05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Surface charge density and induced currents by self-charging sliding drops(2024) Bista, Pravash; Ratschow, Aaron D.; Stetten, Amy Z.; Butt, Hans-Jürgen; Weber, Stefan A. L.Spontaneous charge separation in drops sliding over a hydrophobized insulator surface is a well-known phenomenon and lots of efforts have been made to utilize this effect for energy harvesting. For maximizing the efficiency of such devices, a comprehensive understanding of the dewetted surface charge would be required to quantitatively predict the electric current signals, in particular for drop sequences. Here, we use a method based on mirror charge detection to locally measure the surface charge density after drops move over a hydrophobic surface. For this purpose, we position a metal electrode beneath the hydrophobic substrate to measure the capacitive current induced by the moving drop. Furthermore, we investigate drop-induced charging on different dielectric surfaces together with the surface neutralization processes. The surface neutralizes over a characteristic time, which is influenced by the substrate and the surrounding environment. We present an analytical model that describes the slide electrification using measurable parameters such as the surface charge density and its neutralization time. Understanding the model parameters and refining them will enable a targeted optimization of the efficiency in solid–liquid charge separation.Item Open Access Spectrally efficient transmitter diversity scheme for optical satellite feeder links(2024) Mustafa, Ahmad; Ten Brink, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)There is an ever-growing demand for increasing the data traffic in the order of Tb/s to the geostationary (GEO) satellites. It will help connect numerous users on the ground who do not have access to internet service. This high throughput can be achieved using multiple laser beams in the uplink and combining them with the dense wavelength division multiplexing technique. However, optical signals propagating through the turbulent atmosphere to GEO satellites suffer from the intensity and phase fluctuations. Additionally, atmospherically induced beam wander leads to pointing errors at the satellite resulting in deep fades, hence loss of signal power which can fall below the receiver sensitivity making the communication impossible. The problem of photon scarcity can be tackled by using advanced power-efficient coherent modulation formats which are highly sensitive, but they come at the expense of increased system complexity. Therefore, in this thesis, only an intensity modulation and direct detection scheme called non-return-to-zero on-off keying is considered, which is relatively easier to implement in free-space optical communications. To mitigate the atmospheric fades, a transmitter diversity technique called MISO is considered for GEO feeder links for reliable signal reception at the satellite. It requires multiple laser beams to propagate through uncorrelated channels, which can be achieved by having a physical separation between the transmitting telescopes greater than the atmospheric coherence length. This thesis is divided into two main parts: The first part includes the quantitative analysis of the MISO scheme with no spectral overlapping between the neighboring signals. Here, the fading consists of log-normal scintillation and residual beam pointing jitter. The bit error rate (BER) for the single-input single-output and MISO systems is obtained using the fading statistics of the atmosphere and considering the receiver model of a commercially available 10Gb/s photoreceiver with an avalanche photodiode. For the given atmospheric conditions and residual beam pointing jitter, the transmit power of each beam is optimized to minimize the overall power scintillation index and maximize the BER gain. The second part of the thesis aims at increasing the spectral efficiency of the transmission system where SSB signals are generated using optical filters to achieve the desired BER performance. A laboratory experiment with a 32Gb/s system is performed in a back-to-backup setup to optimize the SSB signals using a passive filtering technique. Here, the filter bandwidth and the center frequency from the carrier are optimized to get the error-free performance. Finally, simulations are performed where the optimized upper sideband and lower sideband from the respective double-sideband signals are obtained, and then they are propagated through the atmospheric channel, which consists of log-normal scintillation effects and phase piston. The carrier separation between the two signals is selected such to emulate constructive and destructive interference due to the slowly varying phase piston. A diversity gain of 2.3dB is achieved, which shows the efficacy of using transmitter diversity in a GEO uplink channel.Item Open Access A high frequency alternating current heater using the advantages of a damped oscillation circuit for low voltage Li-ion batteries(2024) Oehl, Joachim; Gleiter, Andreas; Manka, Daniel; Fill, Alexander; Birke, Kai PeterIn many cases, batteries used in light e-mobility vehicles such as e-bikes and e-scooters do not have an active thermal management system. This poses a challenge when these batteries are stored in sub-zero temperatures and need to be charged. In such cases, it becomes necessary to move the batteries to a warmer location and allow them to acclimatize before charging. However, this is not always feasible, especially for batteries installed permanently in vehicles. In this work, we present an internal high-frequency AC heater for a 48 V battery, which is used for light electric vehicles of EU vehicle classes L1e and L3e-A1 for a power supply of up to 11 kW. We have taken advantage of the features of a damped oscillating circuit to improve the performance of the heater. Additionally, only a small inductor was added to the main current path through a cable with three windings. Furthermore, as the power electronics of the heater is part of the battery main switch, fewer additional parts inside the battery are required and therefore a cost and space reduction compared to other heaters is possible. For the chosen setup we reached a heating rate of up to 2.13 K min -1 and it was possible to raise the battery temperature from -10 °C to 10 °C using only 3.1% of its own usable capacity.Item Open Access Untersuchung von Parallelschaltungen unterschiedlich gealterter Zellmodule(2024) Kreher, Tina; Birke, Kai Peter (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird das Thema „Untersuchung von Parallelschaltungen unterschiedlich gealterter Zellmodule“ im Rahmen von drei Themengebieten betrachtet. Es handelt sich dabei um Untersuchungen an parallelgeschalteten Lithium-Ionen-Zellen oder darauf basierenden Batteriesystemen. Der erste Teil untersucht das Potential die Messzeit zur Messdatenerhebung für die Parametrierung eines Ersatzschaltbildes zu reduzieren. Dafür werden verschiedene Charakterisierungsmethoden angewandt und die daraus erstellten Modelle hinsichtlich Genauigkeit und zeitlichem Messaufwand verglichen. Es zeigt sich, dass durch eine geschickte Wahl der Vorgehensweise die benötigte Messzeit und die damit verbundenen Kosten um bis zu 76 % reduziert werden können, ohne einen nennenswerten Nachteil auf die Modellgenauigkeit zu erhalten. Im zweiten Teil der Arbeit finden kalendarische und zyklische Alterungstests statt. Anhand der gewonnenen Daten werden Stressfaktoren der Zellalterung identifiziert und quantifiziert. Die Ergebnisse führen starke Alterung auf hohe Temperaturen und Ladezustände sowie große Zyklentiefen zurück. Des Weiteren wird ein Alterungsmodell erstellt, mit welchem die Alterung von Ersatzschaltbildparametern nachgebildet werden kann. Die eigentlichen Untersuchungen zu Parallelschaltungen finden im dritten Teil statt und bauen auf den Ergebnissen aus den ersten beiden Teilen auf. Zunächst wird ein Simulationsmodell aufgebaut und validiert, welches ein Parallelschaltungssystem aus zwei Lithium-Ionen-Zellen darstellt. Im nächsten Schritt erfolgt die Betrachtung einer ungesteuerten Parallelschaltung aus Zellen unterschiedlichen Alterungszustands, bei welcher mit einer inhomogenen Zellstromaufteilung zu rechnen ist. Dabei ist mit zunehmender Alterungsdifferenz der Zellen eine Lastverschiebung hin zur neueren Zelle festzustellen. Bezogen auf die Alterung zeigt sich eine bis zu 1,24-fach stärkere Kapazitätsabnahme und ein 1,33-facher Innenwiderstandsanstieg der neueren Zelle im Vergleich zu einem System mit gleichen Zellzuständen und homogener Stromaufteilung. Als nächstes findet die Ausarbeitung einer Betriebsstrategie für eine gesteuerte Parallelschaltung anhand eines möglichen Anwendungsfalls statt. Dafür wird implementiert, dass ein Parallelbetrieb beider Zellen, wie auch das gezielte Zu- und Wegschalten von einzelnen Strängen im System zulässig ist. Die Ergebnisse zeigen, dass so ein sicherer Betrieb von Parallelschaltungen bestehend aus unterschiedlich stark gealterten Zellen möglich ist. Die auf Zellebene gewonnenen Ergebnisse zu Parallelschaltungen werden im Rahmen eines Forschungsprojekt auf eine Fahrzeuganwendung mit zwei autarken Batterien unterschiedlichen Alterungszustandes übertragen. Zusammen mit dem Projektpartner erfolgt der Aufbau eines Prototyps, bei welchem der Parallelbetrieb und das gezielte An- und Abkoppeln der Batterien an das Hochvoltsystem möglich ist. Dieser Aufbau dient als Machbarkeitsnachweis für den Parallelbetrieb von Lithium-Ionen-Zellen und Batterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen.Item Open Access All-perovskite tandem solar cells : from fundamentals to technological progress(2024) Lim, Jaekeun; Park, Nam-Gyu; Seok, Sang Il; Saliba, MichaelOrganic-inorganic perovskite materials have gradually progressed from single-junction solar cells to tandem (double) or even multi-junction (triple-junction) solar cells as all-perovskite tandem solar cells (APTSCs). Perovskites have numerous advantages: (1) tunable optical bandgaps, (2) low-cost, e.g. via solution-processing, inexpensive precursors, and compatibility with many thin-film processing technologies, (3) scalability and lightweight, and (4) eco-friendliness related to low CO2 emission. However, APTSCs face challenges regarding stability caused by Sn2+ oxidation in narrow bandgap perovskites, low performance due to Voc deficit in the wide bandgap range, non-standardisation of charge recombination layers, and challenging thin-film deposition as each layer must be nearly perfectly homogenous. Here, we discuss the fundamentals of APTSCs and technological progress in constructing each layer of the all-perovskite stacks. Furthermore, the theoretical power conversion efficiency (PCE) limitation of APTSCs is discussed using simulations.Item Open Access Sensorfusion auf Basis maschinellen Lernens zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur(2024) Kuderna Melgar, DiegoDie genaue Bestimmung der Sperrschichttemperatur spielt eine elementare Rolle bei der Optimierung der Leistungsfähigkeiten sowie der Zuverlässigkeit von SiC (Silicon Carbide)-Leistungsmodulen. Im Rahmen der indirekten Bestimmung der Sperrschichttemperatur lassen sich Temperature Sensitive Electrical Parameters (TSEPs) einsetzen, die jedoch neben der Sperrschichttemperatur weitere Abhängigkeiten von elektrischen Größen aufweisen. Dies kann zu einer ungenauen Schätzung der Sperrschichttemperatur führen, weshalb diese Bestimmung robuster gestaltet werden muss. Ein Ansatz, um dies zu erreichen, stellt die Kombination mehrerer TSEPs dar, die im Anschluss mithilfe einer KI auf einem Mikrocontroller verarbeitet werden. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Ansätze aufgezeigt, um anhand von maschinellen Lernens die Sperrschichttemperatur eines Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) auf Basis von TSEPs zu bestimmen. Hierzu werden die Werkzeuge NanoEdgeAI Studio sowie X-CUBE-AI eingesetzt, um die entwickelten Modelle auf einem STM32 Mikrocontroller zu implementieren. Ein Vergleich beider Ansätze zeigt, dass NanoEdgeAI Studio Modelle mit effizienterer Nutzung der Ressourcen des Mikrocontrollers ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen in Python entwickelte Modelle in Kombination mit X-CUBE-AI ohne Quantisierung präzisere Schätzungen bei größerem Speicherbedarf. Im Kontext der Arbeit werden diverse Untersuchungen durchgeführt, um die Schätzgenauigkeit der betrachteten Modelle zu maximieren. Dazu gehören Ensemblebildung und Trainingsprozesse mit unterschiedlich großen Datensätzen sowie die Variation der Anzahl der Eingabesignale. So lässt sich zeigen, dass sich durch Bildung von Ensembles der R-Squared-Wert bei gleichzeitiger Reduktion des maximalen Fehlers erhöhen lässt. Durch Vergrößerung des Datensatzes lässt sich dieser Wert ebenfalls anheben und eine Steigerung durch die Kombination von TSEPs ist beobachtbar. Die realisierten Algorithmen erzielen unabhängig von der Qualität der gemessenen Signale höhere R-Squared-Werte als der traditionelle Ansatz, der lediglich einen elektrischen Parameter für die Schätzung der Sperrschichttemperatur einsetzt. Dieser beträgt 97,9% und der maximale Fehler weist einen Wert von 14K auf. So lässt sich durch die Kombination sämtlicher TSEPs ein Random Forest in NanoEdgeAI Studio entwickeln, der einen R-Squared-Wert von 99,03% erzielt, was einem Zuwachs von 1,13 Prozentpunkten entspricht. Überdies bemisst der maximale Fehler 8K, was 6K unter dem maximalen Fehlers des konventionellen Ansatzes liegt. Zusätzlich ermöglicht dieses Vorgehen die Bestimmung weiterer Parameter, exemplarisch lässt sich der Laststrom nennen.Item Open Access Ultra-broadband analog demultiplexer for optical and wireline receivers(2024) Thomas, Philipp; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Metropolitan internet nodes, data centers, and mobile base stations build the backbone of our modern information-based infrastructure. Wavelength, polarization, time, and space division multiplexing are effective means to increase optical channel data rates between these stations. To enable new Ethernet standards with 800 Gbit/s and 1.6 Tbit/s, electronic receivers need faster analog front ends than today. Silicon-Germanium (SiGe) bipolar transistor technologies can provide the necessary performance and can contribute to cost-efficient receivers integrated with digital signal processors (DSP) with complementary metal-oxide semiconductors (CMOS) that feature smallest structures of down to 5 nm as of today. This work presents the design of analog demultiplexers (ADeMUX) in two different variants, which can realize this promise through presampling. The voltage mode (VM) version of the ADeMUX employs switched preamplifiers to slice the input signal and reduce the required sampler bandwidth, as well as switched emitter followers as sampling elements for this purpose, resulting in a significant overall bandwidth increase. The measured bandwidth of this ADeMUX version is higher than 57 GHz at 128 GS/s and represents a record value at such a high sampling rate. Furthermore, the clock duty cycle of 50% in the VM ADeMUX is simple to realize in the clock driver and allows to operate this device at up to 200 GS/s in experiments, which is the highest sampling rate reported in silicon technology. The current mode (CM) version of the ADeMUX integrates a signal current onto a hold capacitance to generate an equivalent voltage. Each of the four output channels uses 25% of their total clock period for this current integration. Another 25% are dedicated to removing the accumulated charge and thus resetting the voltage on the hold capacitance after the hold mode. The characterization of the CM ADeMUX shows 36 GHz bandwidth at 128 GS/s input sampling rate, as well as more than 3 bit accuracy up to 50 GHz. In a data transmission experiment with digital predistortion, four-level pulse amplitude modulation, and digital postprocessing, this analog front end shows the reception of data at 256 Gbit/s for the first time in a silicon technology. Overall, the realized ADeMUX devices in SiGe technology could contribute to extending data rates in coherent optical transmission channels to more than 1 Tbit/s per wavelength without having to sacrifice the high integration density of CMOS DSPs.Item Open Access Rehearsal-based continual learning with deep neural networks for image classification(2024) Wiewel, Felix; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Least-squares based layerwise pruning of Deep Neural Networks(2024) Mauch, Lukas; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)Tiefe Neuronale Netze (DNNs) sind derzeit die leistungsstärksten Modelle im Bereich des maschinellen Lernens und lösen erfolgreich viele Aufgaben, wie zum Beispiel Bild- und Spracherkennung, semantische Segmentierung oder Datengenerierung. Aufgrund der inhärent hohen Rechenkomplexität von DNNs wurden schon früh Pruningverfahren angewandt um die Rechenkomplexität von DNNs zu reduzieren und um die Inferenz zu beschleunigen. Pruningverfahren entfernen (prunen) Parameter aus einem trainierten DNN, ohne ihre Leistung dadurch signifikant zu beeinträchtigen. Die dadurch erhaltenen Modelle können auch auf schwachen Rechenplattformen mit hoher Geschwindigkeit ausgewertet werden. In den letzten Jahren wurden Pruningverfahren nicht nur nach dem Training, sondern auch als Bestandteil von modernen Trainingsalgorithmen für DNNs eingesetzt. So wenden zum Beispiel viele speichereffiziente Trainingsalgorithmen oder Architektursuchverfahren pruning schon während des Trainings an, um unwichtige Parameter aus dem DNN zu entfernen. Problematisch ist, dass viele moderne Pruningverfahren auf regularisierten, überwachten Trainingverfahren beruhen und daher selbst sehr rechenaufwändig sind. Solche Pruningverfahren können nicht ohne Weiteres in andere Trainingsalgorithmen eingebettet werden. Es besteht daher ein wachsendes Interesse an Pruningmethoden, die sowohl schnell als auch genau sind. In dieser Arbeit untersuchen wir das layerbasierte Least-Squares (LS) Pruning – ein Framework für das strukturierte Pruning von DNNs. Wir zeigen, dass LS-Pruning eine schnelleund dennoch genaue Methode für die DNN-reduktion ist, die für Zero-Shot oder für die unüberwachte Netzwerkreduktion verwendet werden kann. In experimenten vergleichen wir LS-Pruning mit anderen schnellen Reduktionsmethoden, wie zum Beispiel dem magnitudenbasierten Pruning und der LS-Faktorisierung. Darüber hinaus vergleichen wir LS-Pruning mit überwachten Pruningverfahren.Item Unknown Measurement of transient overvoltages by capacitive electric field sensors(2024) Probst, Felipe L.; Beltle, Michael; Tenbohlen, StefanThe accurate measurement and the investigation of electromagnetic transients are becoming more important, especially with the increasing integration of renewable energy sources into the power grid. These sources introduce new transient phenomena due to the extensive use of power electronics. To achieve this, the measurement devices must have a broadband response capable of measuring fast transients. This paper presents a capacitive electric field sensor-based measurement system to measure transient overvoltages in high-voltage substations. The concept and design of the measurement system are first presented. Then, the design and concept are validated using tests performed in a high-voltage laboratory. Afterwards, two different calibration techniques are discussed: the simplified method (SM) and the coupling capacitance compensation (CCC) method. Finally, three recorded transients are evaluated using the calibration methods. The investigation revealed that the SM tends to overestimate the maximum overvoltage, highlighting the CCC method as a more suitable approach for calibrating transient overvoltage measurements. This measurement system has been validated using various measurements and can be an efficient and flexible solution for the long-term monitoring of transient overvoltages in high-voltage substations.