Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat in dem 2017 gestarteten Projekt HyBaG in Zusammenarbeit mit Kaco New Energy und STS - Spezial-Transformatoren Stockach einen auch im Teillastbereich verlustarmen Hybrid-Wechselrichter entwickelt, berichtet das Forschungsinstitut in einer Pressemitteilung von heute.

Das Fraunhofer ISE entwickelte dabei in seinem Teilvorhaben kompakte hocheffiziente Batterieladegeräte einschließlich der entscheidenden innovativen Regelungstechnik, heißt es in der Pressemitteilung. Zentraler Bestandteil des Teilprojektes war demnach die Entwicklung von kompakten und modularen Batteriestellern, welche durch den Einsatz von neuartigen Galliumnitrid (GaN)- und Siliciumkarbid (SiC)-Bauelementen erreicht werden konnte. Die Transistoren-Brückenschaltungen bildeten den Kern der Batterieladegeräte und ermöglichten es, immer schneller bei geringeren Verlusten zu schalten.

Optimierung des Teillastwirkungsgrades

Zur Optimierung des Teillastwirkungsgrades seien im Rahmen des Forschungsprojektes verschiedene Ansätze simulativ untersucht und die besten Konzepte prototypisch umgesetzt worden. Die Optimierungen bezögen sich sowohl auf die Hardware als auch auf Weiterentwicklungen der Software zur Ansteuerung der Leistungselektronik. Schaltungstechnisch wurden laut der Mitteilung zunächst verschiedene Topologien untersucht und hinsichtlich des Teillastwirkungsgrades bei geringen Leistungen bewertet.

Unter Berücksichtigung verschiedener Bewertungsparameter wurde anschließend ein 3-phasiger Synchronwandler für den Hochvolt-Batteriesteller ausgewählt und aufgebaut. Dieser ermögliche es, durch die Aktivierung bzw. Deaktivierung einzelner Wandlerbrücken den Leistungsbereich gezielt anzupassen (1/3, 2/3, Volllast). Für sehr geringe Leistungen werde zusätzlich ein entsprechender Betriebsmodus mit variabler Schaltfrequenz zur Ansteuerung mit möglichst geringen Schaltverlusten (Lückgrenzbetrieb) und ein pulsierender Betrieb (Burst-Modus) mit nur einer Phase aktiviert, bei dem der Wandler nur 10 Prozent der Zeit aktiv sei.

Noch erhebliche Unterschiede zwischen verfügbaren Systemen

"Dadurch kann der Teillastwirkungsgrad erheblich gesteigert werden, da damit die Ansteuer- und Leerlaufverluste reduziert werden können, die den Wirkungsgrad im Teillastbereich stark beeinflussen", erklärt Cornelius Armbruster, Projektleiter am Fraunhofer ISE. Falls nicht alle Phasen gleichzeitig betrieben würden, empfehle es sich, zur gleichmäßigen thermischen Belastung die einzelnen Phasen alternierend zu betreiben. Je nach Leistungsbereich zeige ein unterschiedliches Modulationsverfahren den besten Wirkungsgrad. Im Rahmen des Projektes sei daher eine wirkungsgradoptimierte und an den Leistungsbereich angepasste Betriebsführung entwickelt und umgesetzt worden.

In der Serienproduktion können auf Siliciumkarbid-Komponenten basierende Heimspeichersysteme laut dem Fraunhofer ISE bereits nahezu kostenneutral in den Markt gebracht werden. Die Optimierung hinsichtlich des Teillastwirkungsgrades erfolgte bis heute noch kaum. Ein grober Vergleich der verfügbaren Heimspeichersysteme am Markt zeige, dass es immer noch erhebliche Unterschiede zwischen den verfügbaren Systemen gebe. "Ein wesentlicher Einflussfaktor für die Unterschiede der am Markt verfügbaren Systeme sind die Verluste im Teillastbereich", erklärt Leonhard Probst, der im Projekt die Optimierungen des Batterieladegerätes verantwortet.

Großes Einsparpotenzial

Sehr gute Heimspeichersysteme verursachten weniger Verluste: Simulationen im Rahmen des Projekts HyBag hätten gezeigt, dass jährliche Einsparungen von 150 bis 250 Euro beim Strombezug erwartet werden. Das Entwicklerteam des Fraunhofer ISE sei in engem Austausch mit Herstellern von Batteriespeichersystemen, um die Optimierungspotenziale aufzuzeigen und neue Technologieentwicklungen zu begleiten. (hcn)