Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
(RWTH) Aachen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische
Antriebe (ISEA)
Campus-Boulevard 89
52074 Aachen
Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EV) birgt ein erhebliches Potenzial zur Speichernutzung, das jedoch derzeit unzureichend ausgeschöpft wird. Mit rund 40 Millionen EVs weltweit und einer installierten Batteriekapazität von etwa 2 TWh werden diese Speicherkapazitäten in Europa nur durchschnittlich eine Stunde pro Tag für Fahrten genutzt. Die Einführung bidirektionaler Ladetechniken „Vehicle-to-Grid“ (V2G) kann diese Energie für netzdienliche Anwendungen nutzbar machen. Aktuelle Herausforderungen bestehen in der ineffizienten Rückspeisung der gespeicherten Energie, da viele Ladegeräte hohe Ladeverluste insbesondere im V2G-relevanten Teillastbetrieb aufweisen.
Das Projekt BITES zielt darauf ab, diese Hürden zu überwinden, indem es innovative On-Board-Charger (OBCs) mit hoher Effizienz im Teillastbetrieb entwickelt. Durch den Einsatz neuer Halbleitertechnologien wie monolithisch bidirektional sperrenden Schaltern (MBDS) auf Galliumnitrid-Basis sollen neue leistungselektronische Topologien erforscht und dadurch die Teillasteffizienz signifikant gesteigert werden. Zudem können durch die neue MBDS-Technologie Halbleiterressourcen gespart und somit später anfallender Elektroschrott reduziert werden.
Die angestrebten Ziele umfassen die Entwicklung eines dreiphasigen OBCs, der sowohl die Teillasteffizienz verbessert als auch den Ressourcenbedarf reduziert. Damit soll ein effizienter V2G-Betrieb ermöglicht werden, was jährlich mehrere zehntausend Tonnen CO2 einspart und das öffentliche Stromnetz bei seiner Transformation hin zu dezentraler Energienutzung unterstützt. BITES fördert somit eine nachhaltige Mobilität und unterstützt aktiv die Stabilität des Stromnetzes durch dezentrale Energiespeicherung, während gleichzeitig der Rohstoffeinsatz reduziert wird.
Die Kerninnovation von BITES ist die Verwendung monolithisch bidirektional sperrender GaN‑Schalter (MBDS). Im Gegensatz zu herkömmlichen MOSFET‑ oder IGBT‑Kombinationen können MBDS sowohl beide Spannungspolaritäten sperren als auch beide Strompolaritäten leiten. Diese Charakteristik ermöglicht die Umsetzung neuartiger leistungselektronischer Topologien. Darüber hinaus reduzieren die schnellen Schaltgeschwindigkeiten und der niedrige Einschaltwiderstand von GaN-Leistungshalbleitern die Schalt- und Leitverluste, wodurch hohe Effizienzen erreicht werden können. Aufgrund der geringen Schaltverluste können zudem hohe Schaltfrequenzen verwendet werden, wodurch die Größe der passiven Komponenten wie Transformator und Filterkondensatoren reduziert werden können und somit die Leistungsdichte gesteigert wird.
Auf Basis der MBDS‑Technologie wird in BITES ein einstufiger OBC entwickelt. Die einzigartige Charakteristik der MBDS ermöglicht die praxisnahe Realisierung von Topologien, die trotz technischer Vorteile vor der Einführung von MBDS aufgrund des erhöhten Halbleiterbedarfs häufig als unwirtschaftlich eingestuft wurden.
In BITES werden die beiden traditionellen Stufen (PFC + DC‑DC‑Wandler) in einer gemeinsamen Stufe zusammengeführt, wodurch die Ressourceneffizienz und die Kosten drastisch gesenkt werden können.
Ein wesentliches Element des Lösungsansatzes ist die Entwicklung neuer Modulationsstrategien, wodurch die Effizienz des OBCs insbesondere im Teillastbereich optimiert werden soll. Die Modulationsstrategie bestimmt, wann welcher Leistungshalbleiter ein- bzw. ausgeschaltet wird, um die gewünschte Leistungsübertragung zu erreichen. Allerdings kann der gewünschte Leistungsfluss in der Regel auf verschiedenen Wegen erreicht werden, wodurch sich Freiheitsgrade ergeben, die Raum für zusätzliche Optimierungsziele geben. Die in BITES adressierten Modulationsstrategien minimieren beispielsweise ungewünschte Kreisströme und Blindleistung, wodurch die RMS‑Ströme in den Leistungshalbleitern und in den Transformatorwicklungen reduziert werden. Dies führt zu reduzierten Leitverlusten in diesen Komponenten. Gleichzeitig wird angestrebt, den weichschaltenden Arbeitsbereich der GaN-MBDS zu maximieren, um auch die Schaltverluste zu minimieren.
Abschließend werden die in BITES theoretisch erarbeiteten Konzepte auf einem eigens dafür entwickelten Labordemonstrator OBC experimentell validiert.