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Kleine Baugröße & kurze Ladedauer

Ein Batterie-Ladegerät, das E-Biker glücklich macht

Universität Stuttgart Batterieladegerät E-Bike
3D-Animation der leistungselektronischen Schaltung des Ladegeräts: außen modulare Halbbrückenmodule und innen die passiven Bauelemente, um den Strom zu modulieren.
© Universität Stuttgart / ILH

Ein stärkerer Akku und gleichzeitig kürzere Ladezeiten sowie Ladegeräte, die leicht sind und im Rucksack wenig Platz brauchen – so sieht der Traum eines jeden E-Bikers aus. Um ihn wahrwerden zu lassen, haben Forscher der Uni Stuttgart den Prototypen eines stecker-integrierten Ladegeräts entwickelt.

Bei dem gemeinsamen Projekt des Instituts für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) sowie des Instituts für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe (ILEA) der Universität Stuttgart haben die beteiligten Forscher zuerst aktuell erhältliche Ladegeräte für E-Bikes und E-Scooter analysiert, vermessen, untersucht und mit auf dem Markt erhältlichen Ladegeräten für beispielsweise Laptops verglichen.

Anschließend wurden die leistungselektronischen Topologien (Anordnungen) der im Ladegerät verwendeten Schaltungen verglichen, um die für diesen Anwendungsfall am besten geeignete Topologie zu finden und auszuwählen. Die Herausforderung dabei: Ladegeräte für Akkus haben im Gegensatz zu einem einfachen Netzteil einen breiten Betriebsbereich. Daher müssen über den sogenannten Ladezustand verschiedene Spannungen und Ströme eingestellt werden, um den Akku schnellstmöglich und gleichzeitig möglichst schonend aufzuladen. Dies stellt große Anforderungen an eine elektrotechnische Schaltung, die möglichst klein und gleichzeitig effizient sein soll.

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Leistungseinbußen durch Hotspots vermeiden

Im Betrieb darf das Ladegerät an keiner Stelle eine bestimmte Maximaltemperatur überschreiten. Zusätzlich muss es vollständig geschlossen sein – es wird also nur durch passive Konvektion gekühlt. Unter diesen Rahmenbedingungen muss die Effizienz der Schaltung, die die einphasige Netzspannung aus der Steckdose in eine Gleichspannung wandelt, mit Hilfe aufwändiger dreidimensionaler Simulationen berechnet werden.

Dabei wird die Anordnung der Komponenten optimiert, um eine möglichst ideal verteilte Oberflächentemperatur zu gewährleisten, aber gleichzeitig die elektrische Integrität beizubehalten und elektromagnetische Störungen zu vermeiden.

GaN als Game-Changer in der Leistungselektronik

Bislang bestanden die Halbleiterbauelemente der Spannungswandler in kommerziell erhältlichen Ladegeräten aus Silizium. In der Forschung dagegen hat das Material Gallium-Nitrid (GaN) schon vor einigen Jahren großes Interesse geweckt. Seit Kurzem sind nun erste Handyladegeräte erhältlich, die auf Chips aus GaN setzen und hohe Leistungen (bis zu 120 Watt) bei kleinem Bauraum versprechen. Die Bauelemente bieten dabei in beinahe allen relevanten Parametern deutlich Vorteile – müssen aber erst in der Anwendung bei hohen Leistungen beherrscht werden.

Diese Herausforderung nahmen die Stuttgarter Forscher an und verbauten in den Prototyp sechs eigens entworfene Leistungsstufen, die auf GaN Halbleitern basieren. Um diese zuverlässig auf den hoch integrierten Platinen zu betreiben, sind fundierte Kenntnisse der Technologie und eingehende elektrische und mechanische Simulationen nötig.

Der finale Prototyp der beiden Institute erreichte die anvisierten Ziele: Er ist vom Volumen her nur halb so groß wie die bisher erhältlichen Ladegeräte, und dies bei gleicher Leistungsfähigkeit (über 150 W), was einer Leistungsdichte von circa 1,6 kW/Liter entspricht.


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