Clausthal University of Technology
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Application of the Engineered Artificial Mineral approach to the pyrometallurgical recycling of lithium-ion batteries
Full text linkDie Rückgewinnung von kritischen Elementen aus dem Abfallstrom gewinnt in der heutigen Gesellschaft immer mehr an Bedeutung, mit dem Ziel der Erzeugung einer unabhängigen, sekundären Rohstoffquelle. Ein vielversprechender Ansatzpunkt für die Rückgewinnung von Lithium ist die pyrometallurgische Verarbeitung von gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien. Im Zuge dieses Verfahrens ist es bereits möglich andere Wertstoffe wie Cobalt, Nickel oder Kupfer effizient zurückzugewinnen, jedoch geht Lithium hauptsächlich in die dabei anfallende Schlacke. Voruntersuchungen haben zwar gezeigt, dass in diesen Schlacken Lithium mit Aluminium primär zu Lithiumaluminat (LiAlO2) reagiert und erfolgreich zurückgewonnen werden kann, jedoch die Bildung dieser Phasen durch mangan- und aluminiumreiche Spinelle gestört wird. In dieser Arbeit wird der „Engineered Artificial Minerals“-Ansatz (EnAM) eingesetzt, um potenzielle Lösungsstrategien für die Rückgewinnung von Lithium zu entwickeln. Diese Methode befasst sich mit der Optimierung eines Phasensystems, indem die Zielelemente möglichst vollständig in einer, für die Rückgewinnung geeigneten, chemisch einfachen Verbindung angereichert werden. Dafür wird gezielt das Kristallisationsverhalten lithiumreicher Phasen in synthetisch hergestellten Schlacken untersucht, um die Anreicherungsprozesse dieser Verbindungen bei der Verfestigung zu optimieren beziehungsweise Faktoren, welche die Bildung dieser Verbindungen stören, entgegenwirkenden. Dazu müssen zunächst lithiumreiche Phasen (EnAM’s) mit idealen Eigenschaften für eine effiziente Rückgewinnung identifiziert werden, wie unter anderem eine hohe Anreicherungseffizienz des Zielelementes. Durch die Veränderung von Parametern (Atmosphäre, Chemismus) soll die Bildung der lithiumreichen Phase unterstützt werden, um einen Einbau von Lithium in andere Phasen zu vermeiden und somit die spätere Rückgewinnung zu maximieren. Die untersuchten synthetischen Schlacken wurden durch eine abgeänderte Anwendung des Sol-Gel-Prozesses hergestellt, mit dem Ziel einen homogenen, multielementaren Ausgangsstoff für die Aufschmelzversuche zu produzieren. Neben röntgenbasierten Verfahren wurden auch spektroskopische Verfahren für die mineralogische Charakterisierung der hergestellten Schlacken eingesetzt. Die erzeugten Schlacken verdeutlichen, dass basierend auf der Manganspezies (Mn2+ bis Mn4+) die Auskristallisationsreihenfolge der Phasen bestimmt wird. Trotz veränderter Parameter konnte das Auskristallisieren von Lithiummanganaten neben einem manganreichen Spinell (Hausmannit) in einer Calcium-silikatischen Matrix beobachtet werden. Dabei ist LiMnO2 (Mn3+) in allen Schlacken auskristallisiert, eine Phase, welche bereits als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt wird („Lithium-Mangandioxid-Zelle“). Zusätzlich konnte durch die Verwendung von reinem Sauerstoff während des Schmelzexperiments und dem geringen Zusatz von Magnesium die Bildung von Li2MnO3 (Mn4+) beobachtet werden. Hinderlich ist jedoch die Bildung von unterschiedlichen Mengen an zweiwertigem Mangan in allen Experimenten, wodurch einerseits bis zu drei unterschiedliche Manganspezies auftreten (Mn2+ bis Mn4+) und anderseits manganreiche Spinelle auskristallisiert sind. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen wird veranschaulicht, dass das gezielte Züchten von Lithiummanganat Kristallen einen Ansatz liefert, Lithium aus den anfallenden Schlacken der pyrometallurgischen Verarbeitung zurückzugewinnen. Dennoch muss zuerst das redoxsensitive Verhalten von Mangan besser verstanden werden, um das Auskristallisieren dieser Lithiummanganate zu maximieren.The recovery of critical elements from the waste stream is becoming increasingly important in today's society to create an independent secondary source of raw materials. A promising starting point for lithium recovery is the pyrometallurgical processing of spent lithium-ion batteries. While this process can efficiently recover other valuable materials such as cobalt, nickel or copper, lithium is lost in the resulting slag. Preliminary studies have shown that the lithium in these slags primarily reacts with aluminum to form lithium aluminate (LiAlO₂), which can be successfully recovered. However, the formation of this phase is disturbed by manganese- and aluminum-rich spinels. In this work, the Engineered Artificial Minerals (EnAM) approach is used to develop potential strategies for lithium recovery. This method deals with the optimization of a phase system by enriching the target elements as completely as possible in a chemically simple compound suitable for recovery. In particular, the crystallization behavior of lithium-rich phases in synthetically produced slags is studied to optimize the enrichment processes of these compounds during solidification or to avoid factors that interfere with the formation of these compounds. For this purpose, lithium-rich phases (EnAMs) with ideal properties for efficient recovery, such as high enrichment efficiency of the target element, must first be identified. By changing the parameters (atmosphere, chemistry), the formation of the lithium-rich phase should be supported to avoid the incorporation of lithium into other phases and thus maximize the subsequent recovery. The synthetic slags studied were prepared by a modified application of the sol-gel process with the aim to obtain a homogeneous multi-elemental starting material for the melting experiments. In addition to X-ray based methods, spectroscopic methods were also used for the mineralogical characterization of the slags produced. The slags produced show that the crystallization sequence of the phases is determined by the manganese species (between Mn2+ and Mn4+). Despite the variation of the parameters, the crystallization of lithium-manganates was observed next to a manganese-rich spinel (hausmannite) in a calcium-silicate matrix. LiMnO2 (Mn3+) crystallized in all slags, a phase already used as cathode material in lithium-ion batteries ("lithium manganese dioxide cell"). In addition, the formation of Li2MnO3 (Mn4+) was found due to the use of pure oxygen during the melting experiment and the low addition of magnesium in the system. However, the stabilization of different amounts of various manganese species is an issue in all experiments, where up to three different manganese species (Mn2+ to Mn4+) were stabilized and manganese-rich spinels were crystallized. Based on the obtained results, it is shown that the targeted growth of lithium-manganate crystals provides an approach to recover lithium from the slags produced during pyrometallurgical processing. However, the redox sensitive behavior of manganese needs to be better understood to maximize the crystallization of these lithium-manganates
Einsatz der Virtuellen Synchronmaschine (VISMA) als Unterbrechungsfreie Stromversorgung im Netzparallel- und Inselnetzbetrieb
Full text linkDie angestrebte Reduktion der Treibhausgasemissionen im Sinne des Klimaschutzes bringt einen drastischen Wandel des Energiesystems mit sich. Zur Stromerzeugung werden immer mehr umrichterbasierte Erzeugungsanlagen eingesetzt, die insbesondere aus Sonne und Wind elektrische Energie bereitstellen. Mit der steigenden Anzahl an Umrichtern im Netz sinkt jedoch der Anteil an konventionellen Kraftwerken mit elektromechanischen Synchronmaschinen mit ihren inhärent vorhandenen stabilisierenden Eigenschaften. Zukünftig müssen somit Umrichter diese Aufgaben übernehmen. Hierzu sind neuartige Schaltungs- und Regelkonzepte nötig, die sogenannten netzbildenden Umrichter. Neben ihrem Beitrag zur Systemstabilität im Netzparallelbetrieb können sie im Inselnetzbetrieb in kleinen (Teil-)Netzen (Microgrids) netzbildend agieren und Lasten weiterversorgen, trotz Ausfall des vorgelagerten Netzes. Der elementaren Umrichterregelung sind Statiken überlagert, hierdurch lassen sich andere Erzeuger einfach einbinden und eine Leistungsaufteilung ohne zusätzliche Kommunikation ermöglichen. Die bisherigen Untersuchungen fokussierten sich auf diese beiden Fälle, also entweder den Netzparallel- oder den Inselnetzbetrieb. Für ein stabiles System ist es jedoch ebenso wichtig, dass Fehlerfälle beherrscht werden können. Hieraus ergibt sich die Idee zur Erweiterung des Einsatzes eines netzbildenden Umrichters als unterbrechungsfreie Stromversorgung. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze netzbildender Umrichter vorgestellt, untersucht und verglichen: Die Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) und der Voltage Controlled Inverter (VCI). Es wird ein Simulationsmodell in MATLAB/Simulink aufgebaut und beide Umrichterkonzepte in den normalen Netzzuständen Netzparallel- und Inselnetzbetrieb getestet. Der Fokus liegt auf dem netzdienlichen Verhalten zur Frequenz- und Spannungshaltung durch die instantane Bereitstellung von Momentanreserve, sowie Frequenzstützung durch eine Primärregelung und blindleistungsabhängige Spannungshaltung. Die Netzbildung ist Kernthema im Inselnetzbetrieb, unter den Bedingungen, die identische Regelung wie im Netzparallelbetrieb zu nutzen und weitere Erzeugungsanlagen ohne zusätzliche Kommunikation einbinden zu können. Außerdem werden die Fehlerfälle Netzausfall, Kurzunterbrechungen und Kurzschlüsse betrachtet. Wie gezeigt wird, weist hierbei die VISMA ein robusteres Verhalten auf, dementsprechend wird im Folgenden ausschließlich dieses Konzept weiter verfolgt. Das vorgestellte VISMA-Modell mit seiner überlagerten Statikregelung wird anschließend auf einem echtzeitfähigen Prüfstand implementiert und damit das Simulationsmodell validiert. Um im Sinne einer USV-Anlage eine Last nicht nur weiterversorgen, sondern auch vor netzseitigen Fehlern schützen zu können, wird eine Kurzschlussregelung entwickelt, die bis zur Abtrennung des Netzfehlers die Last vor vollständiger Spannungsunterbrechung schützen kann. Diese zusätzliche Regelung basiert auf dem aktiven Umschalten der Statorparameter im VISMA-Modell, sobald der Kurzschluss erkannt ist. So kann die VISMA gleichzeitig in den Kurzschluss speisen und die Last versorgen, es wird Zeit gewonnen den Fehler zu klären oder vom Netz abzutrennen. In dieser Arbeit beschreibt und vergleicht die Verfasserin das Verhalten von VISMA und VCI in verschiedenen Netzzuständen und verdeutlicht deren möglichen Beitrag zur Systemstabilität von Netzen der Zukunft. Außerdem zeigt sie eine neuartige Möglichkeit auf, wie die VISMA ihren Einsatzbereich erweitern kann, ohne die positiven netzdienlichen Eigenschaften für die Systemstabilität zu verlieren. Diese Arbeit kann damit zur Erhöhung der Versorgungssicherheit durch neuartige Betriebsmittel im zukünftigen Netz mit großem Anteil netzbildender Umrichter beitragen.The targeted reduction in greenhouse gas emissions in the interests of climate protection is bringing about a drastic change in the energy system. More and more inverter-based generation systems are being used to generate electricity, which provide electrical energy from the sun and wind in particular. However, with the increasing number of inverters in the grid, the proportion of conventional synchronous machines with their inherent stabilising properties is decreasing. In the future, inverters will therefore have to take over these tasks. This will require new circuit designs and control concepts, the so-called grid-forming inverters. In addition to their contribution to system stability in parallel grid operation, they can act as grid-forming inverters in small (sub)grids (microgrids) in island grid operation and continue to supply loads despite the failure of the grid. The basic inverter control is overlaid with statics, which allows other generators to be easily integrated and enables power distribution without additional communication. Previous investigations have focussed on these two cases, i. e. either parallel grid operation or island grid operation. However, it is equally important for a stable system that faults can be managed. This gives rise to the idea of extending the use of a grid-forming inverter as an uninterruptible power supply. This thesis presents, analyses and compares two approaches to grid-forming inverters: The Virtual Synchronous Machine (VISMA) and the Voltage Controlled Inverter (VCI). A simulation model is set up in MATLAB/Simulink and both inverter concepts are tested in the normal grid states of grid-parallel and islanded grid operation. The focus is on the grid-supporting behaviour for frequency and voltage maintenance through the instantaneous provision of inertia, as well as frequency support through primary control and reactive power-dependent voltage maintenance. Grid forming is the core issue in islanded grid operation, under the conditions of being able to use the identical control as in parallel grid operation and to integrate additional generation plants without extra communication. In addition, the fault cases of grid failure, short interruptions and short circuits are considered. The VISMA exhibits a more robust behaviour here, so only this concept will be pursued further in the following. The VISMA model presented with its superimposed droop control is then implemented on a real-time capable test bench, thereby validating the simulation model. In order to be able to not only continue to supply a load in the sense of a UPS system, but also to protect it from grid-side faults, a short-circuit control is developed that can protect the load from complete voltage interruption until the grid fault is isolated. This additional control is based on the active switching of the stator parameters in the VISMA model as soon as the short circuit is detected. This allows the VISMA to feed into the short circuit and supply the load at the same time, gaining time to clear the fault or disconnect it from the grid. In this thesis, the author describes and compares the behaviour of VISMA and VCI in different grid states and illustrates their potential contribution to the system stability of future grids. In addition, she highlights a novel way in which VISMA can expand its range of applications without losing its positive grid-supporting properties for system stability. This work can thus contribute to increasing supply reliability through novel equipment in future grids with a large proportion of grid-forming inverters
Chemische Expansion in dünnen Cer-Mischoxid-Schichten bei hohen Temperaturen
Full text linkAls „chemische Expansion“ wird der Effekt bezeichnet, dass Materialien bei einer Änderung der Zusammensetzung auch ihr Volumen ändern. Der Effekt muss in dünnen Schichten erforscht werden, weil das Aktivmaterial z.B. in Sensoren und Katalysatoren häufig als dünne Schicht ausgeführt ist. Im Betrieb strebt die Schicht in ein chemisches Gleichgewicht mit ihrer Umgebung, was eine Bildung von Defekten (Sauerstoff-Leerstellen) und eine Änderung der chemischen Zusammensetzung (Nichtstöchiometrie) bedeutet, und oft mit einer proportionalen chemischen Expansion einhergeht. Haftet die Schicht fest auf einem Substrat an und expandiert das Substrat nicht oder anders, kommt es in der Schicht zu einer Spannung, da die Expansion in der Schichtebene unterbunden ist. Durch diese Spannung kann es nach einigen Betriebszyklen zur Bildung von Rissen in der Schicht und zur Ablösung vom Substrat kommen, wodurch die Geräte versagen. Zum Verständnis des Effekts in dünnen Schichten muss die makroskopisch zugängliche chemische Expansion in situ gemessen und mit der Nichtstöchiometrie sowie der chemischen Sauerstoff-Aktivität auf atomarer Skala korreliert werden. In dieser Arbeit wird zunächst der Stand der Forschung hinsichtlich der Sauerstoff-Leerstellenbildung und der chemischen Expansion in Ceroxid, Cer-Zirkon-Oxid und Praseodym-Cer-Oxid bei hohen Temperaturen erörtert. Anschließend wird ausgehend von existierenden Modellen ein Modell abgeleitet, aus dem sich die Beiträge Schichtdickenänderung und Verbiegung der Probe ergeben, deren Summe die makroskopisch messbare Auslenkung der Probenoberfläche und deren Verteilung auf der Probe ist. Umgekehrt erlaubt das Modell bei Messung der Auslenkung an verschiedenen Stellen auf der Probe eine Trennung der Auslenkung in die beiden genannten Anteile und damit die Bestimmung der chemischen Expansion in der dünnen Schicht. Die Einstellung der Sauerstoff-Aktivität erfolgt elektrochemisch durch Anlegen einer Spannung an der Probe. Hierdurch lässt sich eine beliebige Periodizität der Auslenkung festlegen. Die Messung der Auslenkung geschieht kontaktlos mit einem Differentiellen Laser-Doppler-Vibrometer, wobei die Elektrode auf der Probenoberfläche als beweglicher Spiegel des Interferometers dient. Zur korrekten Berechnung der Auslenkung der Probenoberfläche aus den Messdaten wird ein mehrstufiges Verfahren entwickelt, durch das scheinbare Widersprüche zum Stand der Forschung aufgelöst werden. Die so erhaltenen Auslenkungen weisen geringere Unsicherheiten auf, als es mit bisherigen Methoden der Fall gewesen ist. Insbesondere wird gezeigt, dass die Auslenkung der Proben und damit die chemische Expansion und Nichtstöchiometrie der dünnen Schichten bei sehr niedrigen Anregungsfrequenzen bis hinab zu 1 mHz sich dem quasi-statischen Endwert annähert. Es wird die Abhängigkeit der Auslenkung der Proben von der Anregungsspannung, -frequenz, -form (Rechteck- oder Sinusspannung) und der Temperatur untersucht. Aus den gemessenen Auslenkungsverteilungen wird die Schichtdickenänderung und die Expansion in den dünnen Schichten ermittelt. Aus der Verstärkung der Expansion gegenüber dem Volumenmaterial wird das Poisson-Verhältnis der nichtstöchiometrischen dünnen Schichten berechnet. Abweichungen der gemessenen von den berechneten Auslenkungen werden diskutiert. Es zeigt sich, dass die Abweichungen größtenteils durch Risse in den dünnen Schichten erklärbar sind, die durch die Expansion zunächst geschlossen werden müssen, bevor sich eine Druckspannung in der Schicht aufbauen kann, die zu einer Verformung der Probe führt. Insgesamt gelingt es, bei bisher unerreicht niedrigen Frequenzen die Auslenkung von maximal einigen Hundert nm mit einer Präzision von wenigen nm zu bestimmen, und daraus bisher nicht vorliegende Werte für das Poisson-Verhältnis nichtstöchiometrischer dünner Schichten bei hohen Temperaturen zu gewinnen sowie die Sauerstoff-Leerstellenkonzentration und Expansion der dünnen Schichten miteinander zu korrelieren.The term “chemical expansion” describes the effect where, upon a change in composition, materials change their volume as well. The effect needs to be studied in thin films because the active material in, e.g., sensors and catalysts is often implemented as a thin film. During operation, the thin film strives toward chemical equilibrium with its surroundings, which means that defects (oxygen vacancies) are formed and the chemical composition is changed (non-stoichiometry), and is often accompanied by a proportional chemical expansion. In the case that the film adheres firmly to a substrate and the the substrate does not expand or expands differently, a stress arises in the film because expansion in the film plane is inhibited. This stress can, after a number of duty cycles, lead to the formation of cracks in the film and delamination from the substrate, causing the devices to fail. To understand the effect in thin films, the macroscopically accessible chemical expansion must be measured in situ and correlated with the non-stoichiometry as well as the chemical oxygen activity at the atomic scale. In this work, first the state of research regarding the formation of oxygen vacancies and chemical expansion in ceria, ceria-zirconia, and praseodymia-ceria at high temperatures is briefly summarized. Based on existing models, a model is derived which allows for the calculation of the change in film thickness and the bending of the sample, the sum of which is the macroscopically detectable displacement of the sample surface and its distribution across the sample. Conversely, in the case that the distribution of the displacement over the sample is known, the model allows for the separation of the two contributions, and thereby the determination of the chemical expansion in the thin film. Adjustment of the oxygen activity is achieved electrochemically by applying a voltage to the sample. This enables the setting of an arbitrary periodicity of the displacement. The displacement is detected contactless with a Differential Laser Doppler Vibrometer, with the electrode on the sample surface serving as the movable movable mirror of the interferometer. For the correct determination of the displacement from the measurement data, a multi-step procedure is developed, resolving apparent contradictions to the state of research. Displacements thus obtained have smaller uncertainties as is the case with previous methods. In particular, it is shown that the displacement of the samples and therefore the chemical expansion and the non-stoichiometry in the thin films approaches the quasi-static end value at very low excitation frequencies down to 1 mHz. The dependence of the displacement from the excitation voltage, frequency, form (rectangular or sine voltage), and the temperature is investigated. From the measured displacement distributions, the film thickness change and the expansion in the thin films is determined. From the amplification of the expansion with regard to the bulk material, the Poisson ratio of the non-stoichometric thin films is calculated, Discrepancies between measured displacements and those calculated with the model from literature data are discussed. It is shown that the discrepancies can be largely explained with cracks in the thin films, which need to be closed by the expansion before a compressive stress can arise, leading to a bending of the sample. In summary, displacements of at most a few hundred nm are successfully detected at previously unattainably low frequencies, and previously unavailable values of the Poisson ratio in nonöstoichiometric thin films at high temperatures are extracted, and the concentration of oxygen and chemical expansion in the thin films are correlated with one another
Real-time air quality measurement with Open Data – an interactive particulate matter meter for cyclists
Full text linkThis paper describes the development of a portable particulate matter monitoring system specifically designed for cyclists in urban environments. The system enables real-time monitoring of air quality. It allows cyclists to adapt their route choices based on current levels of particulate matter, thereby minimizing their exposure and associated health risks
Wavelet-driven denoising and cross-axis fusion for automated SCG systolic/diastolic window extraction
Full text linkReliable labeling of systolic and diastolic events in time-series seismocardiography (SCG) signals presents significant challenges due to morphological variability and susceptibility to motion artifacts. This research addresses this critical limitation through a novel signal processing framework leveraging triaxial SCG acquisition (SCGx, SCGy, SCGz) and wavelet-based denoising. Our approach integrates multi-level Discrete Wavelet Transform decomposition for physiological band isolation, adaptive coefficient thresholding for noise-robust feature preservation, and Inverse DWT reconstruction with moving-average filtering to extract systolic/diastolic envelopes. By exploiting inherent axis redundancy through cross-channel consensus and using synchronized ECG for cycle-level timing reference, we achieve robust automated segmentation of cardiac windows under real-world noise conditions. The resulting high-confidence labels establish a foundation for training resource-efficient neural networks to extract complex mechanical biomarkers directly at the sensor—advancing wearable cardiac monitoring beyond electrical activity toward precise mechanical function quantification
Synchrotron diffraction analysis of texture, lattice strain, and defect density in ZK10 and ZN10 magnesium alloys
Full text linkDiese Studie, basierend auf Mg-Zn-Legierungen, verwendet hochenergetische Synchrotron Strahlung als Forschungsmethode, kombiniert mit EVPSC-Simulationen zur Aktivierung von Gleitsystemen, um den Einfluss der Nd-Zugabe auf die Deformation zu untersuchen. Zusätzlich wird die Mikrostrukturevolution sowie die Veränderung der mechanischen Eigenschaften während Hochtemperatur-Zugversuchen näher betrachtet. Zunächst wird bei der Probenvorbereitung darauf geachtet, dass die Ausgangsbedingungen ähnliche Korngrößen und Mikrostrukturen gewährleisten. In-situ-Texturmessungen wurden mittels Synchrotron Beugung durchgeführt, um die Texturentwicklung während des mechanischen Prüfprozesses zu verfolgen. Anschließend wurden polykristalline Plastizitätssimulationen auf Grundlage des elastisch-viskoelastischen selbstkonsistenten Modells (EVPSC) eingesetzt, um den Einfluss der Nd-Zugabe auf die Aktivierung der verschiedenen Deformationsmodi während der Zugversuche zu erklären. Die Hauptschlussfolgerungen dieser Studie lauten wie folgt: Die Zugabe von Nd schwächt die Textur der Mg-Zn-Legierungen ab, was zur Bildung einer Stabilen {0002} component after hot rolling, which only exists in the ZN10 alloy. During the tensile tests, the volume fraction of this component remained stable in the Nd-containing alloy, whereas in the Nd-free alloy, the volume fraction of this component gradually increased with increasing strain. This suggests a direct relationship between the formation of the {0002} component and the addition of Nd, and also indicates that tensile loading can lead to the formation of this component. Regarding slip system activation, Nd-containing alloys are more prone to basal slip activation under tensile loads, which may be due to the influence of Nd on dislocation pinning and slip, making basal slip a more easily activated deformation mechanism. Alternatively, the addition of Nd may alter the crystal structure or defect distribution in magnesium alloys, relaxing the crystal structure and thus lowering the activation energy for basal slip. This is reflected macroscopically in the lower yield strength of Nd-containing alloys. Additionally, the addition of Nd increases the critical resolved shear stress (CRSS) for prismatic slip. It is noteworthy that the high-temperature tests did not affect the texture evolution during deformation, likely due to the relatively low-test temperature (200°C), while the samples had already undergone a 400°C heat treatment during the initial processing stages
Modelling realistic mixed traffic behavior with imitation learning
Full text linkTrotz kontinuierlicher Entwicklung von Transportmitteln und -infrastrukturen stellen Verkehrsunfälle weiterhin unvermeidbare Risiken dar, die minimiert werden sollten. Insbesondere in Szenarien mit gemischten Verkehren sollte ein Schwerpunkt auf dem Schutz verletzlicher Verteilnehmer:innen (z.B. Fußgänger:innen, Fahrradfahrer:innen) liegen. Die Bewertung der Verkehrssicherheit in solchen Szenarien durch eine realistische Simulation mit heterogenen Verkehrsmodellen kann dazu beitragen, Gefahren abzuschätzen bzw. zu kontrollieren. Diese Verkehrsmodelle sind auch für selbstfahrende Autos erforderlich, deren sichere Navigation von präzisen Vorhersagen des Verhaltens benachbarter Verkehrsteilnehmer:innen abhängt. Die Entwicklung dieser Verkehrsmodelle ist jedoch aufgrund der großen Anzahl möglicher Wechselwirkungen zwischen heterogenen Verkehrsteilnehmer:innen eine Herausforderung. Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung besteht darin, Datensätze über Verkehrsbewegungen, in denen normales und stabiles Systemverhalten demonstriert wird, zu nutzen. In solchen Datensätzen bewegen sich die Verkehrsteilnehmer:innen normal und versuchen, sicher und effizient zu navigieren; daher ist es vorteilhaft, Datensätze mit stabilem Systemverhalten als Lernziel für Verkehrsmodelle zu verwenden. In der Literatur werden ähnliche Probleme des Lernens stabiler, gemeinsamer Verhaltensweisen auf Basis optimaler Demonstrationen mit Multi-Agenten Imitationslernverfahren genutzt. Diese Verfahren verwenden interaktives Reinforcement Learning in einer simulierten Umgebung mit datengestützten, erlernten Belohnungen, um ein vorgegebenes Systemverhalten realistisch zu nachzuahmen. In dieser Dissertation werden zwei neue Imitationslernverfahren für die Modellierung von Mischverkehrsbewegungen entwickelt. Das erste nutzt einen Supervised Learning-Ansatz namens Behavior Cloning mit einer tiefen neuronalen Netzwerkarchitektur, die sich für das Extrahieren aussagekräftiger Saliency Maps der Vorhersagen eignet. Durch diese Saliency Maps kann der interne Arbeitsablauf des Modells besser analysiert und verstanden werden. Die Extraktion der Saliency Maps wird durch die sicherheitskritische Natur von Verkehrssystemen motiviert, in denen die Interpretierbarkeit ein wichtiges Merkmal für das Auffinden von Fehlern und zur Erhöhung des Vertrauens in Verkehrsmodelle ist. Das zweite Imitationslernverfahren verwendet ein erweitertes Belohnungssystem, das sowohl einen manuell gestalteten Teil als auch einen datengestützten Teil umfasst, um ein Reinforcement-Learning-Modell in einer Simulationsumgebung zu trainieren. Schließlich beschreiben wir aufgrund der essentiellen Rolle präziser Verkehrsbewegungen beim Training von Verkehrsmodellen eine neuartige Multi-Objekt-Erfassungs- und -Verfolgungspipeline zur Extraktion von Verkehrsbewegungen aus stationären Top-View-Drohnenvideos. Die Beiträge dieser Dissertation lassen sich wie folgt zusammenfassen: Erstens entwickeln wir ein neues, realistisches Multi-Agenten-Mischverkehrsmodell, das in der Lage ist, Langzeitbewegungen vorherzusagen. Zweitens verbessern wir die post-hoc Erklärung der Vorhersagen durch eine neue Verkehrsmodellarchitektur, die speziell für die effiziente Extraktion aussagekräftiger Saliency Maps konzipiert ist. Drittens entwickeln wir unter Berücksichtigung der spezifischen Bedingungen von Verkehrs-Drohnenvideos eine effiziente Multi-Objekt-Erfassungs-und-Verfolgungspipeline.Despite the continuous development of transportation media and infrastructures, traffic accidents still represent contingencies that should be minimized, especially in mixed traffic situations where vulnerable and non-vulnerable road users interact. Evaluating traffic safety in a given scenario via a realistic simulation with heterogeneous traffic models can help estimate and thus control these contingencies. These traffic models are also needed for self-driving cars, whose safe navigation depends on the accurate predictions of nearby traffic entities' behaviors. However, developing such models is a challenging task due to the large number of interaction possibilities among heterogeneous traffic participants. One way to approach this task is through the utilization of traffic trajectories datasets where normal stable behavior of the system is demonstrated. In this stable state all participants move normally and try to navigate safely and effectively; therefore, it is beneficial to imitate this state, by using it as a learning objective of these models. In the literature, similar problems of learning stable joint behaviors of multiple actors based on target demonstrations are handled with multi-agent imitation learning methods. These methods employ interactive reinforcement learning, with data-based learned rewards in a simulation environment, to realistically mimic a needed behavior. In this thesis, two novel imitation learning models for modeling mixed traffic movements are developed: The first utilizes a supervised learning approach known as behavior cloning with a model architecture suitable for extracting meaningful saliency maps of predictions. Based on these saliency maps, the model's inner workflow can be analyzed and understood better. Extracting these maps is motivated by the safety-critical nature of traffic systems, where interpretability is an important feature for debugging errors and increasing trust in the model. The second model employs an augmented reward model consisting of a manually designed rule-based part and an automatically learned data-based part, to train a reinforcement learning model within a simulation environment. Lastly, as accurate traffic trajectories are essential for training the models, we describe a novel multi-object detection and tracking pipeline for the task of extracting traffic trajectories from stationary top-view drone videos. The contributions of this thesis can be summarized as follows: First, we develop a novel realistic multi-agent mixed traffic model capable of long time-horizon prediction. Second, we enhance post-hoc explainability of predictions with a new traffic model architecture customized for efficient extraction of meaningful saliency maps. Third, by exploiting the special conditions of traffic drone videos, we design an efficient multi-object detection and tracking pipeline
Development of dependable Steer-by-Wire steering systems
Full text linkSteer-by-Wire ist die nächste Generation von Lenksystemen, die eine Vielzahl neuer Funktionalitäten für den Fahrer und einen erweiterten Freiheitsgrad für die Hersteller ermöglicht. Der Fahrerlenkwunsch und die Rückmeldung der anliegenden Reifenseitenkräfte wird durch die elektrische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe übertragen. Der sichere Zustand von Steer-by-Wire-Lenksystemen ist fail-operational, wodurch die permanente Verfügbarkeit der Lenkfunktionalitäten gefordert ist. In diesem Kontext besteht das vorranginge Ziel dieser Arbeit darin, eine Methodik zu entwickeln, welche die Entwicklung von zuverlässigen Steer-byWire-Lenksystemen ermöglicht. Zunächst wird ein bestehender Entwicklungsprozess für elektrische Lenksysteme analysiert und auf mögliche Anpassungen für SbW untersucht. Auf Grund des veränderten sicheren Zustands sind vorrangig funktionale Anpassungen notwendig, wie bspw. die Implementierung eines ausfallsicheren Betriebsverhaltens und eine fehlertolerante Elektronik-Architektur. Die Prozessmethodik für SbW kann von der EPS übernommen werden, wenn drei wesentliche Grundsätze erfüllt sind: ASIL D V-Modell nach 15026262, Nachweis der Prozessreife und die Nutzung von geeigneten Sicherheitsanalysen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Anforderungen an Sicherheitsmechanismen in SbW-Systemen mit Fehlerinjektionstechniken identifiziert. Die Fehlertoleranzzeit für das Sicherheitsziel in Bezug auf den Fehlerfall "Verlust der Lenkbarkeit" wird in Fahrmanövern bewertet. Hierbei wurde eine Fehlertoleranzzeit von 75ms als beherrschbar eingeschätzt. Die Untersuchungen haben auch gezeigt, dass die Beherrschbarkeit abhängig von der Feedbackstrategie ist und eine Feedbackstrategie auf Basis von Zahnstangenkräften vorteilhaft ist. Im darauffolgenden Abschnitt erfolgt eine Implementierung eines Degradationskonzepts im SbW Lenkgetriebe, welches darauf abzielt, ein fail-operationalVerhalten zu implementieren und die identifizierte Fehlertoleranzzeit zu erfüllen. Das Degradationskonzept wnfasst Sicherheitsmechanismen zur Fehlererkennung und Fehlerbehandlung. Im Rahmen einer Fehlerbaumanalyse (FTA) wird die Abdeckung der identifizierten Fehler durch Fehlererkennungen untersucht und verschiedene Strategien für den Zahnstangenpositionsregler verglichen. Hierbei wurde festgestellt, dass eine Fehlerbehandlung den Fehler innerhalb eines Zeitintervalls von 24ms behandeln muss. Daraus abgeleitet verbleiben 50ms für Sicherheitsmechanismen zur Fehlererkennung. Im Rahmen des Vergleichs der Übernahmestrategien im Zahnstangenpositionsregler ist eine Hot-Standby Implementierung vorteilhaft. Die Zeitdifferenz zwischen der Hot-Standby und Cold-Standby Strategie ist jedoch vergleichsweise gering. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse, Standpunkte und Schlussfolgerungen spiegeln nicht unbedingt die Meinungen der Volkswagen Aktiengesellschaft wider.Steer-by-Wire steering systems (SbW) are the next generation of steering systems that enable a variety of new functionalities for the driver and an advanced degree of freedom for the Original Equipment Manufacturer (OEM). The electrical connection from steering wheel and steering rack enables the transfer of the steering request from the driver and feedback information from the road surface. The safe state of SbW is fail-operational which requires the availability of the steering functionalities at all times while driving. In this context, this thesis aims to present a methodology that enables the development of dependable Steer-by-Wire steering systems. First, an existing development process for Electrical Power Steering systems (EPS) is analyzed focusing on potential adaptions for SbW. With an adapted safe state, the functional adaptions require the implementation of fail-operational behavior and a fault-tolerant E/E architecture which is dependent on other vehicle systems, such as the on-board power supply. The process methodology can be taken over when three main principles are fulfilled: ASIL D V-model in accordance with 1SO26262, process capability, and dependability analyses. After identifying the necessity for a fault-tolerant E/E architecture, requirements for safety mechanisms in SbW are identified with fault-injection techniques in the second part of this thesis. The Fault Tolerant Time Interval (FTTI) for the safety goal related to the failure mode "loss of steerability" is evaluated in driving maneuvers. Thereby, a FTTI of 75ms is assessed as controllable by expert drivers. However, the investigations have shown that the controllability is dependent on the feedback strategy and that a feedback based on estimated rack forces is advantageous. A degradation concept which aims to implement a fail-operational behavior and fulfill the identified FTTI is evaluated in the third part of this thesis. The degradation concept in SbW consist of safety mechanisms for fault detection and fault handling. The coverage of identified faults is investigated with a Fault Tree Analysis (FTA) and different fault handling strategies for the Rack Position Controller (RPC) are compared. Thereby, a fault handling that implements a fail-operational behavior must takeover control in 24ms as Fault Reaction Time Interval (FRTI), leaving SOms for safety mechanisms responsible for fault detection. When comparing takeover strategies, a hot-standby implementation of the RPC which can takeover immediately is beneficial over cold-standby. However, the time delay between both strategies is comparatively small considering the overall FRTI. The effectiveness of the degradation concept is evaluated in driving maneuvers. The results, opinions and conclusions expressed in this thesis are not necessarily those of Volkswagen Aktiengesellschaft
Optimization of the manufacturing of thick-walled fiber plastic components through 3D-preforming with reversible resin flow channels
Full text linkThe demand for high-strength, lightweight materials has driven advancements in composite manufacturing, especially in applications like aerospace, automotive, and energy. This study addresses the challenges in impregnating thick-wall composites through the development of a novel textile integration technique. Traditional liquid composite molding (LCM) processes face limitations in thick composites due to slow infiltration, void formation, and compromised mechanical integrity. Our work introduces an innovative 3D weft-knitted preform with integrated, reversible flow channels (RFC), optimizing resin permeability while maintaining fiber volume. The proposed method reduces cycle times and improves the mechanical performance of glass fiber-reinforced polymer (GFRP) composites, presenting a promising alternative to conventional flow aids