Garagen lataus tehostuu uusilla teknologioilla

Nykytilanteessa tiedetään, että sähköverkko toimii vuorovesijännitteellä, kun taas ajoneuvojen akku varastoi tasajännitettä. Tämä tarkoittaa, että jossain vaiheessa muuntaminen tapahtuu. AC-latauksessa tämä muuntaminen tapahtuu ajoneuvon sisäisessä latausyksikössä, mikä tuo mukanaan hävikkiä. Vaikka eroavaisuuksia on ICCB-latausyksikön ja seinälaatikon välillä, eivät kehitykset täysin poista näitä hävikkejä.

BMBF-rahoitteisessa "EnerConnect"-projektissa Fraunhofer-instituutin ja Berliinin teknisen yliopiston tutkijat tutkivat yhdessä Delta Electronics Inc.:n, BIT GmbH:n ja Infineon Technologies AG:n kanssa uudenlaista kytkentää, joka käyttää innovatiivisia, kaksisuuntaisesti estäviä GaN-transistoreita, jotka ovat puolijohteita galliumnitridiä.

GaN-puolijohteet mahdollistavat korkeat vaihtosykli-taajuudet, mikä tekee niistä pienempiä ja mahdollisesti edullisempia verrattuna perinteisiin komponentteihin. Eroavaisuutena on se, että kaksisuuntaisesti estävät GaN-transistorit pystyvät estämään jännitteen sekä positiiviseen että negatiiviseen suuntaan kahden portin rakenteen ansiosta, mikä avaa uusia mahdollisuuksia vaihtosuuntaajille ja tasasuuntaajille, jotka toimivat julkisessa sähköverkossa.

Käytännössä "EnerConnect"-projektissa tutkittavat piirit voisivat olla perinteisten puolijohteiden avulla liian monimutkaisia, mutta GaN-teknologian avulla tämä on mahdollista. Tämä niin kutsuttu Buck-Boost-kytkentä mahdollistaa sisäänmenojännitteen säätämisen sekä korkeammaksi että matalammaksi. Kaksisuuntaisten transistorien käyttö hyödyttää tätä kytkentätyyppiä. Perinteisesti käytetään aktiivisia tasasuuntaajia korkeilla jännitteillä, mutta tutkimuksessa kehitetty kytkentä mahdollistaa myös matalammalla jännitteellä toimimisen, mikä vähentää hävikkejä.

Lisäksi tämä kytkentä mahdollistaa muuntajavaiheen säästämisen: perinteiset tasasuuntaajat korottavat sisäänmenojännitteen ensin kahden erillisen komponentin avulla ennen kuin ne laskevat sen tarvittavaan akkujännitteeseen. Kaksisuuntaisten GaN-transistorien avulla nämä kaksi vaihetta voidaan yhdistää yhdeksi muuntajavaiheeksi, mikä parantaa tehokkuutta samalla, kun materiaalikustannukset laskevat.

Tuloksena on, että muuntajan hyötysuhde on pystytty nostamaan jopa 99 prosenttiin, ja jatkokehitykselle on avautunut mahdollisuus nostaa vaihtosykli-taajuutta jopa 300 kHz:iin. Tämä voisi nostaa tehotiheyttä 15 kW per litra, mikä on kahdeksan kertaa enemmän kuin nykyisten markkinoilla olevien latauslaitteiden kapasiteetti.

Fraunhofer IZM:n mukaan tämä avaa mahdollisuuden kehittää tehokkaita on-board-laturi, joka voisi olla jopa pienempi kuin nykyiset latauslaitteet.

Lyhyesti sanottuna Fraunhofer IZM mainitsee myös "tehokkaasta nopeasta lataamisesta kotona". Viittaus ei tarkoita DC-nopeuslaturien lataustehoja, vaan se viittaa siihen, että kompakti 22 kW on-board-laturi voisi olla mahdollinen. Sähköautoissa kolmihaaraiset 11 kW on-board-laturit, joissa on 16 ampeerin virta, ovat lähes standardeja; kustannus- ja tilasyistä monet valmistajat jättävät 22 kW -versiot pois. GaN-transistorien myötä voidaan kuitenkin ratkoa sekä tilaa että kustannuksia, jos 22 kW on-board-latureita halutaan saada helpommin saataville.