01.08.2023 – Im Forschungsprojekt GaN4EmoBiL soll ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem mit neuen Halbleiterbauelementen, Bauteilkonzepten und Systemkomponenten entwickelt werden.
Bidirektionales Laden bedeutet, dass Batterien von Elektrofahrzeugen die elektrische Energie nicht nur zum Fahren speichern, sondern bei Bedarf auch an ein elektrisches Gerät, ins Haus- oder Stromnetz abgeben können. E-Autos, die als mobile Pufferspeicher fungieren, können damit zur Flexibilisierung des Energiesystems und damit auch zur Reduzierung von CO2-Emissionen beitragen. Bisher fehlt es jedoch an effizienten und wirtschaftlichen bidirektionalen Ladesystemen, um Batterien, Netz, lokale Erzeuger und Verbraucher mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zu verbinden. Kosten, Effizienz und die Kompaktheit der Ladelösungen müssen somit deutlich verbessert werden.
Im Projekt »GaN4EmoBiL« arbeiten Partner aus Forschung und Industrie gemeinsam an der Entwicklung einer kostengünstigen und effizienten bidirektionalen Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge. (Bild: Blue Planet Studio – adobe.stock.com; Fraunhofer IAF)
Forschungsprojekt »GaN4EmoBiL« gestartet
Dieser Herausforderung haben sich nun das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, die Universität Stuttgart, Robert Bosch GmbH und Ambibox GmbH im kürzlich gestarteten Forschungsprojekt GaN4EmoBiL – GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden angenommen. Das Ziel des Konsortiums besteht darin, mit neuen Halbleiterbauelementen, Bauteilkonzepten und Systemkomponenten ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem zu demonstrieren. Gefördert wird das dreijährige Vorhaben vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Programms Elektro-Mobil.
“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 Dr. Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF und Projektkoordinator von GaN4EmoBiL.
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: Den Projektpartnern zufolge sind diese 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, erfordern aber eine komplexe Schaltung, da die Spannungsfestigkeit nicht ausreicht.
Daher erforschen die Projektpartner von GaN4EmoBiL 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 entwickeln sie neue Systemkomponenten (bidirektionales Ladekabel und Ladegerät) und untersuchen ihre Zuverlässigkeit für stark erhöhte Betriebsdauern.
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.