Am 17. Juli 2023 trafen sich die Projektpartner (Fraunhofer IAF, Universität Stuttgart, Robert Bosch und Ambibox) zum offiziellen Kick-off zum Projekt GaN4EmoBiL in Freiburg. (Bild: Fraunhofer IAF)
Durch bidirektionales Laden lassen sich Elektroautos mit Strom aus erneuerbaren Energien laden und nach Bedarf wieder entladen. 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. Damit die breite Masse bidirektionales Laden nutzen kann, erforscht ein Konsortium unter der Leitung vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF innovative Ladetechnologien: Im kürzlich gestarteten Projekt GaN4EmoBiL entwickeln die Partner neue Halbleiter-, Bauelement- und Systemtechnologien für die 800-V-Klasse.
Zum Konsortium gehören das Fraunhofer IAF, die Universität Stuttgart, Robert Bosch und Ambibox. Gemeinsam wollen die Projektpartner mit neuen Halbleiterbauelementen, Bauteilkonzepten und Systemkomponenten ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem demonstrieren. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das dreijährige Vorhaben im Rahmen des Programms Elektro-Mobil.
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Bisherige Lösungen sind teuer, ineffizient oder zu komplex
Erste bidirektionale DC-Wallboxen mittlerer Leistung für Batterien bis 800 V nutzen bisher Leistungshalbleiter-Bauelemente, die entweder effizient, aber teuer (Siliziumkarbid) oder kostengünstig und dafür weniger effizient (Silizium) sind. 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 sich Kosten, Effizienz und Kompaktheit der Ladelösungen deutlich verbessern. Dafür erforschen die Projektpartner im ersten Schritt neue Halbleiterlösungen. Sie wollen eine kostengünstige GaN-Technologie auf alternativen Substraten (beispielsweise Saphir) umsetzen, die preiswerte und effiziente 1200-V-Transistoren ermöglicht. Darauf aufbauend entwickeln sie neue Systemkomponenten (bidirektionales Ladekabel und Ladegerät) und untersuchen deren Zuverlässigkeit.
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.
