Fraunhofer IZM entwickelt besseren Onboard-Charger

Dass Elektroautos an Schnellladestationen mit bis zu 350 kW besonders schnell geladen werden können, besagt schon der Name. Doch quasi niemand hat eine Schnellladestation zu Hause – und auch im öffentlichen Raum gibt es noch viele AC-Lader mit maximal 22 kW Leistung. Damit ist für viele Automodelle ein vollständiges Laden des Akkus in vier Stunden möglich. Ein Großteil der aktuellen E-Flotte ist aber nur für die Aufnahme von maximal 11 kW konzipiert – wegen ihres Ladegeräts, dem verbauten Onboard-Charger (OBC).

Zudem bestehen die bisherigen OBC aus mehreren Bauteilen, darunter große Spulen, die teils in aufwändiger Handarbeit gefertigt und zusammengefügt werden müssen und letztlich viel Platz benötigen. Für einige wenige Automodelle ist ein Upgrade von 11 auf 22 kW zu haben – durch Einbau eines zweiten oder größeren OBC-Moduls, das den ohnehin großen Platzbedarf weiter erhöht und den Preis in die Höhe treibt. Außerdem funktionieren die meisten OBC nur in eine Richtung, nämlich fürs Laden der Autobatterie. Den Strom können sie von dort nicht wieder ins Netz einspeisen oder die große Fahrzeugbatterie als Heimspeicher für die eigene Solaranlage nutzen. Das Speicherpotenzial der Auto-Akkus kann damit auch nicht für die anvisierte Energiewende genutzt werden.

Hier hat das Fraunhofer IZM angesetzt und einen Onboard-Charger entwickelt, der das Volumen solcher Geräte auf drei Liter reduziert und damit im Vergleich zu gängigen Ladegräten halbiert, die Ladeleistung jedoch von 11 auf 22 kW verdoppelt. Das Modul ist mit 400- und 800-Volt-Batterien kompatibel und hat einen Wirkungsgrad von über 97 Prozent. Nicht zuletzt ist es mit dem neuen OBC möglich, den Strom bidirektional in beide Richtungen fließen zu lassen, also auch von der Batterie ins Netz – eine wichtige Voraussetzung für die Energiewende.

Um diesem neuen Onboard-Charger den Weg zu ebnen, wurden am Fraunhofer IZM mehrere Komponenten entwickelt und auf kleinem Raum kombiniert. Eine dieser Komponenten ist ein Sinus-Amplituden-Converter (SAC) – ein resonanter Hochfrequenz-Transformator, der zunächst die galvanische Isolation der Fahrzeugbatterie vom Versorgungsnetz gewährleistet. Den eigentlichen Fortschritt des SAC aber ermöglichen die verwendeten Galliumnitrid-Halbleiter (GaN) – neuartige und leistungsstarke Halbleiter mit breitem Bandabstand, besser bekannt als Wide-Bandgap-Halbleiter. Sie ermöglichen es, den Transformator mit einer Taktfrequenz von 1,3 MHz, also 1,3 Millionen Mal in der Sekunde, ein- und auszuschalten. Dazu Oleg Zeiter vom Fraunhofer IZM, der federführend an der Entwicklung des OBC beteiligt war: „Durch diese hohen Taktfrequenzen können wir die Bauteile gänzlich anders auslegen.“

Eine andere zentrale Komponente in einem OBC ist der so genannte Power-Factor-Correction-Konverter (PFC). Er bildet die Schnittstelle zum Versorgungsnetz und stabilisiert die Wechselspannung auf der Eingangsseite in Sinusform bei – je nach Netz – 50 bzw. 60 Hz. Dazu werden Drosseln benötigt – in bisherigen Onboard-Chargern ein sehr sperriges Bauteil, das zudem bei der Fertigung hohe Kosten verursacht.

Am Fraunhofer IZM konnte nun eine flache PFC-Drossel auf Leiterplattenbasis entwickelt werden, mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern. Das hat den großen Vorteil einer kostengünstigen maschinellen Fertigung und spart dabei viel Platz. Die planare Bauform mit PCB ermöglicht zwar nur niedrigere Induktivitäten, die allerdings für die mit SiC-Schaltern aufgebaute und mit 140 kHz getaktete PFC kein Hindernis darstellen. „Weil wir so schnell takten können, ist es uns möglich, die geringe Induktivität zu handhaben“, sagt Oleg Zeiter. „Wenn wir den Strom nur für sehr kurze Zeit einschalten, erreicht er die großen Stromstärken gar nicht erst, auch bei niedriger Induktivität. Die kurzen Schaltfolgen machen es möglich.“

Durch diese cleveren Aufbau- und Verbindungstechniken konnte am Fraunhofer IZM schließlich der neue Onboard-Charger entwickelt werden. „Wir nehmen jetzt im Prinzip nur eine große Leiterplatte. Durch unsere Packaging-Lösungen braucht alles andere nur noch von der Maschine auf diese Leiterplatte aufgebracht werden,“ so Oleg Zeiter. Auf diese Weise können die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden.

Wer sich den neuen Onboard-Charger anschauen möchte, kann dies vom 11. bis 13. Juni 2024 in Nürnberg am Stand des Fraunhofer IZM (Halle 5, Stand 300) tun. Dort wird der das Gerät auf der PCIM Europe, einer internationalen Fachmesse für Leistungselektronik, der Öffentlichkeit vorgestellt.

izm.fraunhofer.de