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Ladegerät für Elektrofahrzeuge mit 97 Prozent Wirkungsgrad

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben ein dreiphasiges Ladegerät mit 97 Prozent Wirkungsgrad entwickelt. Zudem verfügt es über eine hohe Leistungsdichte. Genutzt werden kann das Gerät für den stationären Einsatz in einer Ladesäule sowie im Fahrzeug selbst, erklärt das Fraunhofer-Institut. Und für die Speicherung von Solar- und Windstrom würden Elektrofahrzeuge einen wichtigen Baustein im zukünftigen Stromnetz darstellen. Das Ladegerät soll in der Lage sein, mit einer Nennleistung von 22 Kilowatt eine übliche Elektrofahrzeugbatterie innerhalb von 45 Minuten auf 80 Prozent zu laden. Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des Verbundprojekts Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität, wie es aus Freiburg heißt.

Durch die Verwendung von neuartigen Siliciumkarbid-Transistoren (SiC-JFETs), die sich vor allem durch geringe Durchlassverluste sowie ein gutes Schaltverhalten auszeichnen, erzielten die Wissenschaftler einen maximalen Wirkungsgrad von 97 Prozent, berichtet das Institut. Für das Ladegerät entwickelten und optimierten sie spezielle Halbleitermodule sowie Gate-Treiberschaltungen. Die neue Halbleitertechnologie soll eine Taktfrequenz von 80 Kilohertz ermöglichen. Dadurch habe sich der Filteraufwand auf der Netz- und Batterieseite erheblich reduziert und es habe eine Leistungsdichte des kompletten Wandlers von 2,8 Kilowatt pro Liter (kW/l) erreicht werden können. Zudem sei das Gerät kompakt, die Abmessungen des Wandlers inklusive aller Filterdrosseln und Kühlkörper betragen 340 mal 230 mal 100 Kubikmillimeter, werden Zahlen genannt. Kommerziell erhältliche Ladegeräte für Elektrofahrzeuge hingegen, so vergleicht das Fraunhofer-Institut, hätten üblicherweise Wirkungsgrade von knapp über 90 Prozent und eine Leistungsdichte von 0,5 kW/l, wobei sie einphasig aufgebaut seien und eine Leistung von 3,3 Kilowatt hätten.

Die hohe Taktfrequenz stellt eine große Herausforderung an die digitale Regelungstechnik, berichtet das Fraunhofer ISE weiter. Deshalb sei am Institut eine schnell arbeitende Reglerplatine für das Ladegerät entwickelt worden. Diese soll in der Lage sein, Ströme und Spannungen hochaufgelöst mit einer Abtastfrequenz von 80 Kilohertz zu erfassen, regelungstechnisch zu verarbeiten und die pulsweitenmodulierten Signale für die Ansteuerung der Leistungstransistoren zu berechnen.

Das neue Ladegerät ist zweistufig aufgebaut. Die erste Stufe wandelt die dreiphasige Netzspannung von 400 Volt in eine konstante Gleichspannung um, wird erläutert. Diese werde dann mithilfe eines Gleichspannungswandlers an die Batteriespannung von 300 Volt bis 500 Volt angepasst. Um Gewicht, Volumen und Kosten einzusparen und gleichzeitig den Wirkungsgrad zu erhöhen, verzichteten die Forscher auf eine galvanische Trennung und verwendeten statt dessen eine transformatorlose Schaltungstopologie mit zusätzlichen Schutzschaltungen für die elektrische Sicherheit. Das Ladegerät arbeitet bidirektional und kann sowohl Energie aus dem Netz beziehen als auch die in der Batterie gespeicherte Energie bei Bedarf in das Netz zurückspeisen, heißt es weiter aus Freiburg. Dadurch könne es einerseits Strom aus fluktuierend einspeisenden erneuerbaren Energien wie beispielsweise der Photovoltaik oder der Windenergie leistungsgeregelt in der Batterie speichern und andererseits bei geringer Erzeugung aus erneuerbaren Energien das Netz stützen. Die Elektromobilität bietet damit die Möglichkeit, die Batterien der Fahrzeuge dem Stromnetz als Speicher zur Verfügung zu stellen, verdeutlicht das Institut weiter. Besonders interessant sei dabei die große kumulierte Leistung der bidirektionalen Ladegeräte, die es ermögliche, kurzzeitige Leistungs- und Frequenzschwankungen im Stromnetz auszugleichen.

Das Verbundprojekt Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert, erläutert das Institut. Mehr als 30 Fraunhofer-Institute seien in dem Projekt aktiv.
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