Handlich statt Handarbeit: Mit cleverem Packaging zum On-Board-Charger im Kleinformat

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Das fahrzeugeigene Ladegerät, der On-Board-Charger, ist der Schlüssel zum
universellen Laden – und somit ein Kernstück für die Zukunft der
E-Mobilität. Dem Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, einige der jüngsten
Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste
Generation der On-Board-Charger zu kombinieren. Das Ergebnis: Doppelte
Ladeleistung bei halbem Volumen, dazu bidirektional und maschinell
gefertigt. Eine günstige Lösung und ein Wegweiser für die Abkürzung in
Richtung Zukunft.

Wer mit dem E-Auto an eine Schnellladestation fährt, kann dort in
Zeiträumen von 15 bis 30 Minuten den Akku komplett aufladen. Das liegt zum
einen daran, dass Schnellladestationen eine hohe Leistung bieten, einige
bis zu 350 kW. Zum anderen liefern sie die Energie in Form von
Gleichstrom, wie es der Auto-Akku verlangt. Somit kann die Batterie direkt
geladen werden, ein Ladegerät im Auto wird dafür nicht gebraucht.

Anders verhält es sich an den Lademöglichkeiten auf Wechselstrom-Basis,
die deutlich weiter verbreitetet sind. Dazu gehören einerseits die
gewöhnlichen Haushaltssteckdosen mit 1-phasigem Wechselstrom mit bis zu 3
kW Leistung, wie sie in nahezu jeder Garage zu finden sind. Andererseits
können E-Autos an Ladepunkten im öffentlichen Raum oder an einer
hauseigenen Wallbox am 3-Phasen-Drehstrom mit bis zu 22 kW geladen werden.
Damit ist für viele Modelle ein vollständiges Laden des Akkus in vier
Stunden möglich. Ein Großteil der aktuellen E-Flotte ist aber nur für die
Aufnahme von maximal 11 kW konzipiert – wegen ihres Ladegeräts, dem
verbauten On-Board-Charger (OBC). Zudem bestehen die bisherigen OBC aus
mehreren diskreten Bauteilen, darunter große Spulen, die z. T. in
aufwändiger Handarbeit gefertigt und zusammengefügt werden müssen und
letztlich viel Platz benötigen. Für viele Automodelle ist ein Upgrade von
11 auf 22 kW zu haben – durch Einbau eines zweiten oder größeren OBC-
Moduls, das den ohnehin großen Platzbedarf verdoppelt und den Preis in die
Höhe treibt. Außerdem funktionieren die meisten OBC nur in eine Richtung,
nämlich fürs Laden der Autobatterie. Den Strom können sie von dort nicht
wieder ins Netz einspeisen oder die große Fahrzeugbatterie als
Heimspeicher für die eigene Solaranlage nutzen. Das Speicherpotenzial der
Auto-Akkus kann damit auch nicht für die anvisierte Energiewende genutzt
werden.

Sinus-Amplituden-Converter – über 1 MHz Taktung dank Galliumnitrid-
Halbleitern
Um diese Beschränkungen umgehen zu können, wurden am Fraunhofer IZM
mehrere Komponenten entwickelt und auf kleinem Raum kombiniert. Eine
dieser Komponenten ist ein Sinus-Amplituden-Converter (SAC) – ein
resonanter Hochfrequenz-Transformator, der zunächst die galvanische
Isolation der Fahrzeugbatterie vom Versorgungsnetz gewährleistet. Diese
Trennung ist nötig, weil Kondensatoren des Bordnetzes niederfrequente
Erdströme verursachen, die ihrerseits einen FI-Schutzschalter im
Stromkreis auslösen würden und einen Betrieb so unmöglich machen. Den
eigentlichen Fortschritt des SAC aber ermöglichen die verwendeten
Galliumnitrid-Halbleiter (GaN) – neuartige und leistungsstarke Halbleiter
mit breitem Bandabstand, besser bekannt als Wide-Bandgap-Halbleiter. Sie
ermöglichen es, den Transformator mit einer Taktfrequenz von 1,3 MHz, also
1,3 Millionen Mal in der Sekunde, ein- und auszuschalten. Dazu Oleg Zeiter
vom Fraunhofer IZM, der federführend an der Entwicklung des OBC beteiligt
war: „Durch diese hohen Taktfrequenzen können wir die Bauteile gänzlich
anders auslegen.“ Das betrifft vor allem eine weitere Komponente: die PFC-
Drossel.

PFC-Drossel – flache Spulen aus der Maschine
Eine andere zentrale Komponente in einem OBC ist der so genannte Power-
Factor-Correction-Konverter (PFC). Er bildet die Schnittstelle zum
Versorgungsnetz und stabilisiert die Wechselspannung auf der Eingangsseite
in Sinusform bei – je nach Netz – 50 bzw. 60 Hz. Dazu werden Drosseln
benötigt – in bisherigen OBC ein sehr sperriges Bauteil, das zudem bei der
Fertigung hohe Kosten verursacht. Am Fraunhofer IZM konnte nun eine flache
PFC-Drossel auf Leiterplattenbasis entwickelt werden, mit vier magnetisch
gekoppelten Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern. Das hat den
großen Vorteil einer kostengünstigen maschinellen Fertigung und spart
dabei viel Platz. Die planare Bauform mit PCB ermöglicht zwar nur
niedrigere Induktivitäten, die allerdings für die mit SiC Schaltern
aufgebaute und mit 140 kHz getaktete PFC kein Hindernis darstellen. „Weil
wir so schnell takten können, ist es uns möglich, die geringe Induktivität
zu handhaben,“ sagt Oleg Zeiter. „Wenn wir den Strom nur für sehr kurze
Zeit einschalten, erreicht er die großen Stromstärken gar nicht erst, auch
bei niedriger Induktivität. Die kurzen Schaltfolgen machen es möglich.“

Durch diese cleveren Aufbau- und Verbindungstechniken konnte am Fraunhofer
IZM schließlich ein OBC entwickelt werden, der das Volumen solcher Geräte
auf 3 Liter reduziert und damit im Vergleich zu gängigen Ladegräten
halbiert, die Ladeleistung jedoch von 11 auf 22 kW verdoppelt. „Wir nehmen
jetzt im Prinzip nur eine große Leiterplatte. Durch unsere Packaging-
Lösungen braucht alles andere nur noch von der Maschine auf diese
Leiterplatte aufgebracht werden,“ so Oleg Zeiter. Auf diese Weise können
die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden.

Damit ist die Liste der Vorteile des neuen OBCs aber noch nicht
abgeschlossen: Das Modul ist mit 400- und 800-Volt-Batterien kompatibel
und hat einen Wirkungsgrad von über 97 Prozent. Nicht zuletzt ist es mit
dem neuen OBC möglich, den Strom in beide Richtungen fließen zu lassen,
also auch von der Batterie ins Netz. Diese Hausaufgabe für die
Energiewende ist von Seiten der Forschung und Entwicklung also schonmal
erledigt. Rückenwind durch europäische Fördermittel kam dabei vom der
Initiative ECSEL JU (Electronic Components and Systems for European
Leadership Joint Undertaking) im Horizon 2020 Rahmenprogramm für Forschung
und Innovation.

Wer sich von der Kombination dieser technischen Finessen überzeugen
möchte, kann dies vom 11.-13. Juni in Nürnberg am Stand des Fraunhofer IZM
(Halle 5, Stand 300) tun. Dort wird der On-Board-Charger auf der PCIM
Europe, einer internationalen Fachmesse für Leistungselektronik, der
Öffentlichkeit vorgestellt.

(Text: Christoph Hein)