within the Stein Variational Inference framework, SVN-ICP eliminates the need for explicit noise modeling or manual parameter tuning. To evaluate its effectiveness, we integrate SVN-ICP into a simple error-state Kalman filter alongside an IMU and test it across multiple datasets spanning diverse environments and robot types. Extensive experimental results demonstrate that our approach outperforms best-in-class methods on challenging scenarios while providing reliable uncertainty estimates. We release our code at https://github.com/LIS-TU-Berlin/SVN-ICP.git. A high-resolution video demonstration is available at https://youtu.be/c4QsMd1weik.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Optimal form of time-local non-Lindblad master equations
No full textTime-local quantum master equations that describe open quantum systems beyond the limit of ultraweak system-bath coupling are often not of Gorini-Kossakowski-Sudarshan-Lindblad (GKSL) form. Prominent examples are the Redfield equation approximating general open quantum systems and the Hu-Paz-Zhang equation precisely describing a damped harmonic oscillator. In this study, we demonstrate that not only the former but also the latter can be brought to pseudo-Lindblad form. This form features a dissipator resembling that of a GKSL equation, with the distinction that some of the terms have negative weights. Moreover, we systematically investigate transformations that leave the dissipator of pseudo-Lindblad equations unchanged, while changing the relative weight between its positive and negative terms. These can be used to minimize the weights of the negative terms, which is optimal both for the convergence of a recently developed quantum-trajectory unraveling of pseudo-Lindblad equations and the truncation of the negative terms to obtain a GKSL equation.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 277974659, FOR 2414: Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold AtomsDFG, 521530974, FOR 5688: Driven-dissipative many-body systems of ultracold atom
Development of an automated high-throughput screening platform for the dynamic phase separation analysis of microemulsion systems with AI image recognition
No full textIncreasing efforts are undertaken to develop new sustainable production processes, and homogeneous catalysis offers many advantages regarding selectivity and energy efficiency in new chemical production routes. A major factor often limiting the application of homogeneous catalysis is the retention of valuable catalysts. One promising option to introduce superior reaction performance and catalyst recovery in organic reactions is the use of water-soluble catalysts in aqueous reaction media with surfactants. However, these surfactant-based microemulsion systems (MES) exhibit a complex phase separation behavior that is dependent on various parameters such as temperature and component concentrations, while its prediction is currently not possible due to the complex thermodynamics. The characterization of the phase behavior hence requires extensive and time-consuming experimental investigation due to a lack of fundamental modeling approaches. To facilitate the acquisition of experimental data, this contribution presents the development of a high-throughput screening platform for dynamic phase separation analysis with an automated experimental procedure, AI analysis of separation images, and automated result data handling. The platform enables a fast characterization of MES separation behavior, which is required for process development and operation. The functionalities of the screening platform are demonstrated in a case study for the hydroformylation of decene. The image detection is performed with a Mask R-CNN model achieving a ±1.5% accuracy in phase height detection with a classification confidence threshold of 96%. The new setup enables a fast evaluation of over 722 measurement runs each with a different combination of separation temperature and mixture composition that only required at total of 38 manual dosing steps. The gathered data is also used to derive a correlation for a soft-sensor with interpretable machine learning, enabling online insights into otherwise inaccessible process variables in an MES plant and enabling its operability.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 56091768, TRR 63: Integrated Chemical Processes in Liquid Multiphase System
On the discourse surrounding cyclists killed in Berlin (2016 – 2021)
No full textIn dieser Arbeit wird der mediale Diskurs über tödliche Kollisionen mit Radfahrer*innen in Berlin im Zeitraum von 2016 bis 2021 untersucht. Im Mittelpunkt steht die Frage, welche diskursiven Muster sich in der sprachlichen Darstellung dieser Ereignisse finden lassen und wie durch diese Diskurse gesellschaftliche und politische Verantwortlichkeiten (nicht) verhandelt werden.
Die theoretische Grundlage bildet die Diskurstheorie nach Hajer (1995), ergänzt um Konzepte der Institutionalisierungsarbeit von Lawrence und Suddaby (2006). Für die empirische Analyse wurden Artikel aus fünf Berliner Tageszeitungen, Polizeimeldungen sowie Pressemitteilungen eines Vereins (Changing Cities) untersucht. Rekonstruiert wird, wie Diskurskoalitionen durch spezifische sprachliche Routinen und Praktiken reproduziert werden und welche diskursiven Verschiebungen sich im Untersuchungszeitraum abzeichnen. Den zeitlichen Hintergrund beschreibt hierbei die Entstehung des deutschlandweit ersten Mobilitätsgesetzes, welches aus einem besonderen zivilgesellschaftlichen Engagement heraus entstand.
Es können zwei relevante Diskurskoalitionen beschrieben werden. Die Diskurskoalition Schicksal rahmt tödliche Kollisionen als tragische, schicksalhafte Einzelereignisse. In entsprechenden medialen und institutionellen Praktiken – insbesondere in Polizeimeldungen – werden Kollisionen vereinzelt dargestellt, ohne strukturelle Ursachen (wie mangelhafte Infrastruktur oder politische Versäumnisse) zu thematisieren. Alle Beteiligten erscheinen als Betroffene; Verantwortlichkeiten werden nicht benannt.
Die Diskurskoalition Verantwortlichkeit hingegen stellt tödliche Kollisionen als vermeidbare Konsequenzen struktureller Mängel dar. Politische Akteur*innen und planerische Entscheidungen werden explizit adressiert. Eine zentrale Rolle spielen hier zivilgesellschaftliche Pressemitteilungen und Mahnwachen, die unmittelbar nach Kollisionen veröffentlicht bzw. organisiert werden. Diese Praktiken bringen neue Argumentationsstrategien in den Diskurs ein – etwa durch die Humanisierung der Getöteten, durch das Sichtbarmachen institutioneller Verantwortlichkeiten sowie durch das Einfordern konkreter Maßnahmen zur Verkehrssicherheit.
Es wird aufgezeigt, wie über Sprache und Kommunikationspraktiken gesellschaftliche Verantwortlichkeiten verteilt, verschleiert oder eingefordert werden, mit dem Ziel, hier eine Veränderung herbeizuführen, die nicht länger weniger als die Einhaltung der Vision Zero (keine Schwerverletzten oder Getöteten) akzeptiert. Damit leistet die Dissertation einen Beitrag zur Diskursforschung im Kontext von Mobilität, Stadtpolitik und Verkehrssicherheit.This thesis examines media discourse on fatal collisions involving cyclists in Berlin between 2016 and 2021. It focuses on the question of what discursive patterns can be found in the linguistic representation of these events and how social and political responsibilities are (not) negotiated through these discourses.
The theoretical basis is provided by Hajer's discourse theory (1995), supplemented by concepts of institutionalization work by Lawrence and Suddaby (2006). For the empirical analysis, articles from five Berlin daily newspapers, police reports, and press releases from an association (Changing Cities) were examined. The study reconstructs how both discourse coalitions are reproduced through specific linguistic routines and practices and what discursive shifts emerge during the period under investigation. The temporal background is described by the emergence of Germany's first mobility law, which arose from a special civil society commitment.
Two relevant discourse coalitions can be described. The discourse coalition of fate frames fatal collisions as tragic, fateful individual events. In corresponding media and institutional practices – especially in police reports – collisions are presented as isolated incidents without addressing structural causes (such as inadequate infrastructure or political failures). All those involved appear as victims; responsibilities are not named.
The discourse coalition of responsibility, on the other hand, presents fatal collisions as avoidable consequences of structural deficiencies. Political actors and planning decisions are explicitly addressed. Civil society press releases and vigils, which are published or organized immediately after collisions, play a central role here. These practices introduce new argumentation strategies into the discourse – for example, by humanizing the victims, making institutional responsibilities visible, and demanding concrete measures for traffic safety.
It shows how social responsibilities are distributed, concealed, or demanded through language and communication practices, with the aim of bringing about change that no longer accepts anything less than compliance with Vision Zero (no serious injuries or fatalities). The dissertation thus contributes to discourse research in the context of mobility, urban policy, and road safety.BMFTR, 01UU1902A, Die Verkehrswende als sozial-ökologisches Realexperimen
Degradationsmodi der Oberseitenkontaktierung von SiC-Leistungshalbleitern
No full textIs version of: Sankari, R. (2025): Degradationsmodi der Oberseitenkontaktierung von SiC-Leistungshalbleitern. Technische Universität Berlin. DOI: 10.14279/depositonce-24576This dissertation investigates the reliability of assembly and interconnection technologies in silicon carbide power modules, specifically focusing on top-side interconnections using aluminum and copper bond wires. Driven by the increasing demand for robust and high-performance silicon carbide modules for applications in electric mobility and power electronics requiring high power densities, switching frequencies, and operating temperatures, two module types—aluminum modules (aluminum bond wires, aluminum metallization) and copper modules (copper bond wires, copper metallization)—were designed, fabricated, and tested using active power cycling. Modules were subjected to varying temperature cycles (110 - 170 Kelvin) under two environmental conditions: uncapped and nitrogen flooded, to assess the impact of oxidation on reliability. Experimental lifetime data were compared with established lifetime models (CIPS 08, SKiM 63) and literature data. Finite element method simulations complemented the experimental analysis to investigate stress and strain distribution in the bond interconnections and to better understand degradation mechanisms.
In the Al module, thermomechanical stresses led to bond wire lift-off, with cracks starting at the bond foot and spreading along the bond interface due to the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between aluminum and SiC. Microscopic analyses showed recrystallization and grain coarsening, which weakened the material strength.
In the Cu modules, the increase in thermal resistance led to the degradation of the Ag-sinter die-attach connection. Oxidation in non-encapsulated modules promoted brittle crack formation, while nitrogen-flooded modules exhibited longer lifetimes. Oxidation in non-encapsulated Cu modules caused brittle, vertical cracks in the Cu metallization, extending close to the SiC semiconductor structures. Compared to the Al module, this is a new failure mechanism.
In nitrogen-flooded Cu modules with minimal oxidation, a horizontal crack formed below the bond interface in the Cu metallization. Prolonged APC stress may lead to delamination of the metallization from the bond, which also degrades heat dissipation and represents a failure mechanism similar to that observed in the Al module.
Finite element method simulations corroborated the experimental findings, showing that the highest plastic strains occur in the aluminum bond feet and the copper bond wire foot near the metallization interface. For both aluminum and copper, thinner bond wires and thicker metallizations resulted in reduced plastic strain and thus increased lifetime. The simulations underscore the importance of optimized assembly and interconnection technologies design, particularly metallization thickness, for the reliability of silicon carbide power modules.
This work elucidates the influence of material, oxidation, and metallization thickness on the lifetime of bond interconnections in silicon carbide power modules, providing insights for the development of highly reliable assembly and interconnection technologies concepts. Copper proves to be a promising bond wire material for silicon carbide chips. Future research should focus on optimizing copper metallization, the influence of encapsulation materials, investigating the impact of aging and humidity under realistic operating conditions, and refining simulation models to improve lifetime predictions and understanding of the complex failure mechanisms.Diese Dissertation untersucht die Zuverlässigkeit von Aufbau- und Verbindungstechniken in Siliziumkarbid (SiC)-Leistungsmodulen, insbesondere die Oberseitenkontaktierung mit Aluminium- und Kupfer-Bonddrähten. Motiviert durch den steigenden Bedarf an robusten und leistungsfähigen SiC-Modulen für Anwendungen in der Elektromobilität und Leistungselektronik, die hohe Leistungsdichten, Schaltfrequenzen und Betriebstemperaturen erfordern, wurden zwei Modultypen konzipiert, aufgebaut und mit Hilfe von Active Power Cycling erprobt: ein Aluminium-Modul (Aluminium-Bonddrähte, Aluminium-Metallisierung des SiC-Halbleiters) und ein Kupfer-Modul (Kupfer-Bonddrähte, Kupfer-Metallisierung des SiC-Halbleiters). Die Module wurden unter variierenden Temperaturhüben (110 - 170 K) und zwei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen – unverkapselt oder mit Stickstoff geflutet – getestet, um den Einfluss der Oxidation auf die Zuverlässigkeit zu untersuchen. Die experimentell ermittelten Lebensdauerdaten wurden mit etablierten Lebensdauermodellen (CIPS 08, SKiM 63) und Literaturdaten verglichen. Finite-Elemente-Simulationen ergänzten die experimentelle Analyse, um die Spannungs- und Dehnungsverteilung in den Bondverbindungen zu untersuchen und die Degradationsmechanismen besser zu verstehen. Beim Al-Modul führten thermomechanische Spannungen zum Bonddraht-Lift-off, wobei Risse am Bondfuß begannen und sich entlang des Bondinterfaces ausbreiteten, aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)-Mismatchs zwischen Aluminium und SiC. Mikroskopische Analysen zeigten Rekristallisation und Kornvergröberung, die die Materialfestigkeit schwächten. Bei den Cu-Modulen führte der Anstieg des thermischen Widerstands zur Degradation der Ag-Sinter-Die-Attach-Verbindung. Oxidation in unverkapselten Modulen förderte spröde Rissbildung, während stickstoffgeflutete Module eine längere Lebensdauer aufwiesen. Oxidation in unverkapselten Cu-Modulen verursachte spröde, vertikale Risse in der Cu-Metallisierung, die sich bis in die Nähe der SiC-Halbleiterstrukturen erstreckten. Im Vergleich zum Al-Modul ist dies ein neuer Versagensmechanismus. Bei stickstoffgefluteten Cu-Modulen mit minimaler Oxidation bildete sich ein horizontaler Riss unterhalb des Bondinterfaces in der Cu-Metallisierung. Längere APC-Belastung könnte zur Delamination der Metallisierung mit Bond führen, was ebenfalls die Wärmeableitung verschlechtert und einen ähnlichen Versagensmechanismus wie beim Al-Modul darstellt. Die Finite-Elemente-Simulationen bestätigten die experimentellen Befunde und zeigten, dass die höchsten plastischen Dehnungen in den Al-Bondfüßen bzw. im Cu-Bonddrahtfuß nahe der Grenzfläche zur Metallisierung auftreten. Sowohl bei Aluminium als auch bei Kupfer führen dünnere Bonddrähte und dickere Metallisierungen zu reduzierten plastischen Dehnungen und somit zu einer gesteigerten Lebensdauer. Die Simulationen unterstreichen die Bedeutung einer optimierten Aufbau- und Verbindungstechnik-Gestaltung, insbesondere der Metallisierungsdicke, für die Zuverlässigkeit von SiC-Leistungsmodulen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den Einfluss von Material, Oxidation und Metallisierungsdicke auf die Lebensdauer von Bondverbindungen in SiC-Leistungsmodulen und liefern Erkenntnisse für die Entwicklung hochzuverlässiger Aufbau- und Verbindungstechnik-Konzepte. Kupfer erweist sich als vielversprechendes Bonddrahtmaterial für SiC-Chips. Zukünftige Forschung sollte die Optimierung der Kupfer-Metallisierung, den Einfluss der Verkapselungsmaterialien, die Untersuchung des Einflusses von Alterung und Feuchte unter produktnahen Betriebsbedingungen sowie die Verfeinerung der Simulationsmodelle fokussieren, um die Lebensdauerprognosen zu verbessern und das Verständnis der komplexen Ausfallmechanismen zu vertiefen
Zukünftige Energiesysteme mit batterieelektrischen Fahrzeugen: Bewertung der Auswirkungen, Evaluierung von Modellen
No full textPower systems, the backbone of future low-carbon energy systems, must take up two challenges. For one, integrate increasing amounts of variable renewable energy sources. For two, supply a growing overall demand, driven by the electrification of end-use sectors. This dissertation uses modeling and statistical methods to advance our understanding of the interplay between power systems based on variable renewable energy sources and battery electric vehicles. It conducts both policy-oriented impact assessments and model evaluations and enhancements.
The general introduction motivates why interactions between battery electric vehicles and future power systems are intricate, how modeling methods can help and which challenges they face. Chapter 1 systematically assesses the power sector impacts of combining different shares of uncontrolled, smart and bidirectional charging within a car fleet. Additionally, it analyses distributional consequences for various groups of electricity consumers. Chapter 2 quantifies how much switching from private to shared electric vehicles affects the power sector and examines whether electric shared cars hinder the integration of variable renewable energy sources. Chapter 3 undertakes an evaluation of the modeling approach used in the two previous chapters. More specifically, it focuses on the trade-off that power sector modelers face between the degree of accuracy in representing battery electric vehicles and the time required to run their models. Chapter 4 also takes a modeling perspective and assesses how the absence of explicit representation of prosumers, households who both produce and consume electricity, might bias results in power sector models. Model enhancements are developed and their relevance demonstrated in various settings, in particular for prosumer households with battery electric vehicles.
This dissertation shows that the composition of electric car fleets impacts future power systems: moderate shares of bidirectional charging can bring many benefits; shared electric cars can align well with variable renewable energy sources, albeit slightly less effectively than their private counterparts. Furthermore, it stresses the importance to continuously assess and develop power sector models, as the ongoing energy transition facilitates the emergence of new technologies and behaviors. In particular, modelers should strive to include a stylized representation of prosumers and a sufficiently detailed representation of battery electric vehicles.Das Stromsystem bildet das Rückgrat zukünftiger klimafreundlicher Energiesysteme und steht vor zwei Herausforderungen. Einerseits muss es zunehmend fluktuierende erneuerbare Energiequellen integrieren, andererseits muss es die wachsende Nachfrage decken, die durch die Elektrifizierung der Endverbraucher entsteht. In der vorliegenden Arbeit soll das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Stromsystemen auf Basis fluktuierender erneuerbarer Energiequellen und batterieelektrischen Fahrzeugen erweitert und vertieft werden. Dabei werden Modellierungs- und statistische Methoden eingesetzt. In diesem Kontext werden sowohl politikorientierte Folgenabschätzungen als auch Modellbewertungen und -verbesserungen durchgeführt.
In der Einführung wird erläutert, warum die Wechselwirkungen zwischen batterieelektrischen Fahrzeugen und dem zukünftigen Stromsystem komplex sind, wie Modellierungen dabei helfen können, diese Wechselwirkungen zu beschreiben, und welche Herausforderungen sich dadurch ergeben. In Kapitel 1 werden die Auswirkungen auf den Stromsektor untersucht, die sich aus der Kombination unterschiedlicher Anteile unkontrollierter, intelligenter und bidirektionaler Ladestrategien innerhalb einer Fahrzeugflotte ergeben. Darüber hinaus werden die Verteilungswirkungen für verschiedene Gruppen von Stromverbrauchern analysiert. In Kapitel 2 wird quantifiziert, wie sich die Umstellung von einer privaten Nutzung von Elektrofahrzeugen auf Carsharing auf den Stromsektor auswirkt. Zudem wird untersucht, ob Carsharing die Integration fluktuierender erneuerbarer Energiequellen behindert. Kapitel 3 enthält eine Bewertung des in den beiden vorangegangenen Kapiteln verwendeten Modellierungsansatzes. Konkret wird die Abwägung diskutiert, die man zwischen der Genauigkeit der Modellierung batterieelektrischer Fahrzeuge und der Zeit, die für die Lösung solcher Stromsektormodelle erforderlich ist, eingehen muss. In Kapitel 4 wird ebenfalls eine Modellierungsperspektive eingenommen und bewertet, inwiefern das Fehlen einer expliziten Darstellung von Prosumenten – also Haushalten, die sowohl Strom produzieren als auch konsumieren – die Ergebnisse in Modellen für den Stromsektor verzerren könnte. Es werden Modellverbesserungen entwickelt und deren Relevanz in verschiedenen Kontexten, insbesondere für Prosumentenhaushalte mit batterieelektrischen Fahrzeugen, aufgezeigt.
In dieser Dissertation wird gezeigt, dass die Zusammensetzung von Elektroautoflotten Auswirkungen auf zukünftige Stromsysteme hat: Ein moderater Anteil an bidirektionalem Laden kann viele Vorteile mit sich bringen; Carsharing lässt sich gut mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen in Einklang bringen, wenn auch etwas weniger effektiv als die private Nutzung. Außerdem wird hervorgehoben, dass es wichtig ist, Modelle für den Stromsektor kontinuierlich zu überprüfen und weiterzuentwickeln, denn die Energiewende geht mit einer Entstehung neuer Technologien und Verhaltensweisen einher. Insbesondere sollten Stromsektormodelle eine stilisierte Darstellung von Prosumenten sowie eine ausreichend detaillierte Darstellung von batterieelektrischen Fahrzeugen einbeziehen