Elektrofahrzeuge sollen klimafreundlich, leistungsstark und bezahlbar sein. Ein elementarer Baustein dafür ist das im Fahrzeug verbaute Ladegerät. Aktuelle Modelle stoßen bei Effizienz, Baugröße und Zuverlässigkeit zunehmend an ihre Grenzen. Genau hier setzt das EU-geförderte Projekt HiPower 5.0 an. Dabei übernimmt das Fraunhofer IZM eine zentrale Rolle.
Kompakt laden im Fahrzeug
Um die Klimaziele der Europäischen Union zu erreichen, ist der Verkehrssektor eine wichtige Stellschraube: Er verursacht 28 Prozent der Treibhausgasemissionen in der EU, wovon wiederum 80 Prozent auf den Straßenverkehr entfallen. Die in Elektrofahrzeugen verbauten Ladegeräte, sogenannte Onboard-Charger (OBC), wandeln Strom aus dem Netz in batterietaugliche Energie um und können hier einen großen Beitrag leisten.
Mit steigenden Ladeleistungen steigen jedoch auch die Anforderungen an Effizienz, Kühlung und Platzbedarf. Klassische Siliziumlösungen lassen sich nur noch begrenzt optimieren. Energieverluste führen zu Wärmeentwicklung und somit zu einem höheren Kühlaufwand. Das hat wiederum Auswirkungen auf die Baugröße, weshalb leistungsstarke OBCs aktuell nicht für alle Fahrzeugklassen infrage kommen.
Ein einfacher Aufbau mit weniger Bauteilen bietet somit Vorteile in Bezug auf Effizienz, Kosten und Verbreitung. Deshalb arbeitet das HiPower-5.0-Konsortium im vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM verantworteten Use Case Automotive an der Entwicklung eines leistungsstarken 22-kW-OBCs mit einem Volumen von 4 l. Dieser ist deutlich kleiner als die aktuell üblichen 12 l.
GaN‑Schalter verkleinern den Onboard‑Charger
Für diese Weiterentwicklung sind neuartige Gallium-Nitrid-(GaN)-Halbleiter zentral, die der Projektpartner Infineon zur Verfügung stellt. Die monolithisch integrierten, bidirektionalen GaN-Schalter ermöglichen eine effizientere Stromumwandlung und kompaktere Bauweisen. Sie sind nämlich so aufgebaut, dass sie den Stromfluss in beide Richtungen sperren können. Somit übernimmt ein Bauteil die Funktion von ursprünglich zwei verschalteten Halbleitern. Das eröffnet neue technische Möglichkeiten und macht Schaltungsentwürfe möglich, die sich mit konventionellen Bauelementen nur unter Kompromissen realisieren ließen.
Doch nicht nur das Material selbst ist entscheidend, sondern auch die Art und Weise, wie alle Komponenten im Fahrzeug zusammenarbeiten. Hier kommt die langjährige Erfahrung des Fraunhofer IZM im Packaging und in der Systementwicklung zum Tragen. Die Bauteile werden nicht einzeln, sondern von Anfang an als Gesamtsystem verbessert. Elektronische Komponenten werden teilweise direkt in Leiterplatten integriert („Embedding“), wodurch Wege verkürzt, Verluste reduziert und Platz gespart werden.
Ein erster Demonstrator, der das Potenzial neuer technischer Ansätze zeigte, war ein kompaktes, leistungsstarkes 22-kW-Ladesystem für Elektrofahrzeuge. Das Fraunhofer IZM präsentierte es bereits 2024 auf der PCIM Europe, allerdings kam es noch ohne bidirektionale GaN-Elemente aus.
EU‑Projekt stärkt die Wertschöpfung von Halbleiter bis Fahrzeug
Das Hi-Power-5.0-Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, die Vorteile moderner GaN- und anderer Wide-Bandgap-Halbleiter in einer durchgängig europäischen Wertschöpfungskette in marktfähigen Produkten nutzbar zu machen. Neben dem Automobilsektor werden auch Anwendungsfälle in der Schifffahrt adressiert.
Insgesamt arbeiten im Projekt HiPower 5.0 Partner aus zehn europäischen Ländern, darunter zwei OEMs, 21 Tier-1-/Tier-2-Hersteller, sechs Leistungselektronikfirmen, zehn Hochschulen und sieben Forschungseinrichtungen, an sechs Use Cases. Das Projekt läuft von August 2025 bis Juni 2028 und wird mit 33,7 Millionen Euro von der EU und ihren Mitgliedstaaten gefördert. Davon stammen 5,74 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und 0,12 Millionen Euro vom Freistaat Sachsen.
