Fraunhofer IAF will E-Autos als mobile Stromspeicher massentauglich machen


Bisherige technologische Ansätze für bidirektionales Laden würden den Ansprüchen an Kosten und Effizienz noch nicht gerecht werden. Es fehle an intelligenten und kostengünstigen bidirektionalen Ladesystemen, um Batterien, Netz, lokale Erzeuger und Verbraucher mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zu verbinden, so die Forschenden.


Dieser Herausforderung wollen sich nun das Fraunhofer IAF, die Universität Stuttgart, Robert Bosch und Ambibox im Projekt „GaN4EmoBiL – GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden“ stellen. Das Ziel des Konsortiums bestehe darin, mit neuen Halbleiterbauelementen, Bauteilkonzepten und Systemkomponenten ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem zu demonstrieren.


„Unser Vorhaben soll Batterien, erneuerbare Energien und elektrische Verbraucher wirtschaftlich und flexibel verbinden. Durch bidirektionale Ladelösungen tragen die bisher ungenutzten Batterien parkender Elektrofahrzeuge zukünftig stärker zur Flexibilisierung des Energiesystems und Vermeidung von CO2-Emissionen bei“, sagt Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF und Projektkoordinator von „GaN4EmoBiL“. „Effiziente, kleine und intelligente Ladeinfrastrukturen in der Elektromobilität werden in Zukunft dazu beitragen, gesellschaftliche Herausforderungen zu meistern“, meint Etienne Tchonla, Leiter der R&D Strategy bei Ambibox.


Bisherige Lösungen teuer, ineffizient oder zu komplex


Erste bidirektionale DC-Wallboxen mittlerer Leistung für Batterien bis 800 V nutzen bisher Leistungshalbleiter-Bauelemente, die für diese Anwendung noch nicht optimal sind: Sie sind entweder effizient, aber teuer (Siliziumkarbid) oder kostengünstig und dafür weniger effizient (Silizium). Heute verfügbare 650-V-Transistoren aus Galliumnitrid auf Silizium (GaN-on-Si) seien zwar kostengünstig und effizient, erforderten aber eine komplexe Schaltung, da die Spannungsfestigkeit nicht ausreiche, so das Fraunhofer IAF.


Um möglichst viele Batterien bidirektional zu integrieren, müssten Kosten, Effizienz und die Kompaktheit der Ladelösungen deutlich verbessert werden. Dafür erforschen die Projektpartner im ersten Schritt neue Halbleiterlösungen. Sie wollen eine neue kostengünstige GaN-Technologie auf alternativen Substraten (beispielsweise Saphir) realisieren, die preiswerte und effiziente 1200-V-Transistoren ermöglicht. Darauf aufbauend wollen sie neue Systemkomponenten (bidirektionales Ladekabel und Ladegerät) entwickeln und ihre Zuverlässigkeit für stark erhöhte Betriebsdauern untersuchen.


Am Ende des Projekts sollen Demonstratoren die Forschungs- und Entwicklungslücke füllen, die momentan im Spannungsfeld zwischen Kosten, Effizienz, Kompaktheit, Funktionalität, Leistungsklasse und Spannungsklasse (800-V-Batterien) existiert. Darüber hinaus strebt das Konsortium die Förderung des Wissenstransfers zwischen Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie, die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses und die Sicherung des nationalen Know-hows im Bereich Elektromobilität an.