OPUS Online Publikationen der Universität Stuttgart
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A comprehensive model and experimental investigation of venting dynamics and mass loss in lithium-ion batteries under a thermal runaway
No full textThermal runaway (TR) has become a critical safety concern with the widespread use of lithium-ion batteries (LIBs) as an energy storage solution to meet the growing global energy demand. This issue has become a significant barrier to the expansion of LIB technologies. Addressing the urgent need for safer LIBs, this study developed a comprehensive model to simulate TR in cylindrical 18650 nickel cobalt manganese (NMC) LIBs. By incorporating experiments with LG ® -INR18650-MJ1 cells, the model specifically aimed to accurately predict critical TR parameters, including temperature evolution, internal pressure changes, venting phases, and mass loss dynamics. The simulation closely correlated with experimental outcomes, particularly in replicating double venting mechanisms, gas generation, and the characteristics of mass loss observed during TR events. This study confirmed the feasibility of assuming proportional relationships between gas generation and the cell capacity and between the mass loss from solid particle ejection and the total mass loss, thereby simplifying the modeling of both gas generation and mass loss behaviors in LIBs under TR. Conclusively, the findings advanced the understanding of TR mechanisms in LIBs, providing a solid foundation for future research aimed at mitigating risks and promoting the safe integration of LIBs into sustainable energy solutions
Direct electron beam patterning of electro-optically active PEDOT:PSS
No full textThe optical and electronic tunability of the conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) has enabled emerging applications as diverse as bioelectronics, flexible electronics, and micro- and nano-photonics. High-resolution spatial patterning of PEDOT:PSS opens up opportunities for novel active devices in a range of fields. However, typical lithographic processes require tedious indirect patterning and dry etch processes, while solution-processing methods such as ink-jet printing have limited spatial resolution. Here, we report a method for direct write nano-patterning of commercially available PEDOT:PSS through electron-beam induced solubility modulation. The written structures are water stable and maintain the conductivity as well as electrochemical and optical properties of PEDOT:PSS, highlighting the broad utility of our method. We demonstrate the potential of our strategy by preparing prototypical nano-wire structures with feature sizes down to 250 nm, an order of magnitude finer than previously reported direct write methods, opening the possibility of writing chip-scale microelectronic and optical devices. We finally use the high-resolution writing capabilities to fabricate electrically-switchable optical diffraction gratings. We show active switching in this archetypal system with >95 % contrast at CMOS-compatible voltages of +2 V and -3 V, offering a route towards highly-miniaturized dynamic optoelectronic devices.Bundesministerium für Bildung und ForschungEuropean Research CouncilStanford Graduate FellowshipBaden-Württemberg StiftungMinisterium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-WürttembergDepartment of Energy StanfordDeutsche ForschungsgemeinschaftAirforce Office of Sponsored ResearchUniversität Stuttgar
Quantum circuit optimization for circuit cutting
No full textIn this work, we present an optimization framework aimed at reducing the sampling overhead associated with circuit cutting in quantum computing. We design a complete pipeline that integrates circuit rewriting, overhead evaluation via qiskit-addon-cutting, and heuristic search using simulated annealing and genetic algorithms. To enable more efficient circuit representations, we propose six rewriting techniques, including methods that exploit gate commutativity and ZX-Calculusbased transformations. The latter allows flexible rewrites through diagrammatic rules such as simplification, local complementation, and pivoting. Our experimental evaluation on benchmark circuits demonstrates that ZX-based strategies significantly reduce sampling overhead, while pure commutativity-based approaches show limited gains. To improve scalability, we introduce a windowed rewriting approach that targets random circuit sections, offering further performance benefits. Comparative results reveal that simulated annealing consistently finds lower-overhead solutions, whereas the genetic algorithm provides superior runtime performance through parallel evaluation. Our findings highlight the value of structured rewriting and search-based optimization in preparing circuits for circuit cutting.In dieser Arbeit präsentieren wir ein Optimierungsverfahren zur Reduzierung des Sampling Overheads, der beim Circuit Cutting für Quantenschaltkreise ensteht. Wir entwickeln eine vollständigen Prozess, welches das Umschreiben von Quantenschaltkreisen, die Evaluierung des Overheads durch das qiskit-addon-cutting, sowie heuristische Suchverfahren wie Simulated Annealing und genetische Algorithmen integriert. Zur Erzeugung effizienterer Schaltkreisrepräsentationen stellen wir sechs Rewriting-Techniken vor, darunter Methoden, die die Kommutativität von Quantengatter ausnutzen, sowie Transformationen auf Basis des ZX-Calculus. Das ZX-Calculus ermöglicht durch diagrammatische Regeln wie Graphvereinfachung, Local Complementation und Pivoting flexible Umschreibungen von Quantenschaltkreisen. Unsere experimentelle Auswertung an Benchmark-Schaltkreisen zeigt, dass ZX-basierte Strategien den Sampling Overhead deutlich reduzieren, während rein kommutativitätsbasierte Ansätze nur begrenzte Verbesserungen vorweisen. Zur Verbesserung der Skalierbarkeit führen wir einen „Windowed Rewriting“-Ansatz ein, bei dem zufällige Abschnitte des Schaltkreises gezielt umgeschrieben werden, was weitere Optimierungen ermöglicht. Ein Vergleich der Suchverfahren zeigt, dass Simulated Annealing in der Regel Lösungen mit geringerem Overhead findet, während der genetische Algorithmus durch parallele Auswertung eine bessere Laufzeitleistung erzielt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass strukturierte Umschreibungen und suchbasierte Optimierungsverfahren eine effektive Methode zur Vorbereitung von Quantenschaltkreisen auf das Circuit Cutting darstellen
Compressed streaming of sparse images
No full textVirtual reality applications can use Multiplane Images (MPIs) to render their virtual scenes. Scenes rendered like this consist of multiple layers, each containing objects visible at its corresponding depth level. Since many depth layers can exist, the amount of data required to transmit even one frame of such a scene can be enormous. This work evaluates the gains in encoding speed and file size achieved by packing only the occupied regions of the layered sparse image into a virtual image and compressing these virtual image sequences using established video codecs such as H.264 and H.265, VP9, and AV1, with both hardware and software implementations, while maintaining decent visual quality. The different encoders are evaluated regarding their encoding speed, file size, and quality. This research suggests that the H.264 FFmpeg software encoder using a tile size of 64 provides the best trade-off among all assessed metrics
Total synthesis of tosyl‐samroiyotmycin A and its biological profiling
No full textAbstractA total synthesis of the enantiopure syn,syn‐tosyl‐samroiyotmycin A, a C2‐symmetric 20‐membered antimalarial macrodiolide with syn,syn‐configuration of the 8,24‐dihydroxy‐9,25‐dimethyl units and it's enantiopure anti,anti‐derivative is described. The synthesis was accomplished utilizing a linear approach in 7 steps and 3 % overall yield via a sequence of diastereoselective methylation of SuperQuat oxazolidinone auxiliary, cross metathesis and Yamaguchi macrolactonization of fully functionalized seco‐acids. By a similar approach we gained access to several samroiyotmycin analogues and precursors. Antimalarial activity was tested on multi‐resistant (K1) and sensitive (Nf54) P. falciparum strains providing insight into structure activity relationships. Both tosyl‐oxazol unit as well as the syn‐configuration of the two contiguous stereogenic centers turned out to be beneficial for antiplasmodial activity. For instance, syn,syn‐tosyl‐samroiyotmycin A showed 3.4 times higher activities than the “tosyl‐free” natural product.Deutsche ForschungsgemeinschaftMinisterium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-WürttembergFonds der Chemischen Industri
Continuation and optimization of gaits and other non-smooth orbits
No full textGaining insights into locomotion patterns in legged systems has broad implications, from advancing our understanding of animal movement to informing the design and control of prosthetics, exoskeletons, and legged robots. While nature often prioritizes minimizing metabolic cost through the body’s morphology, engineers rely on optimization methods to accomplish similar efficiency. This dissertation presents mathematical tools that bridge these perspectives, systematically exploring the relationship between economical periodic motion patterns (gaits) and a system’s morphology.
A primary focus in this dissertation is the generation of continuous families of gaits, considering that legged systems operate across a wide range of speeds and exhibit various locomotion patterns. A core insight underlying the generation of these gait families is that unactuated (passive) periodic motions in a dynamical system are inherently optimal from an energy perspective. Leveraging this, the dissertation formulates an inverse optimization problem in which passive motions are the globally optimal solutions in an optimal control framework, where the most efficient actuation is no actuation at all. In this context, this dissertation contributes to two key research areas.
The first is the analysis of periodic orbits in conservative hybrid dynamical systems, particularly in unforced systems that conserve energy or other quantities. In such systems, periodic orbits are shown to belong to families parameterized by their conserved quantities. The problem of identifying these motions is formulated as a parameterized root-finding problem, enabling their exploration through numerical continuation methods. Starting from trivial solutions, such as equilibria, families of periodic orbits can be constructed.
The second area of contribution comprises parameterized trajectory optimization problems that may also incorporate passive solutions. To extend the analysis of optimal and passive motions, a model homotopy is introduced to bridge energetically conservative and dissipative dynamics with a homotopy (dissipation) parameter. The first-order necessary conditions for optimality are also framed as a parameterized root-finding problem, allowing the use of continuation methods to generate families of optimal gaits. Crucially, the formulation of optimality conditions involves an infinite-dimensional actuation space, which is tackled using both direct and indirect methods, paired with a shooting approach. Extensions to the indirect method serve as a further contribution to the field of periodic trajectory optimization.
By generating and analyzing families of gaits, this dissertation offers a comprehensive view of energy economy in legged systems. Passive periodic motions are particularly valuable within these families, as they allow for an in-depth study of a system’s inherent dynamics, independent of control influences, thereby revealing how morphology alone shapes gait efficiency.Ein tiefgehendes Verständnis von Bewegungsmustern in Systemen mit Beinen hat weitreichende Implikationen, von der Vertiefung unseres Wissens über Tierbewegungen bis hin zur Entwicklung und Steuerung von Prothesen, Exoskeletten und Laufrobotern.
Während in der Natur die Minimierung des metabolischen Energieaufwands durch die Körpermorphologie im Vordergrund steht, greifen Ingenieure auf Optimierungsmethoden zurück, um eine ähnliche Effizienz zu erreichen.
Diese Dissertation stellt mathematische Werkzeuge vor, die diese beiden Perspektiven verbinden, und untersucht systematisch die Beziehung zwischen ökonomischen periodischen Bewegungsmustern (Gangarten) und der Morphologie eines Systems.
Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Generierung kontinuierlicher Familien von Gangarten, da Laufsysteme in einem breiten Geschwindigkeitsbereich operieren und verschiedene Bewegungsmuster aufweisen.
Eine zentrale Erkenntnis für die Generierung solcher Gangfamilien ist, dass nicht aktuierte (passive) periodische Bewegungen von Natur aus energetisch optimal sind.
Auf dieser Grundlage formuliert die Arbeit ein inverses Problem, bei dem passive Bewegungen als globale Lösungen eines Optimierungsproblems identifiziert werden.
Somit ist die effizienteste Aktuation gerade kein Antrieb - die Bewegung erfolgt passiv.
In diesem Kontext leistet diese Dissertation Beiträge zu zwei zentralen Forschungsbereichen.
Der erste Bereich umfasst die Analyse periodischer Orbits in konservativen hybriden dynamischen Systemen, insbesondere in nicht-aktuierten Systemen, die Energie oder andere Größen erhalten.
In solchen Systemen gehören periodische Orbits zu Familien, die durch ihre Erhaltungsgrößen parametrisiert sind.
Zur Identifikation dieser Orbits wird ein parametrisiertes Nullstellenproblem formuliert, das eine gezielte Exploration mittels numerischer Fortsetzungsmethoden ermöglicht.
Ausgehend von trivialen Lösungen wie Gleichgewichtspunkten können so Familien periodischer Orbits konstruiert werden.
Der zweite Beitrag betrifft parametrisierte Trajektorienoptimierungsprobleme, die ebenfalls passive Lösungen enthalten können. Um die Analyse optimaler und passiver Bewegungen zu erweitern, wird eine Modell-Homotopie eingeführt, welche energetisch konservative und dissipative Dynamiken mit einem Homotopie- (Dissipations-)Parameter verbindet.
Die notwendigen Optimalitätsbedingungen erster Ordnung werden ebenfalls als parametrisiertes Nullstellenproblem formuliert, sodass Fortsetzungsmethoden zur Generierung von Familien optimaler Gangarten genutzt werden können.
Besonders relevant ist dabei, dass die Formulierung der Optimalitätsbedingungen einen unendlich-dimensionalen Aktuationsraum umfasst. Dieses Problem wird mit direkten und indirekten Methoden sowie einem Schießverfahren behandelt. Erweiterungen der indirekten Methode stellen einen weiteren Beitrag zum Bereich der periodischen Trajektorienoptimierung dar.
Durch die Generierung und Analyse von Gangfamilien bietet diese Arbeit einen umfassenden Einblick in die Energieeffizienz von Laufsystemen. Passive periodische Bewegungen sind innerhalb dieser Familien besonders wertvoll, da sie eine tiefgehende Untersuchung der inhärenten Dynamik eines Systems ermöglichen, unabhängig vom Antrieb. Dies zeigt, wie allein die Morphologie die Effizienz der Gangart bestimmt
Wearable-basierte Studie über den Einfluss von Musikalischen Mikropausen auf die Tägliche Stressbewältigung
No full textThis master thesis focuses on the influence of listening to music during Micro-Breaks on stress reduction. The goal was to gain further information regarding effective stress reduction using Micro-Breaks at work. While the existing studies analyzed either the felt stress under normal conditions or the objective stress under clinical conditions, this study collected data (via measurements and questionnaires) for both the felt stress and the objective stress under normal conditions. To collect the measurements and the answers in the questionnaires, an Android app and corresponding Wear OS app were installed on smartphones and Samsung Galaxy Watch4 devices respectively. This study examined the question whether Micro-Breaks with listening to music can reduce the objective stress and the felt stress more than Micro-Breaks without listening to music. The objective stress was examined using the heart rate and the heart rate variability (SDNN and RMSSD). The raw data were checked, filtered (for example to include only cases where there were values for before, after and during the Micro-Break, deleting "0" values) and then analyzed. The questionnaires were analyzed for changes in the felt stress by taking the answers in the questionnaires and comparing them. The results found in this study were that the values of the heart rate variability (both of the RMSSD and of the SDNN) suggested that the stress level increased during Micro-Breaks with listening to music, while the heart rate decreased and thereby indicated a stress reduction. For the Micro-Breaks without listening to music, the heart rate variability suggested that the stress had slightly increased in the case of the SDNN and slightly decreased in the case of the RMSSD, while the increased heart rate suggested that the stress level had increased. As for the felt stress, the values suggested a slightly better stress reduction during the Micro-Breaks with listening to music than during those without listening to music.Der Fokus dieser Masterarbeit liegt auf dem Einfluss des Hörens von Musik während Micro-Breaks auf die Stressreduktion. Ziel war es, weitere Informationen zur effektiven Stressreduktion mithilfe von Micro-Breaks bei der Arbeit zu gewinnen. Während bei den analysierten bestehenden Studien entweder der gefühlte Stress unter Normalbedingungen oder der objektive Stress unter klinischen Bedingungen untersucht wurde, wurden bei dieser Studie (durch Messungen und Fragebogen) sowohl Daten zum gefühlten Stress als auch solche zum objektiven Stress unter Normalbedingungen erhoben. Für die Erhebung der Messungen und der Antworten in den Fragebogen wurden eine Android-App und eine entsprechende Wear OS-App auf Smartphones bzw. Samsung Galaxy Watch4-Geräten installiert. Die Studie ging der Frage nach, ob Micro-Breaks mit Musikhören den objektiven Stress und den gefühlten Stress mehr reduzieren können als Micro-Breaks ohne Musikhören. Der objektive Stress wurde mithilfe der Herzfrequenz und der Herzfrequenzvariabilität (SDNN und RMSSD) untersucht. Die Rohdaten wurden überprüft, gefiltert (z. B., um nur Fälle einzuschließen, in denen Werte für vor, nach und während der Micro-Break vorlagen, und Löschung von "0"-Werten) und anschließend analysiert. Die Fragebogen wurden im Hinblick auf Änderungen in Bezug auf den gefühlten Stress analysiert, indem die Antworten in den Fragebogen miteinander verglichen wurden. Die Studie ergab, dass die Werte für die Herzfrequenzvariabilität (sowohl bei der RMSSD als auch bei der SDNN) darauf hindeuteten, dass das Stresslevel während Micro-Breaks mit Musikhören stieg, während die Herzfrequenz sank und dadurch auf eine Stressreduktion hindeutete. Bei den Micro-Breaks ohne Musikhören deutete die Herzfrequenzvariabilität bei der SDNN auf ein leichtes Steigen und bei der RMSSD auf ein leichtes Sinken des Stresslevels hin, während die gestiegene Herzfrequenz auf ein Steigen des Stresslevels hindeutete. Was den gefühlten Stress betrifft, so deuteten die Werte auf eine leicht bessere Stressreduktion während der Micro-Breaks mit Musikhören als während der ohne Musikhören hin
Alkaline earth metal nitride chalcogenides, Ca6N2Se3, Sr6N2Se3 and Sr6N2Te3
No full textThe novel isotypic hexagonal alkaline earth metal nitride chalcogenides Ca6N2Se3, Sr6N2Se3 and Sr6N2Te3 (Rmathematical equation (No.167); Z=6) were synthesized from Ca(Sr)/Na flux at 1173 K. The compounds belong to the rare class of ternary metal nitride chalcogenides. The structures feature the shortest Ca/Sr-N bonds within the regular trigonal antiprismatic coordination (Ca-N: 235.17(8); Sr-N: 251.20(6) pm). Two crystallographic distinct nitrogen atoms are coordinated in a trigonal antiprism and a twisted trigonal prism, respectively, and are alternatively condensed via trigonal trans-faces to form one-dimensional chains mathematical equation . The chalcogenide ions in comparison realize rather ambiguous environments. Raman spectroscopic data are reportedChina Scholarship CouncilDeutsche ForschungsgemeinschaftProjekt DEA
Crystal structure of (1S,3S,4R,7S)-7-benzyloxy-3-[(1S)-1-hydroxy-lphenylmethyl]-2,5-dioxabicyclo[2.2.1]heptane, C19H20O4
No full textC19H20O4, tetragonal, 143 (No. 80), a = 23.485(2) Å, c = 5.807(1) Å, V = 3202.8 Å3 , Z = 8, Rgt(F) = 0.045, Rw(F2) = 0.106, T = 293 Κ.Volkswagen-Stiftung, Hannove
Integrating curvature into the cost landscape of variational quantum algorithms
No full textVariational Quantum Algorithms (VQAs) are a promising approach to achieve near-term quantum advantage. VQAs provide a hybrid classical and quantum computing approach to solving problems by employing a classical optimizer to train a Parameterized Quantum Circuit (PQC). However, VQAs still face several challenges, including their trainability, efficiency, and accuracy. The trainability, for example, is highly dependent on the structure of the associated cost landscape, which is induced by the cost function of a problem. The optimizer navigates the cost landscape to find local and global optima. A major challenge during optimization is regions in the cost landscape where gradients exponentially vanish. These so-called barren plateaus can be caused by many aspects of a VQA, such as a high degree of entanglement in the training data. To detect such challenging regions, it can be helpful to characterize regions within the cost landscape using roughness metrics such as curvature. This work introduces and implements Total Absolute Scalar Curvature (TASC) for VQA cost functions, which describes the curvature of a region within the cost landscape instead of just at a singular point. We then perform experiments for several different cost landscapes, defined by different training data structures, and evaluate the effectiveness of using TASC to characterize them.Variationelle Quantenalgorithmen (VQAs) sind ein vielversprechender Ansatz, um in naher Zukunft Quantenüberlegenheit zu erreichen. VQAs verbinden klassische und quantenbasierte Komponenten in einem hybriden System. Probleme werden mithilfe eines parametrisierten Quantenschaltkreises gelöst, welcher von einem klassischen Optimierer trainiert wird. Dennoch stehen VQAs vor einigen Herausforderungen, wie ihrer Trainierbarkeit, Effizienz und Genauigkeit. Ihre Trainierbarkeit ist zum Beispiel stark von der Struktur der assoziierten Kostenlandschaft abhängig, welche von der Kostenfunktion eines Problems induziert wird. Der Optimierer navigiert die Kostenlandschaft, um lokale und globale Optima zu finden. Regionen, in welchen die Gradienten der Kostenfunktion exponentiell verschwinden, sind eine signifikante Herausforderung während der Optimierung. Diese so genannten Barren Plateaus können durch viele Aspekte eines VQAs, wie zum Beispiel einem hohen Grad an Verschränkung in den Trainingsdaten, verursacht werden. Um solche schwierigen Regionen zu erkennen, kann es helfen Regionen innerhalb der Kostenlandschaft mithilfe von Metriken, wie der Krümmung, zu charakterisieren. Diese Arbeit stellt die Total Absolute Skalare Krümmung (TASC) für VQA-Kostenfunktionen vor und implementiert sie. TASC beschreibt die Krümmung einer Region der Kostenlandschaft anstatt nur an einem einzelnen Punkt. Anschließend führen wir Experimente für verschiedene Kostenlandschaften durch, welche durch unterschiedliche Struktur der Trainingsdaten definiert sind und bewerten die Effektivität von TASC zur Charakterisierung dieser