Effektiv garasje-lading med ny teknologi

Forskere jobber hardt for å gjøre lading av elektriske biler mer effektiv. Utgangspunktet er enkelt: strømnettet leverer vekselstrøm, mens kjøretøyets batteri lagrer likestrøm, noe som krever en omforming under ladingen.

Når man lader med vekselstrøm (AC) skjer dette gjennom et ombordlader i bilen. Uansett om man bruker en vanlig husholdningskontakt eller en veggmontert ladestasjon (Wallbox), vil det alltid oppstå tap i denne prosessen.

I det pågående BMBF-støttede prosjektet «EnerConnect» undersøker forskere fra Fraunhofer Institutt for driftssikkerhet og mikrointegrasjon (IZM) og Technische Universität Berlin, sammen med Delta Electronics Inc., BIT GmbH og Infineon Technologies AG, en ny krets ved hjelp av banebrytende bidireksjonalt sperrende GaN-transistorer, som er laget av galliumnitrid.

GaN-halvledere, som ligner på silisiumkarbid (SiC), som allerede brukes i effekt-elektronikk til elbiler, tillater høye switching-frekvenser, noe som resulterer i mindre og potensielt billigere komponenter. De gir imidlertid bare sperring i én retning, men de bidireksjonalt sperrende GaN-transistorene kan blokkere både positive og negative spenninger ved hjelp av to gatestrukturer. Dette åpner for nye muligheter innen omformere for AC og DC.

Denne kretsen som forskerne utvikler i «EnerConnect» ville vært altfor komplisert med tradisjonelle halvledere, men med GaN er det gjennomførbart. Kretsen er en såkalt Buck-Boost-topologi, hvor inngangsspenningen kan økes eller senkes. Med bidireksjonale transistorer kan man dra nytte av fordelene ved denne kretsen, forklarer Fraunhofer IZM.

I motsetning til vanlige aktive likerettere i elbiler, som opererer med høye spenninger, kan den nye kretsen senke spenningen, noe som reduserer tapene under omformingen.

En annen fordel med denne kretsen er at den sparer en omformertrinn. Klassisk må inngangsspenningen omdannes i to separate trinn, først opp til en høyere spenning og deretter ned til batterispenningen. Med de bidireksjonale GaN-transistorene kan disse trinnene slåes sammen, og dermed øke effektiviteten mens kostnadene og materialbruken reduseres.

Resultatet er en økning av omformerens effektivitet til opptil 99 prosent, og en videre økning av switching-frekvensen anses som mulig, med mål om 300 kHz. Dette har potensialet til å øke effekttettheten til 15 kW per liter, noe som er åtte ganger mer enn dagens ladere.

Det betyr at en banebrytende ombordlader kan utvikles som er mindre enn dagens ladere. Ifølge Fraunhofer IZM åpner dette muligheten for rask lading hjemme – ikke med DC-hurtigladere, men med en kompakt 22 kW ombordlader. I dag er 11 kW ombordladere på 16 ampere standard i mange elbiler, men mange produsenter unngår 22 kW løsninger av kostnads- og plassegrunner. Men med GaN-transistorer kan disse problemene bli løst, noe som gjør 22 kW-løsninger langt mer tilgjengelige.