Technologie: Projekte

GaN4EmoBiL: E-Autos als massen­taugliche mobile Stromspeicher

GaN4EmoBiL – E-Autos als mobile Stromspeicher
Bild: Magda Ehlers | Pexels

[Fraunhofer IAF] – Im Projekt GaN4EmoBiL arbeiten Partner aus Forschung und Industrie gemeinsam an der Entwicklung einer kostengünstigen und effizienten bidirektionalen Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge.

Bidirektionales Laden ermöglicht es, Elektro­fahr­zeuge sowohl zu laden als auch nach Bedarf zu entladen. So können E-Autos als mobile Strom­speicher dienen und zur Flexi­bili­sierung des Energie­systems beitragen. Damit das bi­direktio­nale Laden in der breiten Masse genutzt werden kann, erforscht ein Konsortium unter der Leitung vom Fraunhofer IAF inno­vative Lade­techno­logien: Im kürzlich gestarteten Projekt GaN4EmoBiL entwickeln die Partner neue Halbleiter-, Bauelement- und System­techno­logien für die 800-V-Klasse.

Durch bidirektionales Laden können Elektro­autos mit Strom aus erneuer­baren Energien geladen und in Zeiten, in denen keine Wind- oder Solarenergie produziert wird, nach Bedarf wieder entladen werden. Verbraucher könnten diesen Strom für andere elektrische Geräte nutzen oder an das Stromnetz abgeben und somit zur Energie­sicherheit beitragen. Bisherige techno­logische Ansätze werden den Ansprüchen an Kosten und Effizienz jedoch nicht gerecht. Es fehlt an intelli­genten und kosten­günstigen bidirektio­nalen Lade­systemen, um Batterien, Netz, lokale Erzeuger und Verbraucher mit hohem Wirkungs­grad und hoher Leistungs­dichte zu verbinden.

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 künftig 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.

„Effiziente, kleine und intelligente Lade­infra­strukturen in der Elektro­mobilität werden in Zukunft dazu beitragen, gesell­schaft­liche Heraus­forderungen zu meistern“, sagt Dr. Etienne Tchonla, Leiter der R&D Strategy bei Ambibox.

Bisherige Lösungen sind 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) sind zwar kosten­günstig und effizient, erfordern aber eine komplexe Schaltung, da die Spannungs­festig­keit nicht ausreicht.

GaN4EmoBiL – E-Autos als mobile Stromspeicher

Bild: Blue Planet Studio | adobe.stock.com | Fraunhofer IAF

Um möglichst viele Batterien bi­direk­tional zu integrieren, müssen Kosten, Effizienz und die Kompakt­heit der Lade­lösungen deutlich verbessert werden. Dafür 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 1.200-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 Knowhows im Bereich Elektromobilität an.