Benchmark-Designs und Leistungsdichte-Roadmap für Leistungswandler des Fraunhofer IISB

© Fraunhofer IISB

Durch lokale Gleichstromnetze (DC), die auf verschiedenen Spannungsebenen spezifische Verbraucher direkt versorgen und nur über einen zentralen Wandler mit dem Wechselstromnetz (AC) verbunden sind, lässt sich eine Vielzahl von Netzteilen und damit von verlustbehafteten Wandlungsvorgängen vermeiden. Denn die meisten Geräte benötigen für ihren Betrieb Gleichstrom. Neben dem Stromverbrauch reduziert dies auch das benötigte Bauvolumen für die Elektronik, den Materialaufwand und die Kosten. Mit 24 V Gleichspannung lassen sich Kleinverbraucher wie Computer, Unterhaltungselektronik oder Handyladegeräte versorgen. Hier entfällt dann auch der Kabel- und Netzteilwirrwarr unter dem Schreibtisch.

Für höhere Leistungen, wie sie beispielsweise Beleuchtungs- oder Kühlketten benötigen, bietet sich ein 380-Volt-Gleichstromnetz an. Hinzu kommt, dass Solaranlagen und elektrische Energiespeicher ebenfalls Gleichstrom liefern, so dass regenerativ vor Ort erzeugter Strom direkt ins Hausnetz eingespeist und effizient lokal gespeichert werden kann. Zur Verknüpfung der verschiedenen Komponenten sind dann nur noch weniger aufwendige und verlustarme DC/DC-Wandler erforderlich. Die dazu notwendigen leistungselektronischen Systeme entwickeln die Ingenieure am Fraunhofer IISB in Erlangen in Kooperation mit der Industrie. Die Ergebnisse zeigt das Institut auf der PCIM Europe 2014.

DC Micro Grid Control System

DC-Micro-Grid-Control-System des Fraunhofer IISB

© Fraunhofer IISB

Mit einem neuartigen »DC Micro Grid Control System« präsentiert das IISB eine zentrale Einheit zum Management lokaler, batteriebasierter DC-Netze in Gebäuden. Der DC Grid Controller enthält die gesamte Leistungselektronik, um erneuerbare Energie aus zwei unabhängigen Photovoltaik-Strängen mit hoher Effizienz direkt durch DC-Verbraucher zu nutzen und in einem lokalen Batteriespeicher zwischenzuspeichern.

Er ist für den Plug-and-Play-Einsatz konzipiert und kann leicht in einem Rack des Batteriespeicherschranks eingebaut werden.

Um höchsten Sicherheitsansprüchen zu genügen, ist das gesamte DC-Netz über einen bidirektionalen Wandler vom angekoppelten 230-Volt-AC-Netz galvanisch getrennt. Über ein solches DC-System können zudem DC-Schnellladesäulen für Elektrofahrzeuge effizient und kostengünstig betrieben werden.

Induktives Ladesystem für Elektrofahrzeuge

Induktives Ladesystem des Fraunhofer IISB

© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB

Für das elektrische Betanken von Elektrofahrzeugen zeigt das IISB auf der PCIM Europe sein induktives Ladesystem, das geometrisch als frontales, bidirektionales Lade-/Entlade-System über eine Spulenanordnung hinter dem vorderen Nummernschild konzipiert ist.

Die modular Systeme arbeiten mit einer Übertragungsleistung von 3 kW pro Modul und Frequenzen bis zu 150 kHz. Sie zeichnen sich durch einen hohen Übertragungswirkungsgrad von 93 Prozent, hohen Personenschutz, geringe Streufelder und eine hohe Positionstoleranz aus. Zudem lassen sie sich kostengünstig realisieren.

Niederspannungs-Gleichstrom-Steckersystem

Innovatives LV-DC-Steckersystem: lichtbogenfrei, anwendungsspezifische Ausgangsspannung, kein Standby-Leistungsverbrauch

© Fraunhofer IISB

Für DC-Kleinverbraucher in Haushalt und Büro hat das IISB ein Niederspannungs-Gleichstrom-Steckersystem (Low-Voltage-DC, LV-DC) entwickelt, das mit einem einheitlichen Stecker für alle Anwendungen, etwa für Handys, Notebooks und Monitore, arbeitet und im Bereich von 5 V bis 24 V jeden Verbraucher über einen einfachen Codiermechanismus automatisch mit der richtigen Gleichspannung versorgt.

Das System verfügt über einen Lichtbogenschutz beim Abziehen der Stecker und verbraucht im Standby-Betrieb keine Leistung. Es kann bei einem Wirkungsgrad bis 98 Prozent eine Leistung von bis zu 100 W liefern.

Durch ein solches System lassen sich zahlreiche AC-Netzteile einsparen sowie Kosten und Bauraum verringern.

Lithiumtitanat-Zellen-Batterien mit hoher Leistungsdichte

Für den stationären Einsatz als Energiespeicher in Einfamilienhäusern, Bürogebäuden oder auch zur Netzstabilisierung stellt das IISB ein vom Institut entwickeltes Batteriesystem auf der Basis von Lithiumtitanat-Zellen (LTO-Zellen) aus. Der Energiespeicher verfügt über eine Speicherkapazität von 20 kWh bei einer kontinuierlichen Lade- und Entladeleistung von 100 kW und einem Maximalstrom von 320 A.

LTO-Batterien haben zwar eine etwas geringere Energiedichte als klassische Lithium-Ionen-Batterien, verfügen jedoch über eine hohe Leistungsdichte, hohe Sicherheit und Stabilität und können in einem breiten Temperaturfenster von -30 °C bis +55 °C betrieben und schnell geladen werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit und lange Lebensdauer aus – so ist das IISB-System für 6.000 volle Lade-/Entladezyklen ausgelegt.

DC/DC-Wandler mit 143 kW pro Liter

200-Kilowatt-DC/DC-Wandler mit einer Leistungsdichte von 143 Kilowatt pro Liter

© Fraunhofer IISB

Wichtige Komponenten in lokalen DC-Netzen wie auch in Elektrofahrzeugen sind verlustarme und kompakte DC/DC-Leistungswandler, die eines der Spezialgebiete des IISB darstellen. Das Institut hat hier schon mehrfach internationale Referenzwerte bei Wirkungsgrad und Leistungsdichte demonstriert.

Neue elektronische Bauelemente auf der Basis von so genannten Wide-Band-Gap-Halbleitern (Halbleitern großer Bandlücke) wie Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) bieten die Möglichkeit, diese Kenndaten weiter zu steigern. So ist es dem IISB im letzten Jahr gelungen, für einen DC/DC-Wandler mit 600-Volt-GaN-Bauelementen einen Wirkungsgrad von bis zu 99,3 Prozent (bei einer Schaltfrequenz von 100 kHz) zu erreichen.

Das neueste Highlight, das das Institut auf der PCIM Europe zeigt, ist ein 200-kW-DC/DC-Wandler basierend auf SiC-MOSFETs mit einem Bauvolumen von 1,4 Litern und der extremen Leistungsdichte von 143 kW pro Liter – das ist mehr als Faktor 10 über dem Stand der Technik.