Tanken per Steckdose
Ein neues Ladegerät für Elektrofahrzeuge schafft 22 kW bei hoher Leistungsdichte.
Ladegeräten kommt in der Elektromobilität eine wichtige Rolle zu. Sie stellen das Bindeglied zwischen den elektrischen Versorgungsnetzen und den Akkus der Elektroautos dar. So lassen sich Energiespitzen, die durch Windkraft- und Solaranlagen auftreten, in Fahrzeugakkus einerseits puffern und diese andererseits rasch aufladen. Heutige kommerziell erhältliche Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erreichen Wirkungsgrade von etwas mehr als 90 %, sind meist einphasig aufgebaut und liefern eine elektrische Nennleistung von 3,3 kW. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg haben ein kompaktes, dreiphasiges, bidirektionales Ladegerät mit einem Wirkungsgrad von 97% entwickelt. Anders als die einphasigen Geräte, bei denen der Netzstrom auf 16 A begrenzt ist, kann es mit Strömen bis zu 32 A arbeiten und eine Nennleistung von 22 kW erbringen. Einen typischen Elektrofahrzeugakku lädt es innerhalb von 45 Minuten zu 80 Prozent auf.
Das am ISE entwickelte dreiphasige, bidirektionale Ladegerät ist sehr kompakt. Es liegt als Demonstrator vor. (Quelle: Fraunhofer-ISE)
Die Leistungselektronik des Ladegeräts schaltet mit einer Taktfrequenz von 80 kHz, kommerziell erhältliche Systeme mit 2 bis 16 kHz. Je höher die Taktfrequenz, desto kleiner können die induktiven Bauelemente ausfallen. Allerdings steigen mit der Taktfrequenz auch die Schaltverluste.
Möglich wird die hohe Leistungsdichte des Ladegeräts durch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) auf Basis von Siliziumkarbid (SiC). Diese Transistoren bestehen z. B. bei einem n-Kanal-JFET aus einem n-dotierten Bereich, der von einer p-dotierten Sperrschicht umgeben ist. Source und Drain liegen an der n-Schicht, der Gate-Anschluss an der p-Sperrschicht.
Die Bandlücke von SiC-Halbleitern ist viel größer als die von Silizium. Ihre Durchbruchspannung ist zehnmal höher und ihre thermische Leitfähigkeit besser. Sie sind erheblich schneller schaltbar als die derzeit eingesetzten Silizium-IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) und weisen kleinere Durchlassverluste auf. SiC-JFETs gibt es bislang allerdings nur in kleinen Stückzahlen.
Michael Vogel
