EU-Projektteam will Onboardlader dank GaN-Chips stark verkleinern
Elektroautos haben beim fahrzeugseitig verbauten Ladegerät noch Potenzial. Das jedenfalls ist die Überzeugung der 45 Teilnehmer am EU-geförderten Projekt HiPower 5.0. „Aktuelle Modelle stoßen bei Effizienz, Baugröße und Zuverlässigkeit zunehmend an ihre Grenzen. Genau hier setzt das Projekt an“, schreibt das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, das bei HiPower 5.0 eine zentrale Rolle einnimmt. Dass ein kompakter Onboard-Charger möglich ist, zeigte das Fraunhofer IZM bereits 2024. Mithilfe bidirektionaler GaN-Halbleiter sollen Effizienz, Kosten und Baugröße nun nochmals weiter optimiert werden.
Worum geht’s konkret? Der Onboard-Charger (OBC) eines E-Fahrzeugs wandelt Strom aus dem Netz in batterietaugliche Energie um. Mit höhren Ladeleistungen steigen jedoch auch die Anforderungen an Effizienz, Kühlung und Platz. „Klassische Siliziumlösungen lassen sich nur noch begrenzt optimieren. Energieverluste führen zu Wärmeentwicklung und somit zu höherem Kühlaufwand. Das wiederum hat Auswirkungen auf die Baugröße, weshalb leistungsstarke OBCs aktuell nicht für alle Fahrzeugklassen in Frage kommen“, skizzieren die Fraunhofer-Experten die Ausgangslage.
Allen voran ein einfacher Aufbau mit weniger Bauteilen soll Vorteile bei Effizienz, Kosten und Verbreitung haben. Deshalb arbeitet das HiPower 5.0-Konsortium im Projektstrang „Automotive“, den das Fraunhofer IZM verantwortet, an der Entwicklung eines leistungsstarken 22 kW OBCs, der mit einem Volumen von vier Litern deutlich kleiner ist als die aktuell üblichen zwölf Liter.
Garant für die Verkleinerung sind neuartige Gallium-Nitrid-(GaN)-Halbleiter von Infineon. „Die monolithisch integrierten bidirektionalen GaN-Schalter ermöglichen eine effizientere Stromumwandlung und kompaktere Bauweisen, denn sie sind so aufgebaut, dass sie den Stromfluss in beide Richtungen sperren können“, führen die Verantwortlichen aus. Somit übernehme ein Bauteil die Funktion von ursprünglich zwei verschalteten Halbeitern. „Das eröffnet neue technische Möglichkeiten, und es werden Schaltungsentwürfe möglich, die mit konventionellen Bauelementen nur unter Kompromissen realisierbar wären.“
Doch nicht nur das Material selbst ist entscheidend, sondern auch die Art und Weise, wie alle Komponenten im Fahrzeug zusammenarbeiten. Hier kommt die Erfahrung des Fraunhofer IZM im Packaging und der Systementwicklung zum Tragen: „Die Bauteile werden nicht einzeln optimiert, sondern von Anfang an als Gesamtsystem gedacht. Elektronische Komponenten werden teilweise direkt in Leiterplatten integriert (Embedding), was Wege verkürzt, Verluste reduziert und Platz spart“, so das Fraunhofer-Team
Ein erster Demonstrator war besagtes, kompaktes 22-kW-Ladesystem für Elektrofahrzeuge, das das Fraunhofer IZM bereits 2024 auf der PCIM Europe präsentierte. Dieses hatte jedoch noch keine bidirektionalen GaN-Elemente verbaut. Im Teilprojekt „Automotive“ sollen nun beide Ansätze zusammengeführt werden.
Insgesamt arbeiten im Projekt HiPower 5.0 45 Partner aus zehn europäischen Ländern an sechs Use Cases, darunter zwei OEMs, 21 Tier‑1/2‑Hersteller, sechs Leistungselektronikfirmen, zehn Hochschulen und sieben Forschungseinrichtungen. Eine Liste der einzelnen Teilnehmer findet sich in der unten verlinkten Quelle. Verbindendes Element über alle Use Cases ist, dass die Vorteile moderner GaN- und anderer Wide-Bandgap-Halbleiter „in einer durchgängig europäischen Wertschöpfungskette in marktfähigen Produkten nutzbar gemacht werden sollen“, wie es heißt. Neben dem Automobilsektor werden u.a. auch Anwendungsfälle in der Schifffahrt adressiert.
Das Projekt läuft von August 2025 bis Juni 2028 und wird mit 33,7 Millionen Euro von der EU und ihren Mitgliedsstaaten gefördert. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt beteiligt sich mit 5,74 Millionen Euro und der Freistaat Sachsen mit 120.000 Euro.
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