Vorlesungen

Das Lehrangebot des ipv im Überblick

Unsere Vorlesungen vermitteln die Grundlagen zum Verständnis der Funktion elektronischer Bauelemente und Baugruppen. Die Studierenden sollen sich einen Überblick über die grundlegenden Elemente und Begriffe der Elektrotechnik verschaffen.

Gegenwärtig werden folgende Lehrveranstaltungen angeboten:

Übersicht Lehrveranstaltungen SS 2019 (pdf)

Vorlesungen im Wintersemester

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Inhalt:

  • Motivation and introduction
  • Physical-chemical motivated battery models (Doyle, Fuller, Newman)
  • Analytical (empirical) battery models
  • Abstract battery models (equivalent circuit, stochastic-based)
  • Aging effects in batteries
  • Thermal modelling of batteries
  • Practical implementation of the battery models with examples (electromobility, renewable energies)
  • Energy management aspects (introduction, need, fields of application)
  • Energy management in electrochemical and electrical cells
  • Energy management in the automotive powertrain (small and medium vehicles)
  • Energy management in the automotive powertrain (large and heavy duty vehicles)
  • Energy management in battery based stationary and island applications
  • Sustainable energy chains
  • Smart house
  • Future concepts for battery modelling and energy management

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Inhalt:

  • Atom and ion movements (diffusion) in materials
  • Thermal properties of materials
  • Ceramic materials: glass / inorganic
  • Polymers: classification, effect of temperature, mechanical properties, crystallization, synthesis, fabrication
  • Electronic materials: conductivity, insulators, polarization, thermoelectricity
  • Examination and characterization of materials: optical, electrochemical, SEM, XRD, XPS, TEM, Raman, ToF-SIMS, AFM, IR
  • Application: polymer sensors, polymer membrane, hydrogen storage materials, electroceramics for fuel cells, battery & sensors, Peltier element

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Inhalt:

The lecture "Lasers and Light Sources" is presented in English language. It covers the basics of light and the generation of radiation. The lecture first introduces the principles of human vision and the physics of light and color. The audience acquires knowledge about the fundamentals of coherent and incoherent light sources, as well as some semiconductor physics which is necessary to understand the excitation and recombination processes that govern the generation and emission of radiation in light emitting diodes and semiconductor lasers.

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Inhalt:

Die Vorlesung "Mikroelektronik" schafft die Grundlagen zum Verständnis von Halbleitern und den daraus aufgebauten elektronischen Bauelementen, wie Transistoren, Dioden, Solarzellen oder Lasern. Die technologischen Herausforderungen veranschaulicht ein kurzer Exkurs zur Herstellung und Prozessierung von Silizium für die Mikroelektronik und die Photovoltaik. Aufbauend auf den Vergleich zwischen Metallen, Halbleitern und Isolatoren, erschließen sich Dotierung und elementare Eigenschaften von Elektronen und Löchern in Halbleitern. Im Banddiagramm beschreiben und diskutieren wir Ströme in undotierten und dotierten Halbleitern, um über die Elektrostatik zur Strom/Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs vorzudringen.

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Inhalt:

Die Studierenden lernen Aufbau, Architekturen und Anforderungen mobiler Energiespeicher für den elektrischen Antriebsstrang kennen. Folgende Themen werden behandelt:

  • Elektrifizierung des Antriebsstrangs, Architekturen: 12 V Bordnetz (Start-Stopp), 48 V (erweitertes Bordnetz, milde Hybridisierung), HEV (Hybrid Electric Vehicles), PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), BEV (Battery Electric Vehicle), FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle).
  • Elektrische Energiespeicher für die Elektromobilität: Blei-Säure, Nickel-Metall Hydrid, Li-Ionen, Redox-Flow, Post Li-Ionen, Doppelschichtkondensatoren, Brennstoffzellen, Schwungrad.
  • Batteriemanagement und Ladekonzepte: Elektrisches Management, thermisches Management, Ladeverfahren, Ladeinfrastruktur.
  • Systemarchitekturen: Gesamtaufbau mobiler Energiespeicher für die eingangs genannten unterschiedlichen Applikationsfelder, insbesondere mechanische Konstruktionsaspekte.
  • Elektromobilität: Gesamtenergiebilanzbetrachtungen, Recycling, Umweltaspekte, Kostenstrukturen, Akzeptanz.
    Weitere Applikationen: Schiene, Luftfahrt, Schiffe.

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Inhalt:

  • Solarstrahlung
  • Solarzellen: Alternativen zu konventionellem, kristallinen Silizium
  • Markt und Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen
  • Module: Temperatur, Verschaltung, Schutzdioden
  • Standort und Verschattung
  • Komponenten von Photovoltaikanlagen
  • Planung und Dimensionierung
  • Simulationen
  • Installation und Inbetriebnahme
  • Betrieb, Wartung, Monitoring
  • Photovoltaische Messtechnik

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Inhalt:

Funktionsweise von photovoltaischen Inselsystemen (Standalone PV, netzferne PV) verstehen. Unterschiedliche Typen und deren Komponenten (PV-Module, Laderegler, Wechselrichter, Speicher, Verbraucher) kennenlernen und dimensionieren können. Simulationsverfahren lernen und anwenden. Die Wirtschaftlichkeit von Inselsystemen berechnen können und mit anderen Energiesystemen vergleichen. Einfache, kleine Inselsysteme auslegen und aufbauen können.

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Inhalt:

Die Studierenden lernen verschiedene elektrochemische, elektrostatische und chemische Energiespeichertechniken auf Zellebene vertiefend kennen. Der Gesamtaufbau von Energiespeichern aus diesen Zellen wird eingehend behandelt. Applikationsfelder (mobil, stationär, erneuerbare Energien,,..) werden diskutiert. Aspekte von Infrastruktur, Umwelt (Recycling), Kosten, Verfügbarkeit, Laufzeiten und Akzeptanz runden die Veranstaltung ab. Folgende Themen werden behandelt:

  • Elektrische Energiespeicherzellen: Elektrochemische (wiederaufladbare), elektrostatische (Kondensatoren) und chemische Energiespeicher (Brennstoffzellen, Elektrolyse, Power to Gas, Power to Liquid, Power to Solid).
  • Energiespeichersysteme: Aufbau von Energiespeichern aus Einzelzellen, Bauformen von Einzelzellen, mechanisches Design, Module und Speicher, Batteriesicherheit (Normen, Standards, Homologation), Recycling.
  • Speicher-Management (Messen, Steuern, Regeln): Elektrisches Batteriemanagement, thermisches Batteriemanagement, mechanisches Batteriemanagement, wichtige Messgrößen (Innenwiderstand, Leistung, Verlustleistung, Leitfähigkeit,...), Batteriekenngrößen (State of Charge, State of Health, State of Function).
  • Simulation: Impedanzanalyse, Parameterbestimmung der Ersatzschaltbilder über Impedanzanalyse oder Pulse, physikochemische Beschreibung einer Zelle, Alterungsvorhersage.
  • Großtechnische elektochemische und chemische Energiespeicherung: Große elektrochemische Energiespeicher (Potential und Gerenzen), Power-to-Gas, Elektrolyse (alkalische Elektrolyse, Protonenaustausch-Membran-Elektrolyse), Wasserstoffwirtschaft (aktuelle und zukünftige Anwendungsgebiete, Infrastruktur), Power to Liquid, Einbindung von CO2 (Methanisierung, flüssige Kohlenwasserstoffe), Power to Solid

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Inhalt:

Das Halten von Vorträgen vor Kollegen, Vorgesetzten, Kunden oder bei Tagungen zählt zu den wichtigsten Werkzeugen im  Berufsleben von Ingenieuren/innen und Naturwissenschaftler/innen. Teil I der Veranstaltung „Wissenschaftliches Vortragen und Schreiben“ behandelt deswegen das Thema „Vortrag“. Die Studierenden lernen, einen Vortrag aus Sicht des Publikums zu sehen und ihn folglich so aufzubauen, dass Kernbotschaften ohne lange Umschweife, vor allem aber mehrmals (!) akustisch und visuell ankommen. Dazu lernen die Teilnehmer Grundtechniken, einen kurzen (12-minütigen) Vortrag auf der Basis eigener wissenschaftlicher Ergebnisse zu erarbeiten und den Vortrag sowie die Wirkung des Vortragenden aus Sicht des Publikums zu sehen. Hierzu werden auch der Einfluss von Körpersprache, Stimme, ihres Stehens und der nonverbalen Kommunikation mit dem Publikum  diskutiert.  Hinzu kommt eine Diskussion des Verwendens von Laserpointer oder Zeigestock, die Qualität der Grafiken, die Einteilung der Folien, die Länge der Sätze etc. und ihr Einfluss auf die Glaubwürdigkeit der eigenen Präsentation.  Es wird herausgearbeitet, wie man typische Fehler in der Struktur, Technik und im Halten von Vorträgen vermeidet.

Zielgruppe:

  • Doktoranden

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Vorlesungen im Sommersemester

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Inhalt:

The lecture "Optoelectronics I" is presented in English language. It covers the basics of the generation and transport of radiation. The audience acquires knowledge about the fundamentals of coherent and incoherent radiation, as well as some semiconductor physics which is necessary to understand the excitation and recombination processes that govern the generation and emission of radiation in light emitting diodes and semiconductor lasers. A short introduction to glass fibers and photodetectors completes the quick survey on optoelectronics.

Veranstaltungsinformationen:

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Inhalt:

  • Der Photovoltaische Effekt (Zelle, Modul, Anlage)
  • Solarstrahlung und Energieumsatz in Deutschland
  • Grundprinzip und Kenngrößen von Solarzellen
  • Ersatzschaltbilder von Solarzellen
  • Maximaler Wirkungsgrad
  • Photovoltaik-Materialien und –Technologien
  • Modultechnik
  • Photovoltaische Systemtechnik
  • (Jahres-) Energieerträge von Photovoltaiksystemen

Veranstaltungsinformationen:

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Inhalt:

  • Überblick
  • Solarstrahlung und Absorption
  • Elektronischer Transport in Halbleitern
  • Rekombinationsprozesse in Halbleitern
  • Theorie der idealen Solarzelle (und Leuchtdiode)
  • Wirkungsgradgrenzen von Silizium
  • Optische Eigenschaften von Solarzellen
  • Oberflächen, Grenzflächen und Kontakte
  • Wie man eine gute (konventionelle) Solarzelle aus kristallinem Silizium macht

Veranstaltungsinformationen:

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Inhalt:

Die Studierenden lernen die Speichertechniken für elektrische Energie kennen. Folgende Themen werden behandelt:

Aufbau und Funktionsweise von:

  • Elektrischen Speichern (Supraleitende Spule, Super-Kondensator)
  • Elektromechanischen Speichern (Schwungrad, Druckluft, Wasser)
  • Elektrochemischen Speichern (Li-Ion-Akku, Pb-Akku, Elektrolyse-Brennstoffzelle, Redox-Flow-Zellen)

 Charakterisierung der Speicher anhand von:

  • Energieinhalt
  • Leistung (dynamisch/stationär)
  • Kosten
  • Betriebssicherheit

Veranstaltungsinformationen:

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Inhalt:

  • Aufbau und Eigenschaften der Materie (Einführung)
  • Kristallstruktur in Festkörpern, Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen
  • Werkstoffzusammensetzung und Mikrogefüge
  • Metallische Werkstoffe (Legierungen, Phasendiagramme, Festphasenkristallisation,…)
  • Dielektrika (Einfluss elektrischer Felder, Polarisation, Piezoeffekt, Kondensatoren, Öle und Gase als dielektrische Materialien)
  • Keramische Werkstoffe (nichtlineare Widerstände auf Basis polykristalliner Keramik, Heißleiter, Kaltleiter oder Varistoren), Supraleiter
  • Magnetismus, dia-, para-, ferro- und antiferromagnetische Werkstoffe und die zugrunde liegenden Effekte
  • Ferro- und pyroelektrische Werkstoffe und Ferro- und Pyroelektrizität
  • Ionenleitende und gemischt elektrisch/ionenleitende Feststoffe (z. B. in modernen Energiespeichern und -wandlern)
  • Halbleiter (allgemeine Übersicht)
  • Organische Werkstoffe

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Inhalt:

Das Schreiben von Publikationen oder Berichten gehört zu den wichtigsten Aufgaben in Forschung und Entwicklung. Der zweite Teil der Vorlesung behandelt das Erstellen einer wissenschaftlichen Publikation in Theorie und Praxis. Zu Beginn wird die Bedeutung und die Notwendigkeit von Kernbotschaften erläutert. Danach behandelt die Veranstaltung den Aufbau und die Elemente (Titel, Zusammenfassung, Einleitung, Hauptteil, Schlussfolgerungen) einer Publikation. Dabei wird besonderer Wert auf die Qualität von Graphen, Tabellen, Einbinden von Gleichungen in den Text und vollständiges Zitieren gelegt. Ziel der Veranstaltung ist das Verfassen eines vierseitigen Textes, der über eigene wissenschaftliche Erkenntnisse berichtet. Diese Texte werden dann kritisch von allen Teilnehmer/innen diskutiert und nach den gelernten Kriterien bewertet und verbessert.

Zielgruppe:

  • Doktoranden

Kontakt:

Kontakt

 

Institut für Photovoltaik (ipv), Sekretariat

Pfaffenwaldring 47, 70569 Stuttgart