Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZMHandlich statt Handarbeit: Mit cleverem Packaging zum On-Board-Charger im Kleinformat
Für die E-Mobilität ist das Laden an öffentlichen Wechselstrom -Netzen eine Herausforderung. Am Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, jüngste Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation der On-Board- Charger zu kombinieren. Bidirektionale Ladevorgänge bis zu 22 kW werden durch richtungsweisende PCB- und Packaging- Lösungen ermöglicht, die zudem eine maschinelle Fertigung erlauben.
Das fahrzeugeigene Ladegerät, der On-Board-Charger (OBC), 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 neuesten Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation von On-Board-Chargern zu kombinieren. Das Ergebnis: doppelte Ladeleistung bei halbem Volumen, dazu bidirektional und maschinell gefertigt. Eine kostengünstige Lösung und ein Wegweiser für die Abkürzung in Richtung Zukunft.
Ein System, zwei Innovationen: Die Wissenschaftler*innen des Fraunhofer IZM haben zwei zentrale Neuerungen in das neue OBC-Design integriert: den Sinus-Amplituden-Converter (SAC) und eine planare PFC-Drossel. Beide Entwicklungen sind entscheidend für die kompakte Bauweise, die hohe Leistung und die Effizienz des Systems. Sie bieten eine vollständig maschinelle und damit kostengünstige Herstellbarkeit sowie kurze Kühlpfade aufgrund des planaren Aufbaus.
- Sinus-Amplituden-Converter (SAC): Der SAC nutzt moderne Galliumnitrid-Halbleiter (GaN), die aufgrund ihrer hohen Schaltfrequenzen von über 1 MHz besonders kleine und effiziente Designs ermöglichen. Die galvanische Trennung des resonanten Transformators ist entscheidend, um niederfrequente Erdströme zu reduzieren und so einen sicheren Betrieb zwischen Netz und Fahrzeugbatterie zu gewährleisten. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung bestand darin, die Verluste im Transformator durch ein optimiertes Layout und angepasste Materialien so gering wie möglich zu halten.
- Planare PFC-Drossel: Die planare Bauweise der Drossel reduziert nicht nur das Volumen des OBC erheblich, sondern ermöglicht auch sehr kurze Kühlpfade. Durch die Integration auf einer Leiterplattenbasis mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern ist zudem eine kostengünstige, maschinelle Produktion in hohen Stückzahlen realisierbar. Die PFC arbeitet mit Siliziumkarbid-Schaltern (SiC), die eine Schaltfrequenz von 140 kHz erlauben und trotz niedriger Induktivität dank der innovativen Regler-Hard- und Software einen stabilen Betrieb gewährleisten.
Technische Meisterleistung in kleinem Format: Das neue On-Board-Charger-Design beeindruckt durch seine kompakten Abmessungen von nur drei Litern Volumen und erreicht dennoch eine Ladeleistung von bis zu 22 kW. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen ist die Leistungsdichte damit viermal höher. Der Wirkungsgrad liegt bei über 97 %, und das System ist kompatibel mit 400- und 800-Volt-Batterien sowie ein- und dreiphasigen Wechselstromnetzen weltweit.
Zukunftsweisendes bidirektionales Laden: Mit dem neuen OBC wird nicht nur das Laden des Fahrzeugs effizienter, sondern auch das Entladen möglich. Die bidirektionale Funktion erlaubt es, die Fahrzeugbatterie als Energiespeicher für das Stromnetz oder das eigene Haus zu nutzen – ein entscheidender Schritt für die Energiewende.
Besuchen Sie uns! Erleben Sie den On-Board Charger der nächsten Generation live auf unserem Messestand. Lassen Sie sich von unseren Wissenschaftler*innen die technischen Innovationen erläutern und werfen Sie einen Blick auf den Sinus-Amplituden-Converter, die planare PFC-Drossel und das gesamte OBC-System.