ESS

 

Elektronik für Physiker

Grundlagen der Elektronik, Wechselstrom, wichtige Softwaretools, aktive Bauelemente, Signalverarbeitung, Operationsverstärker, Messgeräte, Digitalschaltungstechnik, Schaltnetze, Schaltwerke, digitale Signalverarbeitung, Softwaretechniken, Mikrocontroller, spezielle Programmierung des Mikrocontrollers, Mikrocontroller-Peripherie, Erstellen kleiner Elektronikelemente inklusive Platinen und Mikrocontrollern.

Es werden die Grundlagen der analogen und digitalen Elektronik erarbeitet, die insbesondere für Messtechnikaufgaben benötigt werden. Dazu werden in einer Vorlesung mit integrierten Praxisbeispielen die Grundlagen der Analog- und Digitalschaltungstechnik, der Aufbau und die Funktionsweise von elektronischer Messtechnik (auch computerbasiert), Grundkenntnisse zu Mikrocontrollern und deren Programmierung sowie Techniken zur softwarebasierten Simulation, Entwurf und Ansteuerung vermittelt. Im Praktikum sollen die in der Vorlesung erlernten Kenntnisse praktisch umgesetzt werden. Dies beinhaltet handwerkliche Grundfertigkeiten wie das Löten und Bestücken von Platinen sowie der Umgang mit den Messgeräten. Es werden aber auch Schaltungen entwickelt und simuliert sowie Mikrocontroller programmiert und zur Ansteuerung verwendet. Insgesamt sollen den Studierenden damit die Kenntnisse und Grundlagen für die eigenständige Entwicklung komplexer Messtechniksysteme oder deren Analyse in Bezug auf Grenzen und Möglichkeiten in der Experimentalphysik vermittelt werden

Literatur: Tietze, Schenk: Halbleiterschaltungstechnik

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Battery Storage Systems

Energiespeicher erlangen immer größere Bedeutung in den Bereichen mobiler Kommunikationsgeräte, Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder zur Speicherung von elektrischer Energie in Netzen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien.

  • Überblick - Anwendungen Speichersysteme - Überblick Batterietechnologien, Abgrenzung gegenüber nicht-chemischen Speichersystemen, Zentrale Fragestellungen in der Speichersystemtechnik
  • Grundlagen und Begrifflichkeiten in der Batterietechnik - Definition von Strömen und Kapazitäten, Bauformen, Ladeverfahren, Kennlinien, einfaches Batteriemodell, Aufbau einer Batteriezelle, Aufbau einer Batteriebank
  • Grundbegriffe Elektrochemie - Chemisches Rechnen, Thermodynamik, Nebenreaktionen, Kinetik der Elektrodenreaktionen, Alterungseffekte
  • Sekundärbatterien - Blei-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, SuperCaps
  • Batteriemanagement - Ladetechnik - Aufgaben des Batteriemanagements, Netzladegräte, Laderegler (PV-Anlagen), Ladungsausgleichssysteme, Zustandsanzeiger, Thermal Managemen
  • Grundlagen der Batteriemodellierung und von Lebensdauertests
  • Systembeispiele: Speicher in Netzen, Kostenberechnungen für Referenzfälle, Plug-in Hybride, Hybrid- und Elektrofahrzeuge
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Seminar "Batterien, Speicher, Brennstoffzellen und Stromerzeuger" - Schwerpunkt: Energiespeicher

Speicherung von elektrischer Energie ist eine wesentliche Voraussetzung für eine zuverlässige Stromversorgung in mobilen Anwendungen, in Stromnetzen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien, in autonomen Stromversorgungen und von Endverbrauchern.

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Energiespeichertechnologien

Die Studierenden sollen eine grundlegende Übersicht und ein fortgeschrittenes Verständnis über verschiedene Energiespeichertechnologien und deren Anwendungsbereiche erwerben.

  • typische Anwendungsbereiche für elektrische und thermische Energiespeicher (portable Geräte, Consumerprodukte, Industrieprozesse, Solaranlagen, USV, Stromnetze, Fahrzeuge, Traktion, etc.)
  • Thermische Hoch- und Niedertemperaturspeichersysteme
  • Mechanische Speichersysteme für elektrische Energie (Schwungrad, Pumpspeicher, Druckluftspeicher)
  • Elektrische Speicher (Spulen, Kondensatoren, SuperCaps)
  • Elektrochemische Energiespeicher für elektrische Energie – Primärbatterien diverser Technologien
  • Wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicher für elektrische Energie (Bleibatterien, Lithium-Ionen- Batterien, NiCd/NiMH, NaS / NaNICl (Hochtemperatur), Redox-Flow-Batterien)
  • Gasspeichersysteme (Wasserstoff, Methan)
  • Klassifizierung von Speichersystemen
  • Effizienzketten und intersektorielle Energiewandlung
  • Wirtschaftlichkeitsberechnungen für verschiedene Anwendungsbereiche

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Disruptive Battery Technologies and Innovation

Lithium-Ionen Batterien haben eine revolutionäre Weiterentwicklung von Consummer-Elektronik ermöglicht. Smartphones und Tablets würde ohne Batteriezellen mit solch hoher Leistungsdichte niemals die heutige Leistungfahigkeit erreichen. Nach diesem Durchbruch für mobile Elektronik ist die Elektifizierung des Verkehrssektors die nächste große Herausforderung.

Diese Veranstalltung beschäftigt sich mit Design, Aufbau und Alterung von Lithium-Ionen-Zellen. Es werden auch die Materialkosten betrachtet und die Frage besprochen warum (oder warum nicht) diese Technologie disruptiv ist. Weiterhin werden die Konzepte von Clayton Christensens Buch "The Innovator's Dilemma" besprochen, sowie Start-Up Business Modelle und anwendungspezifisches Design von Lithium-Ion-Chemien.

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Industrieller Produktentwicklungsprozess am Beispiel von Batteriesystemen für Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Die Vorlesung orientiert sich am Entstehungsprozess einer Batterie. Dabei liegt der Fokus nicht auf den technischen Herausforderungen, sondern es sollen vor allem die organisatorischen und strategischen Vorgänge eines industriellen Entwicklungsprozesses näher beleuchtet werden. Dabei sollen die nachstehenden Abläufe bei der Entstehung einer Batterie vom Konzept bis zur Produktion aufgezeigt und die jeweiligen Themen aufgeführt. Auch wenn als Beispiel hier der Entwicklungsprozess einer Batterie dargestellt wird, so ist es auch zentrales Ziel, diesen Prozess als exemplarisch für Entwicklungsprozesse in der Automobilindustrie zu verstehen.

Produktkonzeption: Requirements, Gesamtkonzept und „key performance parameters (KPI's) (Package, Gewicht, Sicherheit, Kosten, Entwicklungszeit), Lastenhefterstellung, Agree & Disagree-Prozess (Iterationen in der Lastenhefterstellung)

Entwicklung: Produktionsentwicklungsprozess (PEP), V-Model für die Entwicklung, automotive SPICE, IOS 26262, Monitoring am Beispiel von Lithium-Ionen-Zellen: Performance, Alterung, Kosten und Sicherheit (Relevante Kriterien für automotiven Einsatz), Vom Batterie-Lastenheft zum Komponentenlastenheft, Was ist ein BTV? (Verantwortung, Rechte & Pflichten), Testing von Lithium-Ionen-Batterien: Konzeptvalidierung, Designvalidierung, funktionales Testing, Safety-Testing und Lifecycle, Was sind A-, B-, C -und D-Muster und was müssen sie erfüllen?, Patentwesen

Produktionsplanung und Controlling: Design to Cost, Einkaufsprozess, Toleranzenmanagement, Produktionsschritte (z.B. Schweißen vs. Schrauben und der Aufwand von Steckverbindungen), Planung der Produktionsanlagen, Stationen und Mitarbeitern, Aufbau von Produktionslinien, Bedingungen an die Produktionsstätte: Arbeitssicherheit / Klimabedingungen für die Produktion / Sicherheitsrichtlinien und Notfallpläne, Prozess-FMEA

Serienanlauf: Prüfstandstechnik - Sicherstellung eines fehlerfreies Produkts, Hochlauf einer Produktionslinie und deren Optimierung, Schulung der Mitarbeiter

Serienbetreuung: Qualitäts- und Lieferantenmanagement, Produktbetreuung, Befundung / Ausfallanalyse im Feld, Felderfahrung - wie wird das Produkt im Feld verwendet? Waren die Konzepte richtig?

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