Konsortium entwickelt GaN-Halbleiter für bidirektionales Laden

Im kürzlich gestarteten Projekt „GaN4EmoBiL – GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden“ entwickelt ein Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer IAF neue Halbleiter-, Bauelement- und Systemtechnologien für die 800-Volt-Klasse. Damit soll das bidirektionale Laden in die breite Masse gebracht werden.

Ziel des Konsortiums aus Fraunhofer IAF, Uni Stuttgart, Bosch und Ambibox ist es laut der Mitteilung, mit neuen Halbleiterbauelementen, Bauteilkonzepten und Systemkomponenten ein „intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem“ zu demonstrieren.

Die Vorteile des bidirektionalen Ladens sind bekannt: Wird die Batterie eines Elektroautos mit Strom aus erneuerbaren Energien geladen, kann er in Zeiten, in denen keine Wind- oder Solarenergie produziert wird, nach Bedarf wieder genutzt werden. Entweder, um das eigene Haus zu versorgen oder um das Stromnetz zu stabilisieren. Nur: Auch aufgrund technologischer und regulatorischer Unklarheiten hat sich das bidirektionale Laden noch nicht im großen Stil durchgesetzt.

„Bisherige technologische Ansätze werden den Ansprüchen an Kosten und Effizienz jedoch nicht gerecht. Es fehlt an intelligenten und kostengünstigen bidirektionalen Ladesystemen, um Batterien, Netz, lokale Erzeuger und Verbraucher mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zu verbinden“, beschreibt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in der Mitteilung seine Sicht auf die Ausgangslage.

Als konkretes Beispiel führen die Forschenden „erste bidirektionale DC-Wallboxen mittlerer Leistung für Batterien bis 800 Volt“ an. Diese nutzen Leistungshalbleiter-Bauelemente, die für diese Anwendung „noch nicht optimal sind“.  Sie sind entweder effizient, aber teuer (Siliziumkarbid) oder kostengünstig und dafür weniger effizient (Silizium). Heute verfügbare 650-V-Transistoren aus Galliumnitrid auf Silizium (GaN-on-Si) sind zwar kostengünstig und effizient, erfordern aber eine komplexe Schaltung, da die Spannungsfestigkeit nicht ausreicht.

Um die genannten Faktoren Kosten, Effizienz und Bauraum zu optimieren, wird im Rahmen von „GaN4EmoBiL“ an einer neuen Halbleiter-Lösung gearbeitet. Die Partner wollen zunächst „eine neue kostengünstige GaN-Technologie auf alternativen Substraten (beispielsweise Saphir) realisieren“, die „preiswerte und effiziente 1200-V-Transistoren ermöglicht“. Mit diesen neuen Halbleitern sollen dann Komponenten und Systeme für die bidirektionalen Ladegeräte entwickelt und erprobt werden. Gefördert wird das dreijährige Vorhaben vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Programms „Elektro-Mobil“.

„Unser Vorhaben soll Batterien, erneuerbare Energien und elektrische Verbraucher wirtschaftlich und flexibel verbinden. Durch bidirektionale Ladelösungen tragen die bisher ungenutzten Batterien parkender Elektrofahrzeuge zukünftig stärker zur Flexibilisierung des Energiesystems und Vermeidung von CO₂-Emissionen bei“, sagt Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF und Projektkoordinator von „GaN4EmoBiL“. Etienne Tchonla, Leiter der R&D Strategy bei Ambibox, ergänzt: „Effiziente, kleine und intelligente Ladeinfrastrukturen in der Elektromobilität werden in Zukunft dazu beitragen, gesellschaftliche Herausforderungen zu meistern.“
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