Zukunft der Elektromobilität 07.06.2024, 07:00 Uhr

Neuer On-Board-Charger als Schlüssel zum universellen Laden

Die meisten On-Board-Charger sind auf eine maximale Ladeleistung von elf Kilowatt beschränkt, bestehen aus mehreren Bauteilen und benötigen viel Platz. Das Fraunhofer IZM hat nun ein neues Modell mit doppelter Ladeleistung bei halben Volumen entwickelt, das sich noch dazu maschinell fertigen lässt.

On-Board-Charger

Der neue On-Board-Charger ermöglicht ein schnelles Laden von E-Autos.

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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
-Firmenlogo
Technischer Projektmanager Neubaustrecke Frankfurt-Mannheim (w/m/d)
Technische Hochschule Mittelhessen-Firmenlogo
W2-Professur mit dem Fachgebiet Material- und Fertigungstechnologie Metallischer Werkstoffe Technische Hochschule Mittelhessen
Friedberg Zum Job 
DB InfraGO AG-Firmenlogo
Planungsingenieur:in Elektrotechnik DB InfraGO AG
Frankfurt am Main Zum Job 
Thyssengas GmbH-Firmenlogo
Teamleiter Betrieb Messtechnik (m/w/d) Thyssengas GmbH
Dortmund, Duisburg Zum Job 
Forschungszentrum Jülich GmbH-Firmenlogo
Direktor (w/m/d) für das Institute of Climate and Energy Systems (ICE-2) Forschungszentrum Jülich / W3-Universitätsprofessur Techno-ökonomische Bewertung von Energiesystemen RWTH Aachen - Fakultät für Maschinenwesen Forschungszentrum Jülich GmbH
Jülich Zum Job 
Polizei Berlin-Firmenlogo
Technische Sachbearbeiterin / Technischer Sachbearbeiter Kommunikationstechnik (w/m/d) (TSB/in Telekommunikationstechnik) Polizei Berlin
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung-Firmenlogo
Technische*r Mitarbeiter*in bzw. Ingenieur*in (m/w/d) in einer ingenieurwissenschaftlichen Fachrichtung mit dem Schwerpunkt Elektronik/Mikroelektronik oder vergleichbar Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Berlin-Steglitz Zum Job 
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)-Firmenlogo
Ingenieurinnen und Ingenieure (w/m/d) der Elektrotechnik bzw. Informationstechnik für Kulturbauten und das RKI Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)
Staatliches Baumanagement Lüneburger Heide-Firmenlogo
Baugruppenleitung (m/w/d) Staatliches Baumanagement Lüneburger Heide
MAX-DELBRÜCK-CENTRUM FÜR MOLEKULARE MEDIZIN-Firmenlogo
Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) bei der Stabsstelle Sicherheit MAX-DELBRÜCK-CENTRUM FÜR MOLEKULARE MEDIZIN
HAMM AG-Firmenlogo
Konstrukteur für mobile Arbeitsmaschinen (m/w/d) HAMM AG
Tirschenreuth Zum Job 
Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes-Firmenlogo
W2-Professur (m/w/d) für Fahrzeugtechnik - Fahrdynamik und Fahrwerke Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Saarbrücken Zum Job 
Staatliches Baumanagement Weser-Leine-Firmenlogo
Fachbereichsleitung Ingenieurbau (m/w/d) Staatliches Baumanagement Weser-Leine
Nienburg, Wunstorf Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleiter (w/m/d) Straßenbau in Donaueschingen Die Autobahn GmbH des Bundes
Freiburg im Breisgau, Donaueschingen Zum Job 
Menlo Systems GmbH-Firmenlogo
Development Engineer (m/f/d) for photonic integrated circuitry (PIC) Testing & Packaging Menlo Systems GmbH
Planegg Zum Job 
Siegfried PharmaChemikalien Minden GmbH-Firmenlogo
Expert*in Computersystemvalidierung (CSV) Siegfried PharmaChemikalien Minden GmbH
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.-Firmenlogo
Versorgungsingenieur/in oder Elektroingenieur/in (w/m/d) Projektsteuerung von Baumaßnahmen als Baumanager/in in der Bauherrenfunktion Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Stadtwerke Wiesbaden Netz GmbH-Firmenlogo
Planungsingenieur (m/w/d) Elektrische Verteilnetze Stadtwerke Wiesbaden Netz GmbH
Wiesbaden Zum Job 
Stadt Bochum-Firmenlogo
Bauingenieurinnen / Bauingenieure (w/m/d) Stadt Bochum
Dräger Safety AG & Co. KGaA-Firmenlogo
Vertriebsingenieur / Vertriebsmitarbeiter Gasmesstechnik / Sicherheitstechnik (m/w/d) Dräger Safety AG & Co. KGaA
Düsseldorf, Leverkusen, Köln Zum Job 

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.

Ein Beitrag von:

  • Ines Klawonn

    Ines Klawonn

    Ines Klawonn hat als Redakteurin bei einem auf Energiekommunikation spezialisierten Medienunternehmen gearbeitet. Mittlerweile ist sie selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themenschwerpunkte sind Gesundheit, Energie und Technik.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.