Effizientere Elektronik für Elektrofahrzeuge

Um die Klimaziele der Europäischen Union zu erreichen, ist die Mobilität eine wichtige
Stellschraube: Der Verkehrssektor verursacht 28% der Treibhausgasemissionen in der EU,
davon entfallen 80% auf den Straßenverkehr. Elektrofahrzeuge können hier einen großen Beitrag leisten.

Das in ihnen verbaute Ladegerät, der sogenannte Onboard-Charger (OBC), wandelt Strom aus dem Netz in batterietaugliche Energie um. Mit steigenden Ladeleistungen steigen jedoch auch die Anforderungen an Effizienz, Kühlung und Platz. Klassische Siliziumlösungen lassen sich nur noch begrenzt optimieren. Energieverluste führen zu Wärmeentwicklung und somit zu höherem Kühlaufwand. Das wiederum hat Auswirkungen auf die Baugröße, weshalb leistungsstarke OBCs aktuell nicht für alle Fahrzeugklassen in Frage kommen.

Ein einfacher Aufbau mit weniger Bauteilen bietet somit Vorteile in Bezug auf Effizienz, Kosten und Verbreitung. Deshalb arbeitet das HiPower 5.0-Konsortium im Use Case Automotive, den das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM verantwortet, an der Entwicklung eines leistungsstarken 22 kW OBCs, der mit einem Volumen von vier Litern
deutlich kleiner ist als die aktuell üblichen zwölf Liter.

Neue Halbleiter ermöglichen kompakte Bauweise

Zentral für diese Weiterentwicklung sind neuartige Gallium-Nitrid-(GaN)-Halbleiter, die der Projektpartner Infineon zur Verfügung stellt. Die monolithisch integrierten bidirektionalen GaN-Schalter ermöglichen eine effizientere Stromumwandlung und kompaktere Bauweisen, denn sie sind so aufgebaut, dass sie den Stromfluss in beide Richtungen sperren können. Somit übernimmt ein Bauteil die Funktion von ursprünglich zwei verschalteten Halbeitern. Das eröffnet neue technische Möglichkeiten, und es werden Schaltungsentwürfe möglich, die mit konventionellen Bauelementen nur unter Kompromissen realisierbar wären.

Doch nicht nur das Material selbst ist entscheidend, sondern die Art und Weise, wie alle Komponenten im Fahrzeug zusammenarbeiten. Hier kommt die langjährige Erfahrung des Fraunhofer IZM im Packaging und der Systementwicklung zum Tragen. Die Bauteile werden nicht einzeln optimiert, sondern von Anfang an als Gesamtsystem gedacht. Elektronische Komponenten werden teilweise direkt in Leiterplatten integriert („Embedding“), was Wege verkürzt, Verluste reduziert und Platz spart.

Ein erster Demonstrator, der das Potenzial innovativer technischer Ansätze zeigte, war ein kompaktes, leistungsstarkes 22-kW-Ladesystem für Elektrofahrzeuge, den das Fraunhofer IZM bereits 2024 auf der PCIM Europe präsentierte, das jedoch noch ohne bidirektionale
GaN-Elemente auskam.

Europäische Wertschöpfungskette von Halbleiter bis Fahrzeug

Ziel des Hi-Power-5.0-Konsortiums ist es, die Vorteile moderner GaN- und anderer Wide-Bandgap-Halbleiter in einer durchgängig europäischen Wertschöpfungskette in marktfähigen Produkten nutzbar zu machen. Neben dem Automobilsektor werden auch Anwendungsfälle in der Schifffahrt adressiert.

Insgesamt arbeiten im Projekt HiPower 5.0 Partner aus zehn europäischen Ländern, darunter zwei OEMs, 21 Tier‑1/2‑Hersteller, sechs Leistungselektronikfirmen, zehn Hochschulen und sieben Forschungseinrichtungen, an sechs Use Cases. Das Projekt, das von August 2025 bis Juni 2028 läuft, wird mit 33,7 Mio. Euro von der EU und ihren Mitgliedsstaaten gefördert. Da Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt beteiligt sich mit 5,74 Mio. Euro und der Freistaat Sachsen mit 0,12 Mio. Euro.

(Text: Steffen Schindler)