Kürzere Ladezeiten und Ladegeräte, die leicht sind und im Rucksack keinen Platz wegnehmen: So etwa sieht der Traum eines E-Bikers aus. Die Akkus selbst werden immer stärker, kleiner und leichter. Aber die Ladegeräte können mit dieser Entwicklung bisher nicht mithalten. Forschende der Universität Stuttgart haben nun ein Ladegerät für E-Bikes und Roller entwickelt, das in Sachen Leistung und Kompaktheit neue Maßstäbe setzen soll.
Die Herausforderung dabei: Ladegeräte für Akkus haben im Gegensatz zu einem einfachen Netzteil einen breiten Betriebsbereich. Daher müssen über den Ladezustand verschiedene Spannungen und Ströme eingestellt werden, um den Akku schnellstmöglich und gleichzeitig möglichst schonend aufzuladen. Dies stellt große Anforderungen an eine elektrotechnische Schaltung, die möglichst klein und gleichzeitig effizient sein soll.
Es darf keine „Hotspots“ geben
Im Betrieb darf das Ladegerät an keiner Stelle eine bestimmte Maximaltemperatur überschreiten. Zusätzlich muss es vollständig geschlossen sein. Es wird also nur durch passive Konvektion gekühlt. Die Anordnung der Komponenten wird optimiert, um eine möglichst ideal verteilte Oberflächentemperatur zu gewährleisten. Dabei müssen gleichzeitig die elektrische Integrität beibehalten und elektromagnetische Störungen vermieden werden.
Bislang bestanden die Halbleiterbauelemente der Spannungswandler in kommerziell erhältlichen Ladegeräten aus Silizium. In der Forschung weckt dagegen das Material Gallium-Nitrid (GaN) schon seit einigen Jahren großes Interesse. Seit Kurzem sind 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. Sie müssen aber erst in der Anwendung bei hohen Leistungen beherrscht werden.
Gallium statt Silizium
Diese Herausforderung nahmen die Stuttgarter Forschenden an. Sie verbauten in den Prototyp sechs eigens entworfene Leistungsstufen, die auf GaN-Halbleitern basieren. Um diese zuverlässig auf den hoch integrierten Platinen zu betreiben, sind fundierte Kenntnisse der Technologie und eingehende elektrische und mechanische Simulationen nötig. Der finale Prototyp erreicht laut Universität die anvisierten Ziele: Er sei 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. (wa)
