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800-V-Architektur Externes DC-Ladegerät demonstriert bidirektionales Laden

Von Dipl.-Ing. (FH) Michael Richter 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik
ET System electronic GmbH
Heitec AG
Bicker Elektronik GmbH

Ein Demonstrator auf Basis eines 1.200-V-GaN-Leistungsmoduls verlagert die Leistungselektronik aus dem Fahrzeug in ein kompaktes externes DC-Ladegerät. Der Ansatz soll bidirektionales Laden für 800-V-Elektrofahrzeuge ermöglichen.

Demonstrator eines bidirektionalen einphasigen 3-kW-DC-Ladegeräts mit GaN-Leistungselektronik. Das leistungselektronische Modul (oben) haben Forschende des Fraunhofer IAF auf Basis des Leistungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) und alternativen isolierenden Substraten entwickelt. Die Realisierung des Demonstrators sowie die Integration des Moduls erfolgte durch den GaN4EmoBiL-Projektpartner Ambibox.(Bild: Fraunhofer IAF)
Demonstrator eines bidirektionalen einphasigen 3-kW-DC-Ladegeräts mit GaN-Leistungselektronik. Das leistungselektronische Modul (oben) haben Forschende des Fraunhofer IAF auf Basis des Leistungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) und alternativen isolierenden Substraten entwickelt. Die Realisierung des Demonstrators sowie die Integration des Moduls erfolgte durch den GaN4EmoBiL-Projektpartner Ambibox.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Mit dem Projekt „GaN4EmoBiL“ haben das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und Ambibox einen Demonstrator für ein bidirektionales, einphasiges DC-Ladegerät entwickelt. Das System kombiniert ein 1.200-V-GaN-Leistungsmodul mit einem kompakten Off-Board-Ladegerät und untersucht einen alternativen Ansatz für das Laden von Elektrofahrzeugen der 800-V-Klasse.

Normalerweise übernehmen fest im Fahrzeug verbaute On-Board-Charger die Umwandlung des Wechselstroms aus dem Stromnetz in Gleichstrom für die Hochvoltbatterie. Beim Demonstrator hingegen ist die Leistungselektronik in einem externen DC-Ladegerät verbaut, das den Gleichstrom über einen CCS-Anschluss direkt an die Fahrzeugbatterie liefert. Dadurch könnte der On-Board-Charger künftig kleiner dimensioniert oder teilweise durch externe Ladeelektronik ergänzt werden.

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Leistungselektronik außerhalb des Fahrzeugs

Der Demonstrator unterstützt Batteriespannungen von 150 V bis 920 V und erreicht eine Lade- beziehungsweise Entladeleistung von bis zu 3 kW. Er wird über einen Schuko-Stecker an das Stromnetz angeschlossen und verfügt über ein Gesamtvolumen von 8,3 l bei einem Gewicht von 5,7 kg einschließlich der Stecker.

Neben dem Laden ermöglicht das System auch einen bidirektionalen Energiefluss. Das Fahrzeug kann damit nicht nur Energie aufnehmen, sondern diese bei Bedarf wieder an ein angeschlossenes System abgeben. Solche Konzepte gelten als Grundlage für Anwendungen wie Vehicle-to-Home oder Vehicle-to-Grid.

1-200-V-GaN bildet die Grundlage

Kern des Demonstrators ist ein vom Fraunhofer IAF entwickeltes Leistungsmodul mit Galliumnitrid-Transistoren der 1.200-V-Klasse auf einem isolierenden Substrat. Mit dem Demonstrator soll untersucht werden, inwieweit sich diese Technologie für Hochvolt-Ladesysteme der 800-V-Klasse eignet.

Im Vergleich zu Silizium ermöglichen GaN-Leistungshalbleiter höhere Schaltfrequenzen und geringere Schaltverluste. Dadurch lassen sich passive Bauelemente kleiner dimensionieren und Leistungselektronik kompakter aufbauen. Im Projekt wird untersucht, wie sich diese Eigenschaften in bidirektionalen DC-Ladesystemen nutzen lassen.

Neue Ladearchitekturen im Fokus

Im Projekt „GaN4EmoBiL“ erforschen die Projektpartner neben Hochvolt-GaN-Transistoren auch bidirektionale Leistungsschalter sowie neue On- und Off-Board-Ladekonzepte für Elektrofahrzeuge. Ziel ist es, Lösungen zu entwickeln, die Kosten, Baugröße und Effizienz zukünftiger Ladesysteme verbessern und gleichzeitig den Einsatz in 800-V-Fahrzeugen unterstützen. Der Demonstrator dient als Entwicklungsplattform, um Erfahrungen mit GaN-Leistungselektronik in bidirektionalen Hochvolt-Ladesystemen zu sammeln. Die Ergebnisse sollen zeigen, welches Potenzial externe DC-Ladegeräte für zukünftige Fahrzeugarchitekturen und Anwendungen wie Vehicle-to-Home oder Vehicle-to-Grid bieten. (mr)

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