Elektromobilität mit kompakten, effizienten Bordladegeräten revolutionär verändern
Da Europa bestrebt ist, seine ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, hat sich die Reduzierung der Emissionen aus dem Straßenverkehr zu einem entscheidenden Faktor entwickelt, denn auf diesen Sektor entfallen 80 % des Anteils des Verkehrssektors an den EU-Gesamtemissionen, der bei 28 % liegt. Elektrofahrzeuge nehmen bei diesem Wandel eine zentrale Rolle ein, doch gegenwärtig wird der Fortschritt in diesem Bereich durch die Grenzen der Bordladetechnologie ausgebremst. Das Ziel des EU-finanzierten Projekts HiPower 5.0(öffnet in neuem Fenster) besteht darin, diese Hindernisse mit der Entwicklung von Bordladegeräten der nächsten Generation zu überwinden, die kleiner, effizienter und kostengünstiger sind.
Von zwölf auf vier Liter
In Elektrofahrzeuge eingebaute Bordladegeräte wandeln Netzstrom in batteriegeeignete Energie um. Allerdings gibt es bei den derzeitig üblichen Bordladegeräten angesichts der steigenden Leistungsanforderungen erhebliche Herausforderungen. Bei der konventionellen Technologie auf Siliziumbasis gibt es Schwierigkeiten aufgrund von Effizienzverlusten, Wärmeentwicklung und sperrigen Bauformen. Leistungsstarke Bordladegeräte erfordern oft aufwendige Kühlsysteme, wodurch sie für kleinere Fahrzeuge eher ungeeignet sind. Das Team von HiPower 5.0 löst diese Probleme mit der Entwicklung eines bahnbrechenden 22 kW-Bordladegeräts, das nur vier Liter Platz einnimmt, wodurch der derzeitige Marktdurchschnitt von zwölf Litern deutlich unterboten wird. Die Innovation des Projekts liegt im Einsatz von Galliumnitridhalbleitern (GaN), die vom Projektpartner Infineon Technologies bereitgestellt werden. „Die monolithisch integrierten bidirektionalen Galliumnitridschalter ermöglichen eine effizientere Stromumwandlung und kompaktere Bauweisen, denn sie sind so aufgebaut, dass sie den Stromfluss in beide Richtungen sperren können“, wird in einer Pressemeldung(öffnet in neuem Fenster) erklärt, die auf der Website des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM veröffentlicht wurde, dem Partner, der den Projektanwendungsfall im Automobilbereich betreut. Ein einziger Galliumnitridschalter übernimmt somit die Aufgabe von zwei konventionellen Halbleitern, wodurch die Komplexität des Systems verringert und die Grundlage für neue technologische Möglichkeiten geschaffen wird. Der Erfahrungsschatz von Fraunhofer in den Bereichen Packaging und Systementwicklung hat entscheidend zur Optimierung des gesamten Bordladesystems beigetragen. Anstatt sich auf einzelne Komponenten zu konzentrieren, verfolgte das HiPower 5.0-Konsortium einen ganzheitlichen Ansatz und es wurde elektronische Bauteile direkt in Leiterplatten integriert. Mit dieser Bauform werden kritische elektrische Wege verkürzt, potenzielle Energieverluste minimiert und Platz eingespart, was ein hochintegriertes und effizientes System entstehen lässt.
Für den Automobilsektor und darüber hinaus
Die Auswirkungen von HiPower 5.0 reichen weit über die Automobilindustrie hinaus. Im Rahmen des Projekts werden auch Anwendungsmöglichkeiten in der Seeschifffahrt erkundet, um die Vorteile von Galliumnitrid und Halbleitern mit großer Bandlücke weiterführend auszunutzen. Im Verlauf des Projekts wird das HiPower 5.0-Team an sechs Anwendungsfällen arbeiten. Dazu zählen bidirektionale Sperrschalter der nächsten Generation, mit denen Schalt- und Leitungsverluste drastisch reduziert werden, hybride Mehrpegel-Wechselrichter für die Automobilindustrie, die Effizienz und Kosten optimieren, sowie Bordnetzumrichter der nächsten Generation sowohl für Personenkraftwagen als auch für Schwerlastfahrzeuge. Zwei weitere Anwendungsfälle betreffen die Entwicklung vollständig integrierter elektrischer Antriebssysteme im Sinne von mehr Effizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit sowie einen digitalen Zwilling eines dreistufigen Wechselrichters auf der Grundlage von Galliumnitridkomponenten. Nicht zuletzt werden im maritimen Bereich projekteigene Lösungen untersucht, die einen integrierten Wechselrichter und Elektromotor, eine Hochleistungs-Ladeeinheit für Schiffe, eine 3 kV-Gleichstromquelle mit galvanischer Trennung sowie Halbleiterleistungsschalter für Gleichstromnetze auf Schiffen umfassen. Mit den Innovationen des Projekts HiPower 5.0 (Leading edge Semiconductor, Integration, and Control System Technologies for highly compact and smart eDrive Components towards more sustainable Power Electronics 5.0) werden entscheidende Herausforderungen im Bereich der nachhaltigen Mobilität angegangen. Sie tragen dazu bei, den Weg in eine CO₂-arme Zukunft zu bereiten. Das Projekt wird 2028 abgeschlossen. Weitere Informationen: HiPower 5.0-Projektwebsite(öffnet in neuem Fenster)
