Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben im Rahmen des Projekts GaN4EmoBiL („GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden“) ein leistungselektronisches Modul auf Galliumnitrid-(GaN-)Basis für bidirektionale Gleichstrom-Ladesysteme (Direct Current, DC) der 800-V-Klasse entwickelt. Der Projektpartner Ambibox integrierte das Modul in den Demonstrator eines bidirektionalen, einphasigen Off-Board-Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge.
Das Modul des Fraunhofer IAF nutzt GaN-Bauelemente der 1.200-V-Klasse, die auf einem isolierenden Substrat realisiert wurden. Die überlegenen Eigenschaften der Bauelemente sollen durch den Einsatz im Demonstrator mit Batteriespannungen von 150 V bis zu maximal 920 V evaluiert werden. Die erfolgreiche Entwicklung unterstreicht das enorme Potenzial, das GaN-basierte Leistungselektronik für die Zukunft der Elektromobilität aufweist.
Bidirektionales, einphasiges 800-V-DC-Ladegerät für 3 kW Leistung
„Der einphasige Demonstrator eines Off-Board-Ladegerät mit bis zu 3 kW bidirektionaler Leistung adressiert eine bestehende Lücke im Spannungsfeld zwischen Kosten, Flexibilität, Effizienz und Kompaktheit für bidirektionales Laden“, verdeutlicht Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch, Koordinator des Projekts GaN4EmoBiL. Aktuell werden in elektrischen Fahrzeugen On-Board-Charger fest verbaut, um den Wechselstrom (Alternating Current, AC) einer Haushaltssteckdose oder öffentlichen Ladestation in den vom E-Auto benötigten Gleichstrom zu wandeln, beispielsweise bei einer Leistung von 11 oder 22 kW für schnelle Ladevorgänge.
On-Board-Charger verursachen durch ihre Größe, ihr Gewicht und ihre technische Komplexität allerdings hohe Kosten. Der in GaN4EmoBiL entwickelte Off-Board-Charger stellt eine deutlich günstigere und flexiblere Alternative dar: Durch seine Leistung von 3 kW fällt die Ladegeschwindigkeit im Vergleich zu On-Board-Ladesystemen zwar geringer aus, dafür ist er mobil, wesentlich kompakter und leichter sowie durch seinen CCS-Stecker (Combined Charging System) und Schutzkontaktstecker (Schuko) vielseitig nutzbar. Der Demonstrator verfügt über ein Gesamtvolumen von 8,3 l und ein Gesamtgewicht (inklusive Steckern) von 5,7 kg.
Einen weiteren Vorteil stellt die Fähigkeit des bidirektionalen Ladens dar. „Bidirektionales Laden bei hohen Sperrspannungen, wie es das demonstrierte GaN-Ladesystem erlaubt, bildet eine wichtige Säule bei der Flexibilisierung des Energiesystems“, betont Achim Lösch, Business Developer für Hochfrequenz- und Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. Durch bidirektionales Laden kann ein E-Auto nicht nur als Transportmittel, sondern auch als Energiespeicher fungieren. In Zeiten des Überangebots zieht es Strom aus dem Netz, bei Spitzenlast speist es Strom ein.
GaN-Leistungselektronik für die All Electric Society
Zu den wesentlichen technologischen Bedingungen der All Electric Society gehört die kontinuierliche Entwicklung immer leistungsfähigerer und effizienterer Leistungselektronik – insbesondere in Systemen zur Energieumwandlung und -speicherung. In diesen Anwendungen stellen leistungselektronische Bauelemente ein Nadelöhr dar: Die maximal verarbeitbare Spannung eines Wandlers wird in der Regel durch die Spannungsfestigkeit der eingesetzten Halbleiter bestimmt und definiert damit eine entscheidende Systemgrenze. Entsprechend ist die Leistungsfähigkeit dieser Bauelemente maßgeblich für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ermöglicht GaN signifikante Fortschritte in der Leistungselektronik für Energiewandlungsanwendungen. Mit GaN-basierten Bauelementen können schnellere, kompaktere und effizientere Systeme entwickelt werden. Im Bereich der Elektromobilität öffnet GaN durch die Kombination von Leistungsfähigkeit, Effizienz und reduzierten Kosten die Tür für den Einsatz von Leistungselektronik in Spannungsklassen bis 1.200 V und perspektivisch bis 1.700 V.
Derart performante Systeme wirken sich sowohl positiv auf die Reichweite von E-Autos als auch auf deren Kostenbilanz aus. Sie tragen dazu bei, die Elektromobilität stärker in der Breite der Gesellschaft zu verankern.
Über das Projekt GaN4EmoBiL
Das Ziel des GaN4EmoBiL-Konsortiums besteht darin, mit neuen Halbleiter-, Bauelement- und Systemtechnologien ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem zu demonstrieren. Dafür erforschen die Projektpartner neue Halbleiter-Bauelemente (GaN-Hochvolt-Transistoren auf kostengünstigen alternativen Substraten), Bauteilkonzepte (bidirektional sperrfähige Leistungsschalter) sowie neue System-Komponenten (On- und Off-Board AC- und DC-Ladegeräte) auch im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit für stark erhöhte Betriebsdauern.
Durch Demonstratoren soll die noch vorhandene Forschungs- und Entwicklungslücke adressiert werden, die momentan im Spannungsfeld zwischen Kosten, Effizienz, Kompaktheit, Funktionalität, Leistungsklasse und Spannungsklasse (800-V-Batterien) existiert. Damit leistet GaN4EmoBiL einen wichtigen Beitrag für eine großflächige bidirektionale Systemintegration in der Elektromobilität.
Das Projekt GaN4EmoBiL wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Programms „Elektro-Mobil“ gefördert.
