Der Straßenverkehr ist für fast ein Fünftel der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich, was die Elektromobilität, d. h. die Nutzung von Elektrofahrzeugen für den Verkehr, zu einer kritischen Technologielandschaft macht. Da die Reichweitenangst im Mittelpunkt der Elektromobilität steht, haben die Ingenieure ihre Aufmerksamkeit auf die wichtigsten Bausteine der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge gerichtet: On-Board-Ladegeräte (OBCs), DC/DC-Wandler und schnelle Gleichstrom-Ladegeräte.
Zunächst einmal ist das Aufladen eine der größten Herausforderungen für die Elektromobilität, neben der Energiespeicherung und den Kosten. Die erste Generation von Elektroautos hatte mit 3,7 kW die langsamste Form des Aufladens und benötigte mindestens acht Stunden für das Aufladen eines 25-kWh-Akkupacks. Mit dem technologischen Fortschritt wurde die Leistung jedoch auf 6,6 – 22 kW erhöht, um schnelles Wechselstrom-Laden zu ermöglichen.
Eine weitere bemerkenswerte Veränderung in der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ist die Erhöhung der Batteriespannung von 400 auf 800 Volt, die von Porsche, Hyundai und anderen Automobilherstellern vorangetrieben wird. Infolgedessen erhöht sich die Ladespannung von 500 V auf 1.000 V. Hierfür werden in den Ladegeräten zunehmend Leistungskomponenten mit einer Nennspannung von 1.200 V eingesetzt.
In den sich rasch entwickelnden EV- und Hybridfahrzeugdesigns werden die oben genannten Veränderungen einen erheblichen Einfluss auf die Auswahl von Komponenten wie IGBTs, Hochspannungs-Gate-Treiber, Superjunction-Gleichrichter, Hochspannungs-MOSFETs und Hochspannungs-DC/DC-Wandler haben.
Dieser Artikel gibt einen Einblick in den aktuellen und zukünftigen Bedarf an Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge aus der Sicht von Leistungshalbleitern, Mikrocontrollern und Treiberkomponenten.
Integriertes Ladegerät
Ein On-Board-Ladegerät (OBC – On-Board Charger) übernimmt das Aufladen, wenn ein Elektrofahrzeug über ein entsprechendes Kabel mit einer Ladestation verbunden wird. Es übernimmt die wichtige Funktion des Aufladens der Hochspannungs-Gleichstrom-Akkupacks in Elektrofahrzeugen über ein Infrastrukturnetz. Es handelt sich dabei um einen Konverter, der ähnlich wie ein Wechselrichter funktioniert, aber das Gegenteil tut: Er wandelt den Wechselstrom aus der Steckdose in Gleichstrom für den Akku um.
Das OBC wandelt die Wechselspannung aus dem Netz in die für die EV-Akkupacks erforderliche Gleichspannung um. (Quelle: Wolfspeed)
Ein Design für On-Board-Ladegeräte umfasst zwei Hauptblöcke: ein aktives Front-End (AFE) für die AC/DC-Wandlung und einen DC/DC-Wandler. Das AFE bezieht einphasigen oder dreiphasigen Strom aus dem Netz und gibt ihn in Gleichstrom-Zwischenspannungen aus, die in die für das Schnellladen der EV-Batterien erforderliche Spannung umgewandelt werden.
Die Ladezeit, d. h. die Zeit, die ein Elektroauto zum Auftanken benötigt, hängt weitgehend von der Leistung des OBC ab. Es überrascht daher nicht, dass die On-Board-Ladegeräte zu einem entscheidenden Schlachtfeld bei der Festlegung der Ladezeit auf der Grundlage der von den OEMs angebotenen Spezifikationen geworden sind. Hier ermöglicht eine neue Generation von Leistungshalbleitern ein deutlich schnelleres Laden als bisher.
Außerdem gibt es bidirektionale On-Board-Ladegeräte, die das Netz bei Bedarf wieder auffüllen können. Ein bidirektionales On-Board-Ladegerät, die Strom effizient und mit minimalen Verlusten hin- und herbewegt, kann eine hohe Dichte mit einem hohen Wirkungsgrad in Einklang bringen und einen großen Ausgangsspannungsbereich sowohl im Lade- als auch im Entlademodus bieten.
Bidirektionales Laden ist genau das, was der Name schon sagt: Strom fließt in beide Richtungen. (Quelle: Wallbox)
Vom Wechselstrom-Laden zum Gleichstrom-Schnellladen
Die meisten Ladestationen werden derzeit mit Wechselstrom betrieben, da die technischen Hürden niedrig sind, die Kosten gering und die Anpassungsfähigkeit groß, vor allem in Wohn-, Büro- und Geschäftsräumen. Da die Ladetechnologie jedoch immer ausgereifter wird, werden effiziente Gleichstrom-Ladepunkte auf Autobahnen und an öffentlichen Ladestationen, an denen Fahrer von Elektrofahrzeugen nicht viel Zeit zum Aufladen haben, immer beliebter.
Gleichstromladelösungen halten sogar Einzug in die Heimladung und bieten den Nutzern neue Möglichkeiten, da sie sowohl schnelles als auch bidirektionales Laden ermöglichen. Diese Ladegeräte umgehen den in den Elektrofahrzeugen installierten On-Board-Ladegeräte und versorgen den Akku direkt mit einer schnellen Gleichstromladung.
Bei der Gleichstrom-Schnellladung waren früher 150 kW der Standard, heute werden Kapazitäten von 350 kW und mehr erreicht. Diese Verbesserungen dürften die Kapazität der Gleichstrom-Schnellladestationen weiter erhöhen. Folglich werden die Elektrofahrzeuge schneller aufgeladen, was wiederum dazu beiträgt, dass die Ladegeräte nicht der Engpass sind, um mehr Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen. Da Gleichstrom-Schnellladegeräte eine höhere Leistung ermöglichen, können an den Ladestationen außerdem zahlreiche Ladepunkte eingerichtet werden, so dass mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden können.
Bei der Entwicklung von Gleichstrom-Schnellladegeräten steht die Minimierung der Ladezeit bei gleichzeitiger Optimierung der Systemeffizienz im Vordergrund, weshalb der Spannungsbereich und die Lastanforderungen bei der Auswahl der Komponenten eine wichtige Rolle spielen. Mit anderen Worten: Leistungsdichte und Systemeffizienz sind sowohl für Leistungskomponenten als auch für Module in Gleichstrom-Schnellladegeräten entscheidend.
Ein Beispiel dafür ist WolfPACK, das Leistungsmodul von Wolfspeed, das auf 1.200-V-Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) basiert. Bei der Nutzung von Schnellladeanwendungen für Elektrofahrzeuge sollen die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad maximiert, der Produktformfaktor verringert und die Designkomplexität reduziert werden.
Bauelemente aus Siliziumkarbid sind das Herz und die Seele des WolfPACK-Leistungsmoduls. (Quelle: Wolfspeed)
Da jeder Schalter einen Treiber benötigt und jeder Treiber gesteuert werden muss, spielen Mikrocontroller eine wichtige Rolle bei der Temperatur- und Spannungsüberwachung von EV-Ladevorrichtungen. Diese MCUs arbeiten mit Gatetreibern und Leistungsgeräten zusammen, um die Ladeeffizienz zu erhöhen.
Superschnelles Laden von Elektrofahrzeugen
Es ist offensichtlich, dass Ladestationen für Elektrofahrzeuge mittlerweile ein wesentlicher Bestandteil der Infrastruktur für die Elektromobilität sind. Obwohl die Dynamik eindeutig auf Seiten von Siliziumkarbid liegt, können Entwickler von EV-Ladegeräten für viele EV-Ladeanwendungen immer noch 650-V-Silizium-MOSFETs für die Haupt-DC/DC-Stufe anstelle der kostspieligen 1.200-V-Bauelemente aus Siliziumkarbid verwenden. Es ist auch wichtig zu wissen, dass IGBTs, wie z.B. IKW75N65EH5XKSA1 von Infineon, weiterhin im Spiel sind, vor allem wegen ihres Kostenvorteils.
1.200-V-MOSFETs aus Siliziumkarbid wie der FF8MR12W2M1B11BOMA1 von Infineon sind jedoch für EV-Ladedesigns optimiert. Wenn man dann noch die Schottky-Dioden auf Siliziumkarbid-Basis wie IDWD20G120C5XKSA1 hinzufügt, steht Siliziumkarbid ganz oben auf der Roadmap für die Entwicklung von EV-Ladeinfrastrukturen.
Auch die MOSFETs aus Siliziumkarbid und Schottky-Dioden von Wolfspeed – zum Beispiel C2M0160120D und E3D20065D – wurden für Hochspannungsanwendungen wie EV-Ladegeräte und DC/DC-Wandler entwickelt und optimiert. Diese Leistungshalbleiter ermöglichen die Umstellung von Teslas 400-V-Supercharger-Netzwerk auf 800-V-Gleichstrom-Schnellladung im Porsche Taycan, Kia EV6 und E-Modellen der Marke Hummer von General Motors. Der Hersteller von Luxus-Elektrofahrzeugen Lucid ist mit seiner 900-V-Architektur sogar noch weiter gegangen.
Dieser Anstieg der Batteriespannung hat das Gleichgewicht eindeutig zugunsten der Siliziumkarbid-Komponenten verschoben. Es zeigt auch, warum sich die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, insbesondere die Gleichstrom-Ladetechnik, rasch weiterentwickelt.
Der größte Stolperstein der Elektromobilität, die Angst des Fahrers, ist untrennbar mit der Ladeinfrastruktur verbunden. Daher werden Innovationen in diesem Bereich – superschnelles Aufladen von Elektrofahrzeugen und damit kürzere Ladezeiten – unweigerlich zu mehr Verkäufen von Elektrofahrzeugen und deren Akzeptanz führen. Komponenten und Designbausteine sind ohnehin vorhanden.