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 zukünftig 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.

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 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. 

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