Vibration converters based on piezoelectric materials are currently becoming increasingly important for powering low-power wireless sensor nodes and wearable electronic devices. Piezoelectric materials generate variable electrical charges under mechanical stress, requiring an energy management interface to meet load requirements. Resonant interfaces like Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor (P-SSHI) are highly efficient and robust to energy sources and loads variations. Nevertheless, SSHI circuits require synchronous switch control for efficient energy transfer. At irregular excitation, SSHI circuits may not perform optimally because the resonant frequency of the circuit is typically tuned to match the frequency of the energy source, which in the case of footsteps can be irregular and unpredictable. In addition, the circuit may also be susceptible to noise and interference from irregular excitations, which can further affect its performance. The aim is to design a self-powered energy management solution that can operate autonomously even at low frequencies and for irregular chock excitations, while at the same time allowing higher energy flow to the energy storage device and maintaining high levels of energy efficiency. To evaluate the performance of the proposed circuit, a piezoelectric shoe insole is designed and used for testing with different storage capacitance values and loads as a proof of the circuit’s adaptability to various loading conditions.:1 Introduction 2 Theoretical background 3 State of the art of piezoelectric energy harvesting interfaces 4 Novel approach of SP-PSSHI piezoelectric energy harvesting interface 5 Experimental investigations 6 Conclusions and Outlook

Im Sinne einer nachhaltigen und ganzheitlichen Firmenentwicklung lässt sich in der Unternehmenslandschaft ein Trend in Richtung einer kontinuierlichen Erweiterung des unternehmerischen Zielsystems beobachten. Neben etablierten Aspekten, wie dem Qualitätsmanagement und der Arbeitssicherheit, erlangen weitere Themen, wie beispielsweise das betriebliche Umwelt- und Energiemanagement, zunehmend an Bedeutung. Um die Berücksichtigung dieser Aspekte nachzuweisen, steht Unternehmen die Möglichkeit zur Zertifizierung nach funktionsspezifischen Managementsystemnormen offen. Die Einführung und Dokumentation entsprechender Managementsysteme erweist sich jedoch als ein zeitintensiver Prozess, dessen Schwierigkeit vor allem in der unternehmensspezifischen Interpretation der allgemein formulierten Normanforderungen liegt. Strebt ein Unternehmen die Zertifizierung nach mehreren Managementsystemnormen an, so eröffnet sich die Möglichkeit zur Integration der Managementsysteme. Allerdings sind auch die Aufgaben der Integration durch verschiedene Herausforderungen gekennzeichnet, die den Bedarf nach einer systematischen Unterstützung verdeutlichen. Im Bereich der Wirtschaftsinformatik haben sich konzeptuelle Modelle als Instrument zur zielorientierten und verständlichen Beschreibung komplexer Informationssysteme etabliert. Entsprechende Modelle können die Durchdringung und Kommunikation komplexer Sachverhalte durch eine zweckmäßige Abstraktion und Strukturierung vereinfachen und eine Überführung in Anwendungssoftware vorbereiten. Für die vorliegende Dissertation leitet sich unter Berücksichtigung dieser Aspekte folgende zentrale Forschungsfrage ab: Wie kann die konzeptuelle Modellierung bei den Aufgaben der Dokumentation und Integration standardisierter Managementsysteme unterstützen? Der Forschungsmethode des Design Science Research folgend, präsentiert die vorliegende Arbeit funktionsspezifische und funktionsunspezifische Artefakte, die bei der Dokumentation standardisierter Managementsysteme und deren Integration modellbasiert unterstützen. Die Anwendbarkeit der Artefakte wird anhand eines realen Anwendungsfalls demonstriert. Die Ausführungen der vorliegenden Arbeit basieren auf einer Analyse der Anforderungen nach ISO 9001 für Qualitätsmanagementsysteme, ISO 14001 für Umweltmanagementsysteme, ISO 50001 für Energiemanagementsysteme, OHSAS 18001 für Arbeitsschutz- und Arbeitssicherheitsmanagementsysteme sowie des durch die Internationale Organisation für Standardisierung veröffentlichten Annex SL.

Ein geringer Treibstoffverbrauch ist aufgrund von ökologischen und ökonomischen Zielen für die zivile Luftfahrt von großer Bedeutung. Daher werden seit Jahrzehnten konventionell hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme durch elektrisch betriebene Systeme ersetzt. Dieser Trend wird auch als „More Electric Aircraft (MEA)“ bezeichnet. In bisherigen Studien waren MEA-Architekturen zwar effizienter, jedoch deutlich schwerer als die konventionellen Architekturen. Basierend auf ökonomischen Modellen wird in der vorliegenden Arbeit die modellbasierte Entwicklung eines intelligenten Energiemanagements für Flugzeug-Energiesysteme demonstriert. Das Energiemanagement ermöglicht eine deutliche Reduktion der Systemmasse, verbessert die Energieeffizienz und kann damit den Treibstoffverbrauch eines MEA beträchtlich reduzieren. Insbesondere durch die integrierte und frühzeitige Entwicklung des Energiemanagements mit dem elektrischen System in der Modellbeschreibungssprache Modelica lassen sich die Systemkomponenten mit realistischen Lastprofilen dimensionieren und dadurch die Systemmasse reduzieren. Anhand eines elektrischen Referenzsystems wird das Optimierungspotenzial des Energiemanagements bezüglich Massenreduktion und Energieeffizienzsteigerung quantifiziert und am Systemmodell validiert. Es ergibt sich für das Systemmodell eine Reduktion der Systemmasse um 32 % sowie eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz. Durch die multiphysikalische Implementierung des Energiemanagements lässt sich dieses auch für das thermische Management im Flugzeug verwenden. Hierbei kann eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz für die Bereitstellung von Kühlleistung erzielt werden. Aufgrund der erreichten Vorteile sollte ein Energiemanagement bei der Entwicklung zukünftiger Flugzeugenergiesysteme in Betracht gezogen werden. Insbesondere beim MEA existiert ein großes Optimierungspotenzial durch das Energiemanagement. Die Ausführungen in der vorliegenden Arbeit sollen als Motivation für die Flugzeugindustrie dienen, mit realistischen Lastprofilen zu dimensionieren und die modellbasierte und integrierte Entwicklung eines Energiemanagements mit den Energiesystemen bereits in frühen Entwicklungsphasen durchzuführen. / Low fuel consumption is a major concern in civil aerospace due to environmental and economic objectives. Hence, conventional hydraulically or pneumatically driven aircraft systems have been replaced by electrically driven systems for decades. This trend is also known as More Electric Aircraft (MEA). In former studies, MEA architectures were more efficient, but much heavier than their conventional counterparts. The present work demonstrates the model-based development of intelligent energy management algorithms for aircraft energy systems based on economic models. This energy management facilitates a significant reduction of system mass, improves energy efficiency and can hence reduce fuel consumption of MEA considerably. In particular, the integrated development of an energy management along with the electrical system in the Modelica modelling language enables sizing of system components with realistic load profiles. Hence, this reduces the system mass. The optimization potential of the energy management is quantified and validated by means of an electrical reference system model. Applying the energy management, the mass of this system model can be reduced by 32 % and the energy efficiency can be improved slightly. Due to the multi-physical modelling of the energy management, it can also be applied to thermal management of aircraft systems. Thus, the energy efficiency of the cooling system can be improved significantly. As a result of the demonstrated benefits, an energy management should be considered for future development of aircraft energy systems. Especially for MEA, there is tremendous optimization potential for the energy management. Hence, the present work shall motivate aircraft industry to size aircraft systems with realistic load profiles and perform a model-based and integrated development of the energy management along with the electrical system in early phases of the system design process.

An assessment study of a novel approach is presented that combines discrete state-space Dynamic Programming and Pontryagin’s Maximum Principle for online optimal control of hybrid electric vehicles (HEV). In addition to electric energy storage and gear, kinetic energy and travel time are considered states in this paper. After presenting the corresponding model using a parallel HEV as an example, a benchmark method with Dynamic Programming is introduced which is used to show the solution quality of the novel approach. It is illustrated that the proposed method yields a close-to-optimal solution by solving the optimal control problem over one hundred thousand times faster than the benchmark method. Finally, a potential online usage is assessed by comparing solution quality and calculation time with regard to the quantization of the state space.

Ein optimales Ausnutzen der von dezentralen Erzeugern innerhalb der bestehenden Energie- versorgungsstruktur bereitgestellten Energie fordert besonders bei der Einbindung regenerativer Quellen eine hohe Korrelation zwischen Angebot und Nachfrage. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels Energiemanagementverfahren ein enger Zusammenhang zwischen dem Energieangebot aus fluktuierenden Quellen und der Energienachfrage hergestellt werden kann. Dabei wird ein entsprechender Optimierungsalgorithmus aufgestellt, der die für einen möglichst umfassenden Eigenverbrauch der erzeugten Energie notwendigen Anpassungsschritte ermittelt. Bei der Analyse von Energieangebot und -nachfrage wird, ausgehend von einer allgemeinen Darstellung, eine auf die Bedürfnisse eines Energiemanagements angepasste spezielle Beschreibung der Energiesituation erarbeitet. Die Anpassung von Energieangebot und -nachfrage erfolgt über die Auswahl spezifischer Verbrauchergruppen und die Ausnutzung der aus den systeminternen Zeitkonstanten resultierenden möglichen Unterbrechungsdauern. Die Vorgehensweise wird an Hand des Elektroenergiebezugs ausgesuchter klimatechnischer Anlagen in Verbindung mit einer regenerati- ven Energieerzeugung auf Basis der Photovoltaik dargestellt.

Die Dissertation beschreibt ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren für Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsysteme. Den Ausgangspunkt bildet die Analyse der Schwankungseigenschaften spezifischer Energiezeitreihen: des Photovoltaik-Energieangebots und des elektrischen Verbrauchs von Haushalten. Konzepte zur zeitgestaffelten Zerlegung, Modellierung und Prognose werden vorgestellt. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Grundlagen von Aufbau und Funktion eines Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsystems und präsentiert Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen einer PEM-Brennstoffzelle, einer Supercap-Einheit, einer Lithium-Ionen Batterie sowie eines speziell entwickelten DC/DC-Wandlers. Praxistaugliche Modelle zur Beschreibung des Klemmenverhaltens, des Ladezustands und der auftretenden Wandlungsverluste werden vorgestellt. Der dritte Teil der Dissertation präsentiert ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren. Optimierungsziele sind die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Brennstoffzellen-Beanspruchung. Das Verfahren basiert auf den drei Steuerungsebenen: Primärregelung, Sekundärregelung und Systembetriebsführung. Schwerpunkt bildet die Sekundärregelung auf der Basis einer speziellen Struktur aus Laderegler und Lastfolgeregler sowie zwei Blöcken zur aktiven Begrenzung des Leistungsgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle. Die Funktion und Leistungsfähigkeit des Energiemanagement-Verfahrens werden an einem Simulations- und an einem Experimentiersystem nachgewiesen. Anwendungsbeispiele werden gegeben. / The dissertation presents a new optimizing energy management concept for fuel cell-direct storage-hybrid systems. Initially, the characteristics of specific energy time series are investigated on the basis of real measurement data. A new concept for the multi-scale analysis, modelling and prediction of fluctuating photovoltaic supply and electric load demand profiles is developed. The second part of the dissertation starts with a discussion of the benefits of and the basic coupling and control principles for fuel cell-direct storage-hybrid systems. The typical characteristics of a PEM-fuel cell, a metal hydride hydrogen storage, a lithium-ion battery and a supercap unit are presented. A new modular DC/DC-converter is described. Results from experimental and theoretical investigations of the individual components and the overall hybrid system are discussed. New practicable models for the voltage-current-curve, the state of charge behaviour and the conversion losses are presented. The third part of the dissertation explains the new energy management concept. The optimization of power flows is achieved by a control-oriented approach, employing a) the primary control of bus voltage and fuel cell current, b) the secondary control to limit fuel cell current gradient and operating range and to perform direct storage charge control, and c) the system control to optimally adjust secondary control parameters aiming for a reduction of dynamic fuel cell stress and hydrogen consumption. Results from simulations and experimental investigations demonstrate the benefits and high capabilities of the new optimizing energy management concept. Examples of stationary and portable applications conclude the dissertation.

Ein Brennstoffzellenfahrzeug besteht aus vielen Teilsystemen, zu denen neben der Brennstoffzelle auch Hybridbatterie, Wärmepumpe, Tanksystem, Fahrgastzelle sowie Traktionsmaschine und Leistungselektronik gehören. Jedes dieser Systeme hat bezüglich Temperaturen und Kühl- bzw. Erwärmungsbedarf, je nach Betriebspunkt, unterschiedliche Anforderungen und benötigt für den Betrieb ein Thermomanagementsystem. Im Rahmen der aktuellen Forschungen wird untersucht, ob durch die Verwendung eines aktiven Thermomanagementmoduls die Teilsysteme des Fahrzeugs derart verknüpft werden können, sodass eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems erreicht werden kann. Da sich je nach Betriebszustand und Umgebungsbedingungen Größe und Richtung der Wärmeströme ändern, wird mittels eines simulationsbasierten Ansatzes eine Strategie für die Regelung des Thermomanagementmoduls entwickelt. In dieser Veröffentlichung soll dargestellt werden, welche Vorüberlegungen getroffen wurden, um ein Konzept für ein ganzheitliches Energiemanagement für ein Brennstoffzellenfahrzeug zu entwickeln.

Ein geringer Treibstoffverbrauch ist aufgrund von ökologischen und ökonomischen Zielen für die zivile Luftfahrt von großer Bedeutung. Daher werden seit Jahrzehnten konventionell hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme durch elektrisch betriebene Systeme ersetzt. Dieser Trend wird auch als „More Electric Aircraft (MEA)“ bezeichnet. In bisherigen Studien waren MEA-Architekturen zwar effizienter, jedoch deutlich schwerer als die konventionellen Architekturen. Basierend auf ökonomischen Modellen wird in der vorliegenden Arbeit die modellbasierte Entwicklung eines intelligenten Energiemanagements für Flugzeug-Energiesysteme demonstriert. Das Energiemanagement ermöglicht eine deutliche Reduktion der Systemmasse, verbessert die Energieeffizienz und kann damit den Treibstoffverbrauch eines MEA beträchtlich reduzieren. Insbesondere durch die integrierte und frühzeitige Entwicklung des Energiemanagements mit dem elektrischen System in der Modellbeschreibungssprache Modelica lassen sich die Systemkomponenten mit realistischen Lastprofilen dimensionieren und dadurch die Systemmasse reduzieren. Anhand eines elektrischen Referenzsystems wird das Optimierungspotenzial des Energiemanagements bezüglich Massenreduktion und Energieeffizienzsteigerung quantifiziert und am Systemmodell validiert. Es ergibt sich für das Systemmodell eine Reduktion der Systemmasse um 32 % sowie eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz. Durch die multiphysikalische Implementierung des Energiemanagements lässt sich dieses auch für das thermische Management im Flugzeug verwenden. Hierbei kann eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz für die Bereitstellung von Kühlleistung erzielt werden. Aufgrund der erreichten Vorteile sollte ein Energiemanagement bei der Entwicklung zukünftiger Flugzeugenergiesysteme in Betracht gezogen werden. Insbesondere beim MEA existiert ein großes Optimierungspotenzial durch das Energiemanagement. Die Ausführungen in der vorliegenden Arbeit sollen als Motivation für die Flugzeugindustrie dienen, mit realistischen Lastprofilen zu dimensionieren und die modellbasierte und integrierte Entwicklung eines Energiemanagements mit den Energiesystemen bereits in frühen Entwicklungsphasen durchzuführen. / Low fuel consumption is a major concern in civil aerospace due to environmental and economic objectives. Hence, conventional hydraulically or pneumatically driven aircraft systems have been replaced by electrically driven systems for decades. This trend is also known as More Electric Aircraft (MEA). In former studies, MEA architectures were more efficient, but much heavier than their conventional counterparts. The present work demonstrates the model-based development of intelligent energy management algorithms for aircraft energy systems based on economic models. This energy management facilitates a significant reduction of system mass, improves energy efficiency and can hence reduce fuel consumption of MEA considerably. In particular, the integrated development of an energy management along with the electrical system in the Modelica modelling language enables sizing of system components with realistic load profiles. Hence, this reduces the system mass. The optimization potential of the energy management is quantified and validated by means of an electrical reference system model. Applying the energy management, the mass of this system model can be reduced by 32 % and the energy efficiency can be improved slightly. Due to the multi-physical modelling of the energy management, it can also be applied to thermal management of aircraft systems. Thus, the energy efficiency of the cooling system can be improved significantly. As a result of the demonstrated benefits, an energy management should be considered for future development of aircraft energy systems. Especially for MEA, there is tremendous optimization potential for the energy management. Hence, the present work shall motivate aircraft industry to size aircraft systems with realistic load profiles and perform a model-based and integrated development of the energy management along with the electrical system in early phases of the system design process.

An assessment study of a novel approach is presented that combines discrete state-space Dynamic Programming and Pontryagin’s Maximum Principle for online optimal control of hybrid electric vehicles (HEV). In addition to electric energy storage and gear, kinetic energy and travel time are considered states in this paper. After presenting the corresponding model using a parallel HEV as an example, a benchmark method with Dynamic Programming is introduced which is used to show the solution quality of the novel approach. It is illustrated that the proposed method yields a close-to-optimal solution by solving the optimal control problem over one hundred thousand times faster than the benchmark method. Finally, a potential online usage is assessed by comparing solution quality and calculation time with regard to the quantization of the state space.

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.