Fraunhofer-Institut erforscht bidirektionales Laden

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 des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) innovative Ladetechnologien. Im kürzlich gestarteten Projekt „GaN4EmoBiL“ entwickeln die Partner neue Halbleiter-, Bauelement- und Systemtechnologien für die 800-V-Klasse, so das IAF.

Dabei arbeiten Partner aus Forschung und Industrie gemeinsam an der Entwicklung einer kostengünstigen und effizienten bidirektionalen Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge. Verbraucher könnten diesen Strom für andere elektrische Geräte nutzen oder an das Stromnetz abgeben und somit zur Energiesicherheit beitragen. In bisherigen technologischen Ansätzen fehlten laut IAF bislang intelligente und kostengünstige bidirektionale Ladesysteme, um Batterien, Netz, lokale Erzeuger und Verbraucher mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zu verbinden.

Am Projekt beteiligt sind neben dem IAF die Universität Stuttgart, Robert Bosch und Ambibox. 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“, erläuterte Stefan Mönch, Projektkoordinator vom IAF. Durch bidirektionale Ladelösungen könnten die bisher ungenutzten Batterien parkender Elektrofahrzeuge zukünftig stärker zur Flexibilisierung des Energiesystems und Vermeidung von CO2-Emissionen beitragen.
Etienne Tchonla, Leiter der R&D Strategy bei Ambibox, sagte: „Effiziente, kleine und intelligente Ladeinfrastrukturen in der Elektromobilität werden in Zukunft dazu beitragen, gesellschaftliche Herausforderungen zu meistern.“

Bisherige Technik unzureichend

Erste bidirektionale DC-Wallboxen mittlerer Leistung für Batterien bis 800 V nutzten bisher Leistungshalbleiter-Bauelemente, die für diese Anwendung noch nicht optimal sind. Sie seien entweder effizient, aber teuer (aus Siliziumkarbid) oder kostengünstig und dafür weniger effizient (aus 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 ausreicht.

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 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.

Informationen des IAF zum bidirektionalen Laden stehen im Internet bereit.