Ein Ladegerät für Elektroautos, das in einen Rucksack passt, ist zunächst eine Frage der Größe. Technisch deutlich spannender ist jedoch, was in seinem Inneren steckt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben ein Leistungselektronikmodul auf Basis von Galliumnitrid (GaN) entwickelt, das für bidirektionale 800-Volt-Ladesysteme ausgelegt ist. Das Modul wurde nun in einen Demonstrator integriert, der lediglich 5,7 kg wiegt und ein Volumen von 8,3 Litern aufweist.
Im Mittelpunkt steht dabei nicht das Ladegerät selbst. Die eigentliche Innovation ist die Leistungselektronik. Sie soll zeigen, wie sich bidirektionale Ladesysteme künftig kompakter, leichter und kostengünstiger bauen lassen. Gleichzeitig adressiert die Entwicklung einen Bereich, der für die Elektromobilität zunehmend wichtiger wird: die intelligente Einbindung von Fahrzeugbatterien in das Energiesystem.
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Warum das Projekt mehr ist als ein weiteres Ladegerät
Entwickelt wurde das System im Rahmen des Förderprojekts GaN4EmoBiL. Das Ziel: neue Halbleiter, Komponenten und Systemkonzepte für bidirektionales Laden zur Anwendungsreife bringen. Projektpartner Ambibox GmbH integrierte das vom Fraunhofer IAF entwickelte Leistungsmodul in einen Demonstrator eines einphasigen Off-Board-Ladegeräts.
Anders als klassische Ladegeräte befindet sich die Leistungselektronik dabei nicht fest im Fahrzeug. Sie wird ausgelagert und extern betrieben. Das klingt zunächst unspektakulär, kann aber mehrere Vorteile bieten. Fahrzeughersteller müssen weniger Leistungselektronik im Fahrzeug unterbringen. Das spart Bauraum, Gewicht und potenziell auch Kosten.
Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch, Koordinator des Projekts GaN4EmoBiL, sieht darin einen wichtigen Ansatz: „Der einphasige Demonstrator eines externen EV-Ladegeräts mit bis zu 3 kW bidirektionaler Leistung schließt eine bestehende Lücke im Kompromiss zwischen Kosten, Flexibilität, Effizienz und Kompaktheit beim bidirektionalen Laden.“
Mit bis zu 3 kW Ladeleistung ist der Demonstrator allerdings nicht für ultraschnelle Ladevorgänge gedacht. Moderne Schnellladesäulen erreichen heute ein Vielfaches dieser Leistung. Das Projekt verfolgt daher ein anderes Ziel: Es soll zeigen, wie sich bidirektionale Ladefunktionen technisch und wirtschaftlich sinnvoll umsetzen lassen.
Ein ungewöhnlich großer Spannungsbereich
Aus technischer Sicht gehört der Spannungsbereich zu den interessanten Eigenschaften des Systems. Das entwickelte Leistungsmodul arbeitet mit Batteriespannungen zwischen 150 und 920 Volt. Damit deckt es einen Bereich ab, der sowohl kleinere Batteriesysteme als auch moderne 800-Volt-Fahrzeugarchitekturen umfasst.
Zum Einsatz kommen dabei 1200-V-GaN-Bauelemente auf isolierenden Substraten. Solche Spannungsbereiche galten lange Zeit als Domäne anderer Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid. Das Fraunhofer IAF will nun zeigen, dass auch Galliumnitrid in diesen Bereichen interessante Möglichkeiten eröffnet.
Warum Galliumnitrid immer wichtiger wird
In der Leistungselektronik stoßen klassische Siliziumbauelemente zunehmend an Grenzen. Vor allem bei hohen Spannungen und hohen Schaltfrequenzen steigen die Verluste. Deshalb rücken sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter stärker in den Fokus.
Neben Siliziumkarbid zählt dazu auch Galliumnitrid. Das Material ermöglicht schnellere Schaltvorgänge und geringere Verluste. Dadurch können Entwicklerinnen und Entwickler passive Bauteile kleiner auslegen. Am Ende entstehen kompaktere Systeme mit höherer Leistungsdichte.
Dr. Michael Basler vom Fraunhofer IAF erklärt: „Am Fraunhofer IAF entwickeln wir innovative GaN-Bauelemente und integrierte Leistungsschaltungen (GaN-Power-ICs), die nicht nur effizient sind, sondern durch funktionale Integration auch die Miniaturisierung auf Systemebene deutlich vorantreiben.“
Für die Forschenden endet die Entwicklung nicht bei den aktuellen 1200-Volt-Systemen. Langfristig sollen GaN-Technologien auch für noch höhere Spannungsklassen nutzbar werden. Das Fraunhofer IAF spricht perspektivisch sogar von Anwendungen bis 1700 Volt.
Das Auto als Teil des Energiesystems
Mindestens ebenso wichtig wie die kompakte Bauweise ist die bidirektionale Funktion des Demonstrators. Sie erlaubt es, Energie nicht nur in die Fahrzeugbatterie zu laden, sondern bei Bedarf auch wieder zu entnehmen.
Die Idee dahinter ist einfach: Elektrofahrzeuge stehen den größten Teil ihres Lebens ungenutzt auf Parkplätzen oder in Garagen. Gleichzeitig verfügen moderne Fahrzeuge über Batterien mit Speicherkapazitäten, die häufig deutlich über dem täglichen Fahrbedarf liegen. Diese Speicherkapazität könnte künftig stärker genutzt werden.
Achim Lösch vom Fraunhofer IAF betont: „Bidirektionales Laden bei hohen Rückspannungen, wie es das vorgestellte GaN-Ladesystem ermöglicht, ist ein wichtiger Pfeiler für die Flexibilisierung des Energiesystems.“
Bis Elektrofahrzeuge flächendeckend als Stromspeicher eingesetzt werden können, sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden. Neben der Hardware müssen Normen, Kommunikationsstandards, Netzanforderungen und wirtschaftliche Rahmenbedingungen weiterentwickelt werden.
Leistungselektronik als Engpass der Elektrifizierung
Ob Elektroauto, Batteriespeicher, Photovoltaikanlage oder Schnellladestation: Überall dort, wo elektrische Energie umgewandelt wird, entscheidet die Leistungselektronik über Effizienz, Kosten und Baugröße. Genau deshalb richtet sich der Blick vieler Entwickler*innen auf neue Halbleitermaterialien.
Das Fraunhofer IAF betrachtet Leistungselektronik als einen der zentralen Engpässe künftiger Energie- und Mobilitätssysteme. Der Demonstrator aus dem Projekt GaN4EmoBiL soll zeigen, wie sich dieser Engpass mit modernen GaN-Bauelementen entschärfen lässt. Noch handelt es sich um einen Forschungsdemonstrator. Die Entwicklung macht jedoch deutlich, wohin die Reise geht: höhere Spannungen, kleinere Bauformen und eine stärkere Vernetzung von Elektrofahrzeugen und Stromversorgung.
Technische Daten des Demonstrators
Bidirektionales Off-Board-Ladegerät (Demonstrator)
- Leistung: bis 3 kW
- Systemtyp: einphasiges bidirektionales DC-Ladegerät
- Batteriespannung: 150 bis 920 V
- Halbleitertechnologie: 1200-V-Galliumnitrid (GaN)
- Volumen: 8,3 Liter
- Gewicht: 5,7 kg inklusive Stecker
- Fahrzeuganschluss: CCS
- Netzanschluss: Schuko
- Projekt: GaN4EmoBiL
- Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE)
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