Forscher wollen Garagen-Laden effizienter machen
Die Ausgangslage ist klar: Das Stromnetz läuft mit Wechselstrom, in der Fahrzeugbatterie wird aber Gleichstrom gespeichert – irgendwo muss also die Umwandlung stattfinden. Beim AC-Laden ist das im Onboard-Ladegerät der Fall, das im Fahrzeug verbaut ist. Und bei dieser Umwandlung fallen Verluste an. Dabei gibt es zwar Unterschiede, ob mit einer ICCB-Einheit am Haushaltsstrom oder mit einer Wallbox geladen wird, ganz verhindern kann aber auch eine Wallbox diese Verluste nicht.
Im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts „EnerConnect“ erproben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und der Technischen Universität Berlin mit Unterstützung von Delta Electronics Inc., der BIT GmbH und Infineon Technologies AG eine Schaltung mit neuartigen, bidirektional sperrenden GaN-Transistoren – also Halbleiter aus Galliumnitrid.
Ähnlich wie Siliziumkarbid (SiC), das teilweise schon in der Leistungselektronik von E-Autos eingesetzt wird, ermöglichen GaN-Halbleiter hohe Schaltfrequenten und damit kleinere und potenziell günstigere Bauteile. Allerdings können sie nur in einer Richtung die Spannung sperren. Anders die bidirektional sperrenden GaN-Transistoren. „Bei ihnen können durch zwei Gatestrukturen positive und negative Spannungen gesperrt werden. Das macht neue Schaltungstopologien für Wechsel- und Gleichrichter, die am öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden, interessant“, schreibt das Fraunhofer IZM.
Sprich: Die Schaltung, an der die Forschenden bei „EnerConnect“ arbeiten, wäre mit konventionellen Halbleitern zu aufwändig – mit GaN wird es aber möglich. „Es handelt sich dabei um eine sogenannte Buck-Boost-Schaltungstopologie, mit der die Eingangsspannung sowohl höher als auch niedriger gesetzt werden kann. Durch die Verwendung von bidirektional sperrenden Transistoren lassen sich die Vorteile dieser Schaltung nutzen“, erklärt das Fraunhofer-Institut in der Mitteilung. Konventionell werden aktive Gleichrichter in E-Autos mit hohen Spannungen geschaltet. Mit der neuartigen Schaltung, die am Fraunhofer IZM erforscht wird, kann die Spannung aber auch tiefer gesetzt werden. Durch die dadurch niedrigere Schaltspannung verringern sich die Schaltverluste im Stromrichter.
Daneben ermöglicht die Schaltung die Einsparung einer Wandlerstufe: Üblicherweise muss in einem Gleichrichter die Eingangsspannung in zwei separaten Komponenten zunächst hoch- und anschließend wieder auf die benötigte Batteriespannung herabgesetzt werden. Durch den Einsatz von bidirektional sperrenden GaN-Transistoren können diese beiden Schritte in einer Wandlerstufe vereint und so die Effizienz weiter gesteigert werden, während der Materialaufwand und die Kosten sinken.
Das Ergebnis: Der Wirkungsgrad des Wandlers konnte auf bis zu 99 Prozent erhöht werden, auch eine weitere Erhöhung der Schaltfrequenz sei „denkbar“. Genannt wird ein Ziel von 300 kHz. „Dies birgt das Potenzial, die Leistungsdichte auf 15 kW pro Liter zu erhöhen, was dem 8-Fachen von derzeit handelsüblichen Ladegeräten entspricht“, teilt das Fraunhofer IZM mit. Sprich: Es könnte ein leistungsfähiger Onboard-Charger entwickelt werden, der sogar kleiner als heutige Ladegeräte ist.
Kurze Erläuterung: In der Mitteilung schreibt das Fraunhofer IZM auch von „effizientem Schnellladen an der heimischen Steckdose“. Damit sind nicht Ladeleistungen im Bereich von DC-Schnellladern gemeint, sondern es wird eben auf den Fakt angespielt, dass ein kompakter 22-kW-Onboard-Charger möglich wäre. In E-Autos sind dreiphasige 11-kW-Onboard-Charger mit 16 Ampere quasi Standard, aus Kosten- und Platzgründen verzichten viele Hersteller auf 22-kW-Versionen. Mit GaN-Transistoren könnte sowohl das Platz- als auch Kostenproblem gelöst werden, womit 22-kW-Onboard-Charger einfacher verfügbar werden könnten.
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