620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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Despite the unstoppable global drive towards electric mobility, the electrification of sub-Saharan Africa’s ubiquitous informal multi-passenger minibus taxis raises substantial concerns. This is due to a constrained electricity system, both in terms of generation capacity and distribution networks. Without careful planning and mitigation, the additional load of charging hundreds of thousands of electric minibus taxis during peak demand times could prove catastrophic. This paper assesses the impact of charging 202 of these taxis in Johannesburg, South Africa. The potential of using external stationary battery storage and solar PV generation is assessed to reduce both peak grid demand and total energy drawn from the grid. With the addition of stationary battery storage of an equivalent of 60 kWh/taxi and a solar plant of an equivalent of 9.45 kWpk/taxi, the grid load impact is reduced by 66%, from 12 kW/taxi to 4 kW/taxi, and the daily grid energy by 58% from 87 kWh/taxi to 47 kWh/taxi. The country’s dependence on coal to generate electricity, including the solar PV supply, also reduces greenhouse gas emissions by 58%.
Im Team zum fliegenden Traum
(2024)
In recent years, the demand for accurate and efficient 3D body scanning technologies has increased, driven by the growing interest in personalised textile development and health care. This position paper presents the implementation of a novel 3D body scanner that integrates multiple RGB cameras and image stitching techniques to generate detailed point clouds and 3D mesh models. Our system significantly enhances the scanning process, achieving higher resolution and fidelity while reducing the cost, time and effort required for data acquisition and processing. Furthermore, we evaluate the potential use cases and applications of our 3D body scanner, focusing on the textile technology and health sectors. In textile development, the 3D scanner contributes to bespoke clothing production, allowing designers to construct made-to-measure garments, thus minimising waste and enhancing customer satisfaction through fitting clothing. In mental health care, the 3D body scanner can be employed as a tool for body image analysis, providing valuable insights into the psychological and emotional aspects of self-perception. By exploring the synergy between the 3D body scanner and these fields, we aim to foster interdisciplinary collaborations that drive advancements in personalisation, sustainability, and well-being.
Patterns are virtually simulated in 3D CAD programs before production to check the fit. However, achieving lifelike representations of human avatars, especially regarding soft tissue dynamics, remains challenging. This is mainly since conventional avatars in garment CAD programs are simulated with a continuous hard surface and not corresponding to the human physical and mechanical body properties of soft tissue. In the real world, the human body’s natural shape is affected by the contact pressure of tight-fitting textiles. To verify the fit of a simulated garment, the interactions between the individual body shape and the garment must be considered. This paper introduces an innovative approach to digitising the softness of human tissue using 4D scanning technology. The primary objective of this research is to explore the interactions between tissue softness and different compression levels of apparel, exerting pressure on the tissue to capture the changes in the natural shape. Therefore, to generate data and model an avatar with soft body physics, it is essential to capture the deform ability and elasticity of the soft tissue and map it into the modification options for a simulation. To aim this, various methods from different fields were researched and compared to evaluate 4D scanning as the most suitable method for capturing tissue deformability in vivo. In particular, it should be considered that the human body has different deformation capabilities depending on age, the amount of muscle and body fat. In addition, different tissue zones have different mechanical properties, so it is essential to identify and classify them to back up these properties for the simulation. It has been shown that by digitising the obtained data of the different defined applied pressure levels, a prediction of the deformation of the tissue of the exact person becomes possible. As technology advances and data sets grow, this approach has the potential to reshape how we verify fit digitally with soft avatars and leverage their realistic soft tissue properties for various practical purposes.
Analog integrated circuit sizing still relies heavily on human expert knowledge as previous automation approaches have not found wide-spread acceptance in industry. One strand, the optimization-based automation, is often discarded due to inflated constraining setups, infeasible results or excessive run times. To address these deficits, this work proposes a alternative optimization flow featuring a designer’s intuition for feasible design spaces through integration of expert knowledge based on the gm/ID-method. Moreover, the extensive run times of simulation-based optimization flows are overcome by incorporating computationally efficient machine learning methods. Neural network surrogate models predicting eleven performance parameters increase the evaluation speed by 3 400× on average compared to a simulator. Additionally, they enable the use of optimization algorithms dependent on automatic differentiation, that would otherwise be unavailable in this field. First, an up to 4× more efficient way for sampling training data based on the aforementioned space is detailed. After presenting the architecture and training effort regarding the surrogate models, they are employed as part of the objective function for sizing three operational amplifiers with three different optimization algorithms. Additionally, the benefits of using the gm/ID-method become evident when considering technology migration, as previously found solutions may be reused for other technologies.
This article presents a modified method of performing power flow calculations as an alternative to pure energy-based simulations of off-grid hybrid systems. The enhancement consists in transforming the scenario-based power flow method into a discrete time-dependent algorithm with the inclusion of bus and controller dynamics.
Werkzeugmaschinen sind im Bereich des Maschinen- und Anlagenbau die größte Branche, mit denen auch in Unternehmen anderer Bereiche (z. B. Automobilbau, Aerospace) wesentliche Teile der Bruttowertschöpfung stattfinden. (Destatis, 2022) Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen beeinflusst in entscheidendem Maße die Produktivität der Produktionsanlage und die Qualität der darauf erzeugten Werkstücke. Sowohl fremderregte Schwingungen (z. B. Unwucht, Pulsation, periodisch schwankende Prozesskräfte) als auch selbsterregte Schwingungen (z. B. Rattern) führen zu schlechter Qualität der gefertigten Bauteile. Das dynamische Verhalten vonWerkzeugmaschinen wird durch die Masse, Dämpfung und Steifigkeit der einzelnen Komponenten (z. B. Maschinenbett, Ständer, Schlitten) als auch der im Kraftfluss liegenden Fügestellen (z. B. Führungen, Antriebe) beeinflusst. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen von konstruktiven Modifikationen der Dämpfung in Gestellbauteilen bezüglich des dynamischen Verhaltens an der Zerspanstelle näher beleuchtet.
We present the results of an extensive characterization of the performance and stability of a third-order continuous-time delta-sigma modulator with active coefficient error compensation. Using our previously published coefficient tuning technique, process variation induced R-C time-constant (TC) errors in the forward signal path can be compensated indirectly using continuously tunable DACs in the feedback path. To validate our technique experimentally with a range of real TC variations, we designed a modulator with discretely configurable integration capacitor arrays in a 0.35-μm CMOS process. We configured the capacitors of the fabricated device for a range of total TC variations from -28.4 % to +19.3 % and measured the signal-to-noise ratio (SNR) as a function of the input amplitude before and after compensating the variations electrically using the feedback DACs. The results show that our tuning technique is capable of restoring the desired nominal modulator performance over the entire parameter variation range, including the system’s nominal maximum stable amplitude (MSA).
Verteilnetzbetreiber müssen verschiedene Maßnahmen ergreifen, um den Herausforderungen der zunehmenden Installation dezentraler Erzeugungsanlagen zu begegnen. Die meisten dieser Maßnahmen führen zwar zur Einhaltung der Spannungsgrenzwerte, sie läsen jedoch nicht das Problem der Rückspeisung in die überlagerte Netzebene und die damit verbundenen Leistungsverluste. Im Projekt „Demo-rONT-Alternative“ wurde ein Prototyp für einen fernsteuerbaren Kabelverteiler entwickelt, um die Trennstellenverschiebung automatisiert durchführen zu können.
Der Erfolg der Energiewende in Deutschland setzt eine zunehmende Anzahl an dezentralen elektrischen Erzeugungsanlagen (EZA) voraus. Diese dezentralen EZA, wie Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerke, bringen für Verteilnetzbetreiber große Herausforderungen mit sich. Im Rahmen des geförderten Forschungsprojekts „Demonstrator Automatisierte Kabelverteil (KV) als Alternative zum regelbaren Ortsnetztransformator (DEMO rONT-Alternative)“ wurde ein neuer Ansatz für die Lösung der bestehenden Problematik erforscht. Dieser besteht in der aktiven Änderung der Topologie der Netzgebiete je nach elektrischer Last und PV-Einspeisung (Trennstellenverlagerung).
Der ›AM Field Guide‹ gibt einen ersten strukturierten Überblick in die komplexe und vielschichtige Welt der additiven Fertigungsverfahren. Getrennt nach den Materialien Polymere, Metalle und weitere Materialien werden die gängigsten jeweils auf dem Markt angebotenen AM-Verfahren schematisch dargestellt und der Verfahrenskern in Kurzform beschrieben. Neben den hier dargestellten Hauptverfahren gibt es viele Derivate und Sonderverfahren, die ebenfalls ein gesetzt werden jedoch nicht explizit gezeigt sind. Zu beachten ist, dass in dem jungen Bereich der additiven Fertigung viele Hersteller ihren AM-Anwendungen eigene Namen geben, so dass eine allgemeingültige umfassende Klassifizierung nur ansatzweise erreichbar ist.
Eine Organisation hin zur Klimaneutralität zu transformieren, ist nicht nur Neuland für praktisch jeden, der loslegt: Es geht los mit dem „Wollen“, also dem Ziel, dann wird der Weg skizziert, und schließlich muss es auch noch jemand umsetzen. Aus ihren Projekten der Begleitung von Organisationen auf dem Weg zur Klimaneutralität erscheint den Autoren folgende Erfahrung des Geschäftsführers Philipp Tiefenbach der Dorfbäckerei Tiefenbach, St. Johann-Würtingen, besonders treffend: „Machen ist wie Wollen, nur krasser.“ Für eine Kommune gerät dieser Prozess zu einem „wicked problem“. Sechs Lösungswege für Kommunen erscheinen attraktiv.
Die additive Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich weiterentwickelt. Dabei wurde die Prozesstechnologie, Anlagen und die Werkstoffe optimiert. Für die industrielle Anwendung auch bei größeren Stückzahlen in der flexiblen Fertigung fehlen noch automatisierte Lösungen für die gesamte Prozesskette. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Technologie für die Reinigung interner Strukturelemente dargestellt.
Sägen ist ein häufig unterschätzter spanender Prozess. Oft kommt das Sägen nur zum Zuschnitt von Rohteilen zum Einsatz. Bei der Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen werden damit jedoch Schichten in Toleranz direkt auf die montagefertigen Konturen zugeschnitten. Zur Steigerung von Qualität und Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses werden maschineninterne und sensorische Daten überwacht, ausgewertet und in den Prozess zurückgekoppelt. Daher kommt es auf die gezielte Kontrolle der entscheidenden Parameter mit möglichst wenigen und robusten Schnittstellen an. Im Rahmen eines ZIM-Kooperationsprojektes (Hochschule Reutlingen, Hema Frickenhausen, Pragmatic Minds Kirchheim) wurde dies für einen Bandsägeprozess erforscht und umgesetzt.
Lehrbuch zur CAD-Software Creo Parametric und zur Produktdatenverwaltung mit Windchill.
3D-Volumenmodellierung, 3D-Flächenmodellierung, Blechmodellierung, Baugruppen- und Zeichnungserstellung, Definition von Normteilen, Erstellen von Animationen und dynamischen Analysen.
Verfahren zum Umgang mit großen Baugruppen und zur flexiblen Modellierung, Konstruk-tionsvarianten "Top-Down" und "Bottom-Up", Organisation von Konstruktionsprojekten über Skeletttechnik.
Neu: Konstruktion von und mit Mehrkörperobjekten, Rahmenkonstruktion in der Profilumgebung (AFX), intelligente Verbindungen (IFX), Live Simulation und Generatives Design.
This paper presents a modular and scalable power electronics concept for motor control with continuous output voltage. In contrast to multilevel concepts, modules with continuous output voltage are connected in series. The continuous output voltage of each module is obtained by using gallium nitride (GaN) high electron motility transistor (HEMT)s as switches inside the modules with a switching frequency in the range between 500 kHz and 1 MHz. Due to this high switching frequency a LC filter is integrated into the module resulting in a continuous output voltage. A main topic of the paper is the active damping of this LC output filter for each module and the analysis of the series connection of the damping behaviour. The results are illustrated with simulations and measurements.
This paper presents a machine learning powered, procedural sizing methodology based on pre-computed look-up tables containing operating point characteristics of primitive devices. Several Neural Networks are trained for 90nm and 45nm technologies, mapping different electrical parameters to the corresponding dimensions of a primitive device. This transforms the geometric sizing problem into the domain of circuit design experts, where the desired electrical characteristics are now inputs to the model. Analog building blocks or entire circuits are expressed as a sequence of model evaluations, capturing the sizing strategy and intention of the designer in a procedure, which is reusable across different technology nodes. The methodology is employed for the sizing of two operational amplifiers, and evaluated for two technology nodes, showing the versatility and efficiency of this approach.
This paper covers test and verification of a forecast-based Monte Carlo algorithm for an optimized, demand-oriented operation of combined heat and power (CHP) units using the hardware-in-the-loop approach. For this purpose, the optimization algorithm was implemented at a test bench at Reutlingen University for controlling a CHP unit in combination with a thermal energy storage, both in real hardware. In detail, the hardware-in-the-loop tests are intended to reveal the effects of demand forecasting accuracy, the impact of thermal energy storage capacity and the influence of load profiles on demand-oriented operation of CHP units. In addition, the paper focuses on the evaluation of the content of energy in the thermal energy storage under practical conditions. It is shown that a 5-layer model allows to determine the energy stored quite accurately, which is verified by experimental results. The hardware-in-the-loop tests disclose that demand forecasting accuracies, especially electricity demand forecasting, as well as load profiles strongly impact the potential for CHP electricity utilization on-site in demand-oriented mode. Moreover, it is shown that a larger effective capacity of the thermal energy storage positively affects demand-oriented operation. In the hardware-in-the-loop tests, the fraction of electricity generated by the CHP unit utilized on-site could thus be increased by a maximum of 27% compared to heat-led operation, which is still the most common modus operandi of small-scale CHP plants. Hence, the hardware-in-the-loop tests were adequate to prove the significant impact of the proposed algorithm for optimization of demand-oriented operation of CHP units.
Der hohe Stellenwert von Energiedienstleistungen steht für Energieversorger außer Zweifel. Der Handlungsbedarf bleibt aber nach wie vor immens, erforderliche Change-Prozesse werden erst in wenigen Fällen aktiv und gezielt gestaltet. Dies sind die zentralen Ergebnisse einer gemeinsamen empirischen Studie vom "Reutlinger Energiezentrum für Dezentrale Energiesysteme und Energieeffizienz (REZ) an der Hochschule Reutlingen und der international tätigen Unternehmensberatung kwp consulting group.
Im Projekt GalvanoFlex_BW sind verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz von energieintensiven Industrieunternehmen aufgezeigt und untersucht worden. Die Einführung der KWK im stromoptimierten Betrieb stellte dabei einen besonders betrachteten Aspekt dar. Neben der technischen Untersuchung ist zudem eine sozialwissenschaftliche Betrachtung vorgenommen worden, um die Einführung und Umsetzung entsprechender Maßnahmen auch unter diesem Aspekt zu betrachten. Ein zusätzlicher wichtiger Schwerpunkt des Projektes war die Übertragung des erarbeiteten Wissens an weitere Unternehmen, Institutionen etc., die nicht direkt am Projekt beteiligt waren.
Durch die Zusammenarbeit von vier Forschungs- und drei Industriepartnern sind die Arbeiten praxisorientiert auf Basis realer Messdaten sowie im Zuge von Befragungen der handelnden Personen bei den Projektpartnern im Sinne eines Reallabors durchgeführt worden.
Die Notwendigkeit zur Einsparung von Energie und damit zur Umsetzung von Effizienzmaßnahmen ist ein wichtiger Schritt, um die von der EU geplante Reduktion von Treibhausgasen zu erreichen. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die Energiekosten auch zukünftig weiter ansteigen. Dadurch werden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz zu einem wichtigen Element, eine wettbewerbsfähige Produktion zu gewährleisten. Im Rahmen des Projektes sind deshalb verschiedene Energieeffizienzmaßnahmen speziell für die Galvanotechnik recherchiert, analysiert und in einen Maßnahmenkatalog überführt worden. Des Weiteren wurde eine Bewertungsmethode entwickelt, die die Unternehmen der Galvanotechnik bei der Identifikation von sinnvollen Energieeffizienzmaßnahmen unterstützen soll.
Bei den Untersuchungen zur Umsetzung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen konnte am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten gezeigt werden, dass der Einsatz entsprechender Anlagen wirtschaftlich lohnenswert ist. Im günstigsten Fall ergeben sich Amortisationszeiten von etwa zwei Jahren. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Auslegung des Block-heizkraftwerkes stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte. Eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement kann die Wirtschaftlichkeit jedoch häufig nur noch wenig gegenüber dem wärmegeführten Betrieb verbessern. Ursache dafür ist, dass das derzeitige Förder- und Vergütungssystem für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nahezu keine Anreize für einen am Strombedarf und damit an der Deckung von Residuallast orientierten Betrieb bietet. Einzig bei Unternehmen mit ausgeprägten Spitzen im Strombezug, kann der gezielte Einsatz eines Blockheizkraftwerkes zu einer signifikanten Senkung des Leistungspreises führen.
Darüber hinaus ist die Einführung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage generell als komplexe Energieeffizienzmaßnahme anzusehen, die deshalb neben den wirtschaftlichen Aspekten erhöhte Anforderungen an die Unternehmen und das professionelle Umfeld stellt, die im Rahmen der sozialwissenschaftlichen Begleitforschung untersucht worden sind. Dabei konnten Treiber aber auch Hemmnisse zur Umsetzung der Technologie sowohl innerhalb der Unternehmen als auch außerhalb identifiziert werden. Die internen Hemmnisse sind dabei auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen, wie die hohe Komplexität der KWK-Technologie, die schwierige Bewertung des Gesamtnutzens im Unternehmen, die mangelnde personelle Ausstattung und fehlende Unternehmerentscheidungen. Abhilfe schaffen, und damit als Treiber wirken, können hier ein verbessertes Beratungsangebot insbesondere seitens neutraler Stellen sowie der Anlagenbetrieb im Contracting.
Die Übertragung der im Projekt erarbeiteten Ergebnisse ist bereits während der Projektlaufzeit über die Branchenplattform im Zuge verschiedener Workshops, die speziell auf Unternehmen und Institutionen außerhalb des Projektkonsortiums ausgerichtet waren, erfolgt. Zur Verstärkung der Verbreitung des erarbeiteten Wissens ist zum Projektende eine Serie aus vier Fachartikeln in einem namhaften Branchenmagazin erschienen, und es ist eine Internetseite zum Projekt erstellt worden (www.galvanoflex_bw.de). Letztere hat dabei nicht nur die Aufgabe der Wissensverbreitung, sondern sie soll auch über das Projektende hinaus als Kontaktplattform dienen, um die Umsetzung von Effizienzmaßnahmen mit dem im Projekt generierten Wissen zu unterstützen.
We discuss the fabrication technologies for IC chips in this chapter. We will focus on the main process steps and especially on those aspects that are of particular importance for understanding how they affect, and in some cases drive, the layout of ICs. All our analyses in this chapter will be for silicon as the base material; the principles and understanding gained can be applied to other substrates as well. Following a brief introduction to the fundamentals of IC fabrication (Sect. 2.1) and the base material used in it, namely silicon (Sect. 2.2), we discuss the photolithography process deployed for all structuring work in Sect. 2.3. We will then present in Sect. 2.4 some theoretical opening remarks on typical phenomena encountered in IC fabrication. Knowledge of these phenomena is very useful for understanding the process steps we cover in Sects. 2.5–2.8. We examine a simple exemplar process in Sect. 2.9 and observe how a field-effect transistor (FET) – the most important device in modern integrated circuits—is created. To drive the key points home, we provide a review of each topic at the end of every section from the point of view of layout design by discussing relevant physical design aspects.
Industrielle Produktionseinrichtungen haben mit rund 40% einen signifikanten Anteil am Gesamtenergiebedarf in Deutschland. Daher wurden und werden sie sowohl technologisch als auch energetisch optimiert. Häufig geht die technologischwirtschaftliche Optimierung auch mit der Reduzierung des Energie und Materialverbrauchs einher. Zudem macht der Ausbau der regenerativen Energiequellen die Energieerzeugung zunehmend volatiler, sodass nicht nur die Senkung des absoluten Energieverbrauchs, sondern auch eine höhere Flexibilität (Steuerung der Leistung über der Zeit) zunehmend interessanter wird. Dadurch ändert sich oft die installierte Leistung sowie die Gestaltung der Verlustleistungsabfuhr, was die Dimensionierung von Anlagen, zum Beispiel von spanenden Werkzeugmaschinen, beeinflusst.
A methodology for designing planar spiral antennas with a feeding network embedded within a dielectric is presented. To avoid a purely academic work which may not be manufactured with available standard technologies, the approach takes into account manufacturing process requirements by choice of used materials in the simulation. General design rules are provided. They encompass amongst others, selection criteria for dielectric material, aspects to consider when sketching the radiating element design, as well as those for the implementation of the feeding network. A rule of thumb, which maybe helpful in the determination of the antenna supporting substrate’s height, has been found. The appeal of the method resides in the fact that it eases up the design process and helps to minimize errors, saving time and money. The approach also enables the design of a compact and small-size spiral antenna as antenna-in-package (AiP), and provides the opportunity to assemble the antenna with other RF components/systems on the same layer stack or on the same integration platform.
In this work, a brushless, harmonic-excited wound-rotor synchronous machine is investigated which utilizes special stator and rotor windings. The windings magnetically decouple the fundamental torque-producing field from the harmonic field required for the inductive power transfer to the field coil. In contrast to conventional harmonic-excited synchronous machines, the whole winding is utilized for both torque production and harmonic excitation such that no additional copper for auxiliary windings is needed. Different rotor topologies using rotating power electronic components are investigated and their efficiencies have been compared based on Finite-Element calculation and circuit analysis.
Despite strong political efforts in Europe, industrial small- and medium sized enterprises (SMEs) seem to neglect adopting practices for energy effciency. By taking a cultural perspective, this study investigated what drives the establishment of energy effciency and corresponding practices in SMEs. Based on 10 ethnographic case studies and a quantitative survey among 500 manufacturing SMEs, the results indicate the importance of everyday employee behavior in achieving energy savings. The studied enterprises value behavior related measures as similarly important as technical measures. Raising awareness for energy issues within the organization, therefore, constitutes an essential leadership task that is oftentimes perceived as challenging and frustrating. It was concluded that the embedding of energy efficiency in corporate strategy, the use of a broad spectrum of different practices, and the empowerment and involvement of employees serve as major drivers in establishing energy effciency within SMEs. Moreover, the findings reveal institutional influences on shaping the meanings of energy effciency for the SMEs by raising attention for energy effciency in the enterprises and making energy effciency decisions more likely. The main contribution of the paper is to offer an alternative perspective on energy effciency in SMEs beyond the mere adoption of energy-effcient technology.
Dieser Bericht fasst die wesentlichen Arbeiten und Ergebnisse zusammen, die in dem Verbundvorhaben „GalvanoFlex_BW“ im Kalenderjahr 2018 durchgeführt und erzielt wurden. Dazu lässt sich zunächst sagen, dass die Messwertaufnahme und –auswertung abgeschlossen ist. Es wurden verschiedene Messkampagnen bei der Fa. NovoPlan durchgeführt. Bei C&C Bark konnte man teilweise auf bestehende Daten zurückgreifen, die punktuell durch weitere Messungen ergänzt wurden. Bei der Fa. Hartchrom konnten aufgrund von Personalmangel keine Messungen durchgeführt werden. Die aufgenommenen Daten wurden in eine Effizienzbewertung überführt, aus der im Folgenden allgemeine Aussagen abgeleitet werden sollen. Dazu ist ein Simulationsprogramm aufgesetzt worden, das in der Lage ist, Prozessketten energetisch abzubilden und zu optimieren. Zudem sollen aus den Messdaten verbesserte Profile für den Wärmebedarf in den Unternehmen entwickelt werden, die daraufhin der KWK-Optimierung zur Verfügung gestellt werden. Im Zuge der Entwicklung und Bewertung stromoptimierter KWK- Strategien ist ein bestehendes Simulationsmodell entsprechend weiterentwickelt worden. Konkret wurde das Modell um eine verbesserte Lastprognose für Strom und Wärme für Industriebetriebe ergänzt, und das Optimierungsverfahren wurde um eine zweite Dimension erweitert. Während bislang allein die Optimierung der Eigenstromdeckung mit einer Begrenzung der BHKW-Starts als Nebenbedingung möglich war, ist jetzt die Kappung der elektrischen Lastspitze zusätzlich in der Zielfunktion integriert. Gerade bei Industrieunternehmen lässt sich auf diese Weise eine weitere, zum Teil nicht unerhebliche Energiekosteneinsparung erreichen, was durch die ersten Berechnungen anhand der drei im Reallabor vertretenden Betriebe bestätigt wird. Die Ergebnisse werden unter AP 8 (Umsetzung) diskutiert. Der Dialog mit weiteren Unternehmen und Institutionen außerhalb des Vorhabens konnte über die Branchenplattfom weitergeführt werden. In 2018 wurden zwei Veranstaltungen dieser Art durchgeführt, und im Frühjahr 2019 wird ein weiterer Workshop zu diesem Thema durchgeführt. Die sozialwissenschaftliche Begleitforschung wurde mit der zweiten Phase der Firmenbefragungen ebenfalls planmäßig weitergeführt. Mit Blick auf die Umsetzung eines BHKW-Konzeptes haben sich dabei zwei wichtige Punkte wie folgt gezeigt: Zum einen muss die umsetzende Firma eine gewisse „Energieeffizienz-Reife“ besitzen, die sich u.a. in der Erfahrung bei der Durchführung von Energieeffizienzmaßnahmen zeigt, da die Installation eines BHKWs eine äußerst komplexe Maßnahme darstellt. Zum anderen müssen andere unternehmensspezifische Kontextfaktoren hinzukommen, wie z.B. aus anderen Gründen durchzuführende bauliche Maßnahmen, so dass gewisse zeitliche Entscheidungsfenster entstehen, in denen die Umsetzung von KWK-Maßnahmen sinnvoll sind.
IC layout automation with self-organized wiring and arrangement of responsive modules (SWARM)
(2019)
Focused on automating analog IC layout, the multi-agent-system Self-organized Wir ing and Arrangement of Responsive Modules (SWARM) combines the powers of pro-cedural generators and algorithmic optimization into a novel bottom-up meets top-down flow of supervised layout module interaction. Provoking self-organization via the effect of emergence, examples show SWARM finding even optimal placement solutions and producing constraint-compliant layout blocks which fit into a specified zone.
Heat pumps are a vital element for reaching the greenhouse gas (GHG) reduction targets in the heating sector, but their system integration requires smart control approaches. In this paper, we first offer a comprehensive literature review and definition of the term control for the described context. Additionally, we present a control approach, which consists of an optimal scheduling module coupled with a detailed energy system simulation module. The aim of this integrated two part control approach is to improve the performance of an energy system equipped with a heat pump, while recognizing the technical boundaries of the energy system in full detail. By applying this control to a typical family household situation, we illustrate that this integrated approach results in a more realistic heat pump operation and thus a more realistic assessment of the control performance, while still achieving lower operational costs.
Bis zum Jahr 2050 soll in Baden Württemberg mit dem Ziel „50-80-90“ der Energiebedarf um 50% reduziert werden, die erneuerbaren Energien sollen zu 80% an der Energieversorgung beteiligt sein und die Emissionen von Treibhausgasen um 90% sinken.Entsprechende Ziele sind für andere Regionen und Länder in ähnlicher Weise festgelegt.
Damit diese Ziele erreicht werden, muss bei der Gebäudewärmeversorgung ein konsequenter Umbau stattfinden. Hier spielt die Sektorenkopplung mit Hilfe von Wärmepumpen (WP) eine entscheidende Rolle. Zur Abschätzung des Potenzials sowie des Aufwandes für einen großflächigen Einsatz von Wärmepumpen ist es unmöglich, eine spezifische und angepasste Dimensionierung der Wärmepumpensysteme für jedes einzelne Gebäude durchzuführen. Stattdessen müssen auf Seiten der Bebauung Referenzgebäude definiert und auf Seiten der Wärmepumpensysteme mittlere Leistungsdaten der am Markt befindlichen Modelle verwendet werden. Während die Festlegung von Referenzgebäuden verschiedentlich in der Literatur zu finden ist, widmet sich der erste Teil der Veröffentlichung der Vorstellung von Korrelationsfunktionen für die thermische und elektrische Leistung sowie die Leistungszahl (COP) von Wärmepumpen, die auf Basis von Herstellerdaten in Abhängigkeit der Quellen- und Vorlauftemperatur ermittelt wurden.
Konkret wurden als Ausgangsbasis für die Korrelationsfunktionen Datenblätter verschiedener Sole- und Luft-Wasser Wärmepumpen (SWP, LWP) zusammengestellt und ausgewertet. Die Grundlage hierfür war die Liste „Wärmepumpen mit Prüfnachweis eines unabhängigen Prüfinstituts“ des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).
Heat pumps in combination with a photovoltaic system are a very promising option for the transformation of the energy system. By using such a system for coupling the electricity and heat sectors, buildings can be heated sustainably and with low greenhouse gas emissions. This paper reveals a method for dimensioning a suitable system of heat pump and photovoltaics (PV) for residential buildings in order to achieve a high level of (photovoltaic) PV self-consumption. This is accomplished by utilizing a thermal energy storage (TES) for shifting the operation of the heat pump to times of high PV power production by an intelligent control algorithm, which yields a high portion of PV power directly utilized by the heat pump. In order to cover the existing set of building infrastructure, 4 reference buildings with different years of construction are introduced for both single- and multi-family residential buildings. By this means, older buildings with radiator heating as well as new buildings with floor heating systems are included. The simulations for evaluating the performance of a heat pump/PV system controlled by the novel algorithm for each type of building were carried out in MATLAB-Simulink® 2017a. The results show that 25.3% up to 41.0% of the buildings’ electricity consumption including the heat pump can be covered directly from the PV installation per year. Evidently, the characteristics of the heating system significantly influence the results: new buildings with floor heating and low supply temperatures yield a higher level of PV self-consumption due to a higher efficiency of the heat pump compared to buildings with radiator heating and higher supply temperatures. In addition, the effect of adding a battery to the system was studied for two building types. It will be shown that the degree of PV self-consumption increases in case a battery is present. However, due to the high investment costs of batteries, they do not pay off within a reasonable period.
In this paper, we address the novel EDP (Expert Design Plan) principle for procedural design automation of analog integrated circuits, which captures the knowledge-based design strategy of human circuit designers in an executable script, making it reusable. We present the EDP Player, which enables the creation and execution of EDPs for arbitrary circuits in the Cadence® Virtuoso® Design Environment. The tool provides a generic version of an instruction set, called EDPL (EDPLanguage), enabling emulation of a typical manual analog sizing flow. To automate the design of a Miller Operational Amplifier and to create variants of a Smart Power IC, several EDPs were implemented using this tool. Employing these EDPs leads to a strong reduction of design time without compromising design quality or reliability.
The Virtual Power Plant Neckar-Alb is a demonstration platform for operation, optimization and control of distributed energy resources, which are able to produce, store or consume electric energy. A heterogeneous set of distributed energy devices has been installed at the Campus of Reutlingen University by the Reutlingen Energy Centre (REZ) of the School of Engineering. The distributed energy devices have been combined to local microgrids and connected to an operative central power plant with additional participants. The demonstration platform serves students, researchers and industry experts for education and investigation of new technologies, devices and software.
A digital twin - a replica of energy devices - was established in the computing environment of MATLAB and Simulink. It simulates continuously their operation and is time synchronized and connected to the cenral energy management and control system of a virtual power plant. The model can be used as a platform for testing device performance in various conditions, working schedules and new optimization options.
Anders als Digital-ICs, die hochautomatisiert entworfen werden können, ist der Entwurf analoger ICs bis heute Handarbeit. Übliche auf Optimierung basierende Automatisierungsverfahren scheitern. Die Ursachen wurden jetzt in einem Forschungsprojekt untersucht, um neue Ansätze zur Entwurfsautomatisierung analoger ICs abzuleiten.
This paper presents an approach for the implementation of a modular and scalable power electronics device for controlling electric drives in the field of electric vehicles using wide bandgap semiconductor devices. The main idea is to achieve the required output currents or voltages by connecting adequately designed hardware modules in parallel or in series. This particular design is based on the fact that the single modules generate a continuous and specified output voltage from a given dc voltage, e.g. an intermediate circuit or battery voltage. The main benefit is, that different current or voltage requirements can be satisfied based on a single module thus decreasing development and production costs. The current paper focuses on the connection in parallel of such modules. A control architecture is illustrated and a first proof of concept is given.
This paper discusses the optimal control problem for increasing the energy efficiency of induction machines in dynamic operation including field weakening regime. In an offline procedure optimal current and flux trajectories are determined such that the copper losses are minimized during transient operations. These trajectories are useful for a subsequent online implementation.
In this work design rules for a novel brushless excitation system for externally excited synchronous machines are discussed. The concept replaces slip rings with a fullbridge active rectifier and a controller mounted on the rotor. An AC signal induced from the stator is used to charge the rotor DC link. The DC current for the rotor excitation is provided from this DC link source. Finite element analysis of an existing machine is used to analyze the practicability of the excitation system.
A novel brushless excitation concept for synchronous machines with a rotating power converter is proposed in this paper. The concept does not need an auxiliary winding or any other modification to the machine structure apart from an inverter with a DC link capacitor and a controller on the rotor. The power required for the rotor excitation is provided by injecting harmonics into the stator winding. Thus, a voltage in the field coil is induced. The rotor inverter is controlled such that the alternating current charges the DC link capacitor. At the same time the inverter supplies the DC field current to the field coil. The excitation concept is first developed in theory, then presented using an analytical model and FEA, and lastly investigated with a prelimininary experimental setup.
Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Verbund von Energieanlagen, koordiniert von einem gemeinsamen Leitsystem, um eine bessere Ausnutzung wetterabhängiger Energiequellen oder die gemeinsame Vermarktung von erzeugtem Strom zu ermöglichen. Der Demonstrator Virtuelles Kraftwerk Neckar-Alb ist eine Demonstrationsplattform für Forschung und Lehre, die Anlagen auf dem Campus der Hochschule Reutlingen und verteilte Anlagen in der Region Neckar-Alb integriert.
The field of additive manufacturing has experienced an incredible surge over the last few years. Affordable end-user printers, which open a wide variety of new production opportunities, have spread throughout the so called "maker community", while overblown reports about the possibilities on offer have whipped up a real hype. Although new ways of making products have now become available, what can actually be achieved often lags behind people's expectations. On the one hand, this is down to component quality and the materials being used, while on the other hand, most printers found in the end-user sphere use the FDM or DLP process, which significantly restricts the printing methods that can be utilized.
This book covers the fundamental knowledge of layout design from the ground up, addressing both physical design, as generally applied to digital circuits, and analog layout. Such knowledge provides the critical awareness and insights a layout designer must possess to convert a structural description produced during circuit design into the physical layout used for IC/PCB fabrication.
Novel design for a coreless printed circuit board transformer realizing high bandwidth and coupling
(2019)
Rogowski coils offer galvanic isolation and can measure alternating currents with a high bandwidth. Coreless printed circuit board (PCB) transformers have been used as an alternative to limit the additional stray inductance if a Rogowski coil can not be attached to the circuit. A new PCB transformer layout is proposed to reduce cost, decrease additional stray inductance, increase the bandwidth of current measurements and simplify the integration into existing designs.
Improved inductive feed-forward for fast turn-on of power semiconductors during hard switching
(2019)
A transformer is used to increase the gate voltage during turn-on, thus reducing the necessary bias voltage of the gate driver. Counteracting the voltage dependency of the gate capacitance of high-voltage power devices, faster transitions are possible. The additional transformer only slighly increases the over-voltage during turn-off.
Nowadays, the demand for a MEMS development/design kit (MDK) is even more in focus than ever before. In order to achieve a high quality and cost effectiveness in the development process for automotive and consumer applications, an advanced design flow for the MEMS (micro electro mechanical systems) element is urgently required. In this paper, such a development methodology and flow for parasitic extraction of active semiconductor devices is presented. The methodology considers geometrical extraction and links the electrically active pn junctions to SPICE standard library models and subsequently extracts the netlist. An example for a typical pressure sensor is presented and discussed. Finally, the results of the parasitic extraction are compared with fabricated devices in terms of accuracy and capability.
Due to the lack of sophisticated component libraries for microelectromechanical systems (MEMS), highly optimized MEMS sensors are currently designed using a polygon driven design flow. The advantage of this design flow is its accurate mechanical simulation, but it lacks a method for an efficient and accurate electrostatic analysis of parasitic effects of MEMS. In order to close this gap in the polygon-driven design flow, we present a customized electrostatic analysis flow for such MEMS devices. Our flow features a 2.5D fabrication-process simulation, which simulates the three typical MEMS fabrication steps (namely deposition of materials including topography, deep reactive-ion etching, and the release etch by vapor-phase etching) very fast and on an acceptable abstraction level. Our new 2.5D fabrication-process simulation can be combined with commercial field-solvers such as they are commonly used in the design of integrated circuits. The new process simulation enables a faster but nevertheless satisfactory analysis of the electrostatic parasitic effects, and hence simplifies the electrical optimization of MEMS.