Foto: © Fraunhofer IZM
Der Akku eines Elektroautos lässt sich an einer Schnellladestation innerhalb von 15 bis 30 Minuten vollständig aufladen. Die kurze Ladezeit resultiert zum einen aus der hohen Ladeleistung (bis zu 350 Kilowatt) der Schnellladestation. Zum anderen aus der optimalen Energieversorgung. So wandelt die Schnellladesäule den Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz innerhalb der Station in Gleichstrom (DC) um, der direkt in die Autobatterie fließen kann.
Anders verhält es sich an den Lademöglichkeiten auf Wechselstrom-Basis, die jedoch häufiger vorkommen. An Ladepunkten im öffentlichen Raum oder an der hauseigenen Wallbox können E-Autos mit bis zu 22 Kilowatt geladen werden. In diesem Fall fließt der Wechselstrom aus dem Stromnetz zunächst über das integrierte Ladegerät im E-Auto, den sogenannten On-Board-Charger (OBC). Dieser wandelt dann den Wechselstrom in Gleichstrom um, um die Batterie effizient und sicher zu laden. Darüber hinaus steuert und überwacht der OBC den gesamten Ladevorgang, um eine optimale Ladeleistung zu gewährleisten und die Lebensdauer der Batterie zu maximieren. Das Problem: Viele On-Board-Charger sind nur für eine Aufnahme von elf Kilowatt konzipiert. Dadurch dauert der Ladevorgang entsprechend lange. Dazu kommt, dass viele gängige OBC-Modelle recht groß sind, Bauteile zum Teil in aufwändiger Handarbeit gefertigt werden und entsprechend teuer sind.
Eine neue Generation der On-Board-Charger könnte dies bald ändern. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) hat ein neues Modell entwickelt, das eine doppelte Ladeleistung bei halbem Volumen und einen bidirektionalen Ladevorgang ermöglicht. Dazu lässt sich der On-Board-Charger maschinell und somit vergleichsweise kostengünstig herstellen.
On-Board-Charger erhält Galliumnitrid-Halbleiter
Die Forschenden des Fraunhofer IZM haben mehrere Komponenten entwickelt, um bestehende Hindernisse zu überwinden. Eine dieser Komponenten ist ein Sinus-Amplituden-Converter (SAC) – ein resonanter Hochfrequenz-Transformator, der die galvanische Isolation der Fahrzeugbatterie vom Versorgungsnetz sicherstellt. Der SAC nutzt neuartige Galliumnitrid-Halbleiter (GaN), um den Transformator mit einer extrem hohen Taktfrequenz von 1,3 Megahertz zu betreiben. „Durch diese hohen Taktfrequenzen können wir die Bauteile gänzlich anders auslegen“, sagt Oleg Zeiter vom Fraunhofer IZM.
Flache Spule ergänzt On-Board-Charger
Neben den neuen und leistungsstarken Halbleitern setzen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom IZM auf eine weitere zentrale Komponente für ihren neuen On-Board-Charger. Der sogenannte Power-Factor-Correction-Konverter (PFC) bildet die Schnittstelle zum Versorgungsnetz und stabilisiert die Wechselspannung auf der Eingangsseite in Sinusform bei 50 beziehungsweise 60 Hertz. Dazu werden Drosseln verwendet. In der Regel sind diese sperrig und teuer. Die Forschenden vom IZM haben daher eine flache PFC-Drossel auf Leiterplattenbasis entwickelt, die kostengünstig und obendrein platzsparend ist. Obwohl die planare Bauform nur niedrigere Induktivitäten erlaubt, stellt dies für die neue PFC-Drossel kein Problem dar.
„Weil wir so schnell takten können, ist es uns möglich, die geringe Induktivität zu handhaben,“ sagt 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.“
Aufbau von On-Board-Charger birgt große Chancen
Durch innovative Konstruktions- und Verbindungstechniken konnte das Fraunhofer IZM einen neuen On-Borad-Charger entwickeln, der nur noch halb so groß ist wie herkömmliche Geräte und dabei die Ladeleistung von elf auf 22 Kilowatt verdoppelt. Gleichzeitig haben die Forschenden zentrale Komponenten so optimiert, dass diese nun nicht mehr in aufwändiger Handarbeit, sondern maschinell gefertigt werden können. Das spart Zeit und Kosten. „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.
Neben den genannten Vorteilen ist der neue On-Board-Charger außerdem mit 400- bis 800-Volt-Batterien kompatibel. Darüber hinaus besitzt einen Wirkungsgrad von über 97 Prozent. Zudem löst das neue Gerät ein Problem bisheriger OBC. Denn diese funktionieren meist nur in eine Richtung, sprich für das Laden der Autobatterie. Mit dem neuen On-Board-Charger ist es möglich, den Strom in beide Richtungen fließen zu lassen und somit Strom ins Netz einzuspeisen.
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