Bidirektionales Laden mit GaN Einstufiger Onboard-Lader soll Bauteilaufwand senken

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Ein einstufiger Onboard-Lader soll mit bidirektionalen GaN-Schaltern bis zu 22 kW Ladeleistung erreichen und Energie zurückspeisen können. Der Ansatz verspricht weniger Bauteile und Bauraum. Konkrete Effizienzdaten stehen noch aus.

Weniger Wandlungsstufen und weniger Bauteile sollen Onboard-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge kompakter machen. Diesen Ansatz verfolgen Visteon und Shinry über ihr Gemeinschaftsunternehmen Visteon-Shinry Power Electronics (VSPE) gemeinsam mit Infineon. Die Partner entwickeln einen einstufigen Onboard-Lader, dessen Leistungsteil monolithische bidirektionale Schalter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) nutzt. Die Zusammenarbeit wurde am 11. November auf der electronica in München bekannt gegeben.

Vorgesehen sind Ladeleistungen von 22 kW am dreiphasigen und 19,2 kW am einphasigen Wechselstromnetz. Zudem soll das Gerät Energie in beide Richtungen übertragen können. Damit zielt die Entwicklung neben dem Laden der Traktionsbatterie auf Vehicle-to-Everything-Anwendungen (V2X), bei denen das Fahrzeug elektrische Energie wieder abgibt. Konkrete Angaben zu unterstützten Batteriespannungen oder einem Serienstart enthält die Ankündigung nicht.

Wandlungsfunktionen zusammenführen

Konventionelle zweistufige Onboard-Lader verteilen die Leistungswandlung auf getrennte Stufen. VSPE will diese Funktionen in einer einstufigen Architektur zusammenführen. Nach Angaben der Partner entfallen dabei die großen Zwischenkreiskondensatoren herkömmlicher zweistufiger Ausführungen. Das soll Bauraum und Kosten verringern sowie die Zuverlässigkeit erhöhen. Einen grundsätzlichen Verzicht auf sämtliche Kondensatoren beschreibt die Mitteilung dagegen nicht.

VSPE steuert die Wandlertopologie, das Regelungsverfahren und die Systemintegration bei. Infineon liefert die dafür vorgesehenen GaN-Schalter. Deren Besonderheit liegt darin, dass sie sowohl Spannungen in beiden Richtungen sperren als auch Strom in beiden Richtungen führen können. Diese Funktionen sind monolithisch in einem Bauelement integriert. Bidirektionale Schaltfunktionen lassen sich dadurch mit weniger Halbleiterkomponenten umsetzen, so die Unternehmen.

Hinzu kommt die Möglichkeit, GaN-Bauelemente mit hohen Frequenzen zu schalten. Das kann kleinere magnetische Komponenten ermöglichen und damit die Leistungsdichte erhöhen. Welche Schaltfrequenzen die Entwickler anstreben und wie groß das vollständige Ladegerät ausfallen soll, bleibt allerdings offen.

Potenzial auf Systemebene

Technisch interessant ist das Zusammenspiel von Schalter und Architektur: Die Integration bidirektionaler Funktionen soll einen vereinfachten Leistungsteil ermöglichen. Der Nutzen geht damit über den Austausch einzelner Halbleiter in einer bestehenden Schaltung hinaus. Zugleich verbindet das Konzept die angestrebte Reduktion des Bauteilaufwands mit bidirektionalem Laden.

Wie groß der Vorteil im Fahrzeug ausfällt, lässt sich bislang nicht beziffern. Die Partner nennen weder Wirkungsgradkennlinien noch Leistungsdichte, Verlustleistung oder konkrete Kosteneinsparungen. Auch die angekündigte höhere Zuverlässigkeit wird nicht durch Lebensdauerdaten belegt. Shinry verweist auf die noch laufende Validierung der Architektur für die Anforderungen von Automobilkunden. Vorerst handelt es sich somit um ein Entwicklungsvorhaben mit einem technisch nachvollziehbaren Ansatz, dessen praktische Vorteile noch quantitativ nachzuweisen sind. (mr)

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