So funktioniert das schnelle Laden von Elektroautos auch zu Hause
Fraunhofer-Forschende sind dabei, eine hocheffiziente Schaltung für aktive Wechsel- und Gleichrichter der nächsten Generation zu entwickeln. Damit wollen sie eine effiziente Möglichkeit schaffen, Elektroautos zu Hause laden zu können.
Mit dem Ansatz eines bidirektionalen GaN-Transistors entsteht die Möglichkeit, die Spannung in beide Richtungen zu sperren.
Foto: Fraunhofer IZM
Wer sich ein Elektroauto anschafft, der muss sich auch Gedanken machen, wo er es wieder aufladen kann. An der Steckdose zu Hause ist es zwar möglich, aber aus verschiedenen Gründen nicht sinnvoll: In den meisten Fällen ist die Elektrik des Hauses darauf nicht ausgelegt, sodass es durchaus gefährlich werden kann, das E-Auto an der Haushaltssteckdose zu laden. Außerdem ist es im Vergleich zu Schnellladestationen weitaus ineffizienter. Der Grund: Das E-Auto benötigt Gleichstrom, aus der Steckdose kommt Wechselstrom. Es ist also eine Umwandlung erforderlich. Dabei entstehen signifikante Ladeverluste. Eine Wallbox ist sicher die bessere Wahl, allerdings kann auch sie diese Verluste nicht gänzlich verhindern.
Mit der Effizienz des Ladevorgangs zu Hause beschäftigen sich aktuell Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Technischen Universität Berlin im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts EnerConnect. Ihre Idee: eine neuartige Schaltung, die auf innovativen, bidirektional sperrenden GaN-Transistoren basiert und deren Vorteile hinsichtlich Leistungsdichte und Effizienz nutzen soll.
Erste E-Auto-Batterie mit 100% Silizium-Verbundanode vorgestellt
Aktive Gleichrichter für E-Autos setzen bereits heute auf die Vorzüge von Halbleitern aus Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC). Diese machen hohe Schaltfrequenzen und somit kleinere, kostengünstigere passive Bauteile möglich. Ihr Nachteil: Sie können die Spannung nur in eine Richtung sperren. Bidirektional sperrende GaN-Transistoren verfügen dagegen über zwei Gatestrukturen, die sowohl positive als auch negative Spannungen sperren können. Dadurch eröffnen sich neue, vielversprechende Schaltungstopologien für Wechsel- und Gleichrichter, die am öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden. Die Forschenden am Fraunhofer IZM arbeiten dafür an einer sogenannten Buck-Boost-Schaltungstopologie. Sie bietet den Vorteil, dass sich die Eingangsspannung flexibel erhöhen oder herabsenken lässt. Würde man das mit herkömmlichen Bauteilen realisieren, wäre es aufwendig und damit auch kostenintensiver
Effizienteres Schnellladen von E-Autos durch innovative Schaltung
Die neuartige Schaltung ermöglicht es, die Spannung auch auf ein niedrigeres Niveau zu senken. Dadurch verringern sich gleichzeitig die Schaltverluste im Stromrichter. Darüber hinaus lässt sich eine gesamte Wandlerstufe einsparen: In einem konventionellen Gleichrichter muss die Eingangsspannung zunächst in zwei separaten Komponenten erhöht und anschließend wieder auf die erforderliche Batteriespannung reduziert werden. Durch den Einsatz von bidirektional sperrenden GaN-Transistoren lassen sich diese beiden Schritte in einer einzigen Wandlerstufe zusammengefassen. Dadurch steigt die Effizienz weiter, während gleichzeitig Materialaufwand und Kosten sinken.
Die Kombination beider Effekte hat noch einen weiteren Vorteil: Der Wirkungsgrad des Wandlers kann auf 99 Prozent gesteigert werden. Zudem ließen sich auch Schaltfrequenz und Leistungsdichte weiter erhöhen. Ziel ist eine Schaltfrequenz von 300 Kilohertz (kHz). Damit wollen die Forschenden die Leistungsdichte auf 15 Kilowatt (kW) pro Liter steigern – was dem Achtfachen der Leistungsdichte aktueller handelsüblicher Ladegeräte entspricht. Nach ihrer Ansicht sei die Technologie besonders für den Einsatz in E-Autos geeignet, da der Wandler fest im Fahrzeug verbaut ist und sehr kompakt sein muss. Das Ziel des Projekts EnerConnect besteht darin, die Schaltung für den Betrieb am öffentlichen Versorgungsnetz zu verbessern. Dadurch ergibt sich die Chance, Elektroautos über den Haushaltsstrom effizient und schnell aufzuladen.
Bidirektionaler Energietransfer: Elektroauto als flexibler Energiespeicher
Ein weiterer Vorteil der neuartigen Schaltung liegt in der Fähigkeit, den Energietransfer in beide Richtungen zu ermöglichen. Neben der Nutzung der Fahrzeugbatterie des Elektroautos als Energiespeicher eignet sich diese Technologie daher auch hervorragend für den Einsatz in Photovoltaik-Anlagen. Überschüssige Energie aus den Solarpanelen kann so in der Batterie des Elektrofahrzeugs zwischengespeichert und bei Bedarf wieder ins Netz eingespeist werden. Dieser bidirektionale Energiefluss trägt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei und fördert die Integration erneuerbarer Energien. Durch die Kombination von Elektromobilität und Photovoltaik ergeben sich somit vielversprechende Synergieeffekte.
Das Projekt „EnerConnect“ läuft noch bis Anfang 2028. Es wird mit insgesamt 400.000 Euro gefördert. Die Mittel stammen vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie von Industriepartnern. Mit diesem Projekt sollen weitere zukunftsfähige Ladelösungen für die Elektromobilität entwickelt und auf ihre Praxistauglichkeit untersucht werden.
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