Fraunhofer-Forscher wollen die Effizienz des Heimladens verbessern
Forscher am Fraunhofer wollen die Effizienz steigernLaden zu Hause. Laden mit Wechselstrom, egal ob über eine normale Haushaltssteckdose oder einenWallbox-Ladegerät, führt oft zu erheblichen Energieverlusten. Ein vom Fraunhofer IZM geführtes Konsortium arbeitet nun daran, die Effektivität des Ladens mit Haushaltsstrom zu verbessern.
Die Herausforderung ergibt sich aus der Tatsache, dass das Stromnetz mit Wechselstrom betrieben wird, während Fahrzeugbatterien Gleichstrom speichern, was einen Umwandlungsprozess erfordert. InAC-Laden, diese Umwandlung erfolgt innerhalb des FahrzeugsOnboard-Ladegerät, was unweigerlich zu Energieverlusten führt. Es bestehen zwar Unterschiede zwischen der Verwendung eines ICCB-Geräts an Haushaltsstrom und einem Wallbox-Ladegerät, diese Verluste werden jedoch nicht vollständig beseitigt.
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts „EnerConnect“ erforschen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM gemeinsam mit der Technischen Universität Berlin, Delta Electronics Inc., der BIT GmbH und der Infineon Technologies AG eine Schaltung, die innovative bidirektionale Funktionen nutzt Sperrende GaN-Transistoren-Halbleiter aus Galliumnitrid.
Wie Siliziumkarbid (SiC), das teilweise bereits in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen verwendet wird, ermöglichen GaN-Halbleiter hohe Schaltfrequenzen und ermöglichen so kleinere und möglicherweise kostengünstigere Komponenten. Allerdings können herkömmliche GaN-Transistoren Spannung nur in einer Richtung sperren. Im Gegensatz dazu verfügen bidirektional blockierende GaN-Transistoren über zwei Gate-Strukturen, die sowohl negative als auch positive Spannungen verwalten, was sie besonders nützlich für Konverter und Gleichrichter macht, die an das öffentliche Netz angeschlossen sind, wie das Fraunhofer IZM feststellt.
Die vom „EnerConnect“-Team entwickelte Schaltung wäre mit herkömmlichen Halbleitern zu komplex, aber die GaN-Technologie macht sie machbar. Dieses als Buck-Boost-Wandler bekannte System kann sowohl höhere als auch niedrigere Eingangsspannungen verarbeiten. Der Schlüssel liegt in den bidirektional sperrenden Transistoren, die sich die Vorteile dieses Designs zunutze machen. Traditionell arbeiten aktive Gleichrichter in Elektrofahrzeugen mit hohen Spannungen, aber die neue Schaltung, die untersucht wird, ermöglicht niedrigere Spannungseinstellungen, was zur Reduzierung von Schaltverlusten beiträgt.
Darüber hinaus ermöglicht diese Schaltung eine Reduzierung der Wandlerstufen. Typischerweise wird bei einem Gleichrichter die Eingangsspannung zunächst um zwei Komponenten erhöht und dann reduziert, um sie an die erforderliche Batteriespannung anzupassen. Durch den Einsatz bidirektional blockierender GaN-Transistoren können diese beiden Schritte in einer einzigen Wandlerstufe zusammengefasst werden, was die Effizienz erhöht und die Materialkosten senkt.
Dadurch könnte der Wirkungsgrad des Wandlers potenziell bis zu 99 % erreichen, wobei auch eine weitere Erhöhung der Schaltfrequenz möglich ist. Forscher haben sich ein ehrgeiziges Ziel von 300 kHz gesetzt. „Das Ziel einer Schaltfrequenz von 300 kHz könnte die Leistungsdichte erhöhen15 kWpro Liter – eine Steigerung von 800 % gegenüber aktuellen Ladegeräten auf dem Markt“, so das Fraunhofer IZM. Diese Innovation könnte zur Entwicklung eines leistungsstarken Bordladegeräts führen, das kleiner als bestehende Modelle ist.
Das Fraunhofer IZM betonte in seiner Ankündigung die „erheblichen Vorteile bei Leistungsdichte und Effizienz“ und deutete an, dass das Laden von Elektrofahrzeugen an haushaltsüblichen Steckdosen deutlich effektiver werden könnte. Dies entspricht jedoch nicht den Ladekapazitäten vonDC-Schnellladegeräte, es impliziert das Potenzial für kompakt22-kW-Bordladegeräte. Derzeit sind die meisten Elektroautos mit Drehstrom ausgestattet11-kW-Bordladegerätebei 16 Ampere; Aus Kosten- und Platzgründen bieten viele Hersteller diese nicht an22 kWModelle. GaN-Transistoren könnten sowohl Platz- als auch Kostenprobleme bewältigen22-kW-Bordladegerätezugänglicher.
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electrive.com, fraunhofer.de
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