Forscher wollen mit neuem Ladegerät Maßstäbe setzen

Akkus werden kleiner und leichter, die Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs nimmt zu und die Reichweite steigt. Nur die Ladegeräte hinken dieser Entwicklung hinterher. So jedenfalls lautet die Feststellung des Instituts für Leistungselektronik sowie des Instituts für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe (ILEA) der Universität Stuttgart. Die Forschenden haben jetzt ein Ladegerät für E-Bikes und Roller entwickelt, das in Sachen Leistung und Kompaktheit neue Maßstäbe setzen will.

Vorangegangen war eine Analyse der aktuell erhältlichen Ladegeräte für E-Bikes und E-Scooter sowie ein Vergleich mit auf dem Markt erhältlichen Ladegeräten für beispielsweise Laptops. Anschließend wurden die leistungselektronischen Topologien (Anordnungen) der im Ladegerät verwendeten Schaltungen verglichen, um die für diesen Anwendungsfall beste 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.

GaN als Game-Changer

Um Verbesserungen in der Effizienz und eine Verkleinerung des Baumaßes zu erreichen, setzen die Forscher bei ihrem Prototypen auf Halbleiter aus dem Material Galium-Nitrid (GaN). Bislang bestanden die Halbleiterbauelemente der Spannungswandler in kommerziell erhältlichen Ladegeräte aus Silizium. In der Forschung dagegen habe das Material Gallium-Nitrid (GaN) schon vor einigen Jahren großes Interesse geweckt, heißt es von der Universität Stuttgart. 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.“

Das ist den Forschenden jetzt offenbar gelungen. Im Prototyp verbauten die Stuttgarter sechs eigens entworfene Leistungsstufen, die auf GaN-Halbleitern basieren. Der finale Prototyp der beiden Institute erreichte laut Pressemitteilung 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 ca. 1,6 kW/Liter entspricht.