Mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs im Fahrzeug wurde eine neue Ära für Leistungselektronische Systeme eingeläutet. Neben höchster Effizienz und Zuverlässigkeit, wie beispielsweise bei Leistungselektronischen Komponenten, welche in Kraftwerken zur Energieumwandlung benötigt werden, stellt die Elektromobilität weitere Anforderungen an solche Komponenten. Minimalster Bauraum, Betrieb bei extremen Umgebungsbedingungen und gleichzeitig hohe Effizienz wird von Leistungselektronischen Systemen gefordert. Im Projekt „Tiny Power Box“ liegt der Fokus auf der Optimierung der Leistungsdichte und Effizienz für ein im E-Auto integriertes Ladegerät, den sogenannten Onboard-Charger. Das Ziel des Projektes: Geringeres Gewicht, weniger Komponenten und Platzverbrauch sowie geringste Verluste, welche beim Laden der Fahrzeugbatterie entstehen.
Zusätzlich dazu wurde der Onboard-Charger mit ausgewählten Komponenten so konstruiert, dass er bi-direktionalen Energietransfer ermöglicht. Der Strom, der über den Ladeanschluss in der Fahrzeugbatterie gespeichert wurde, kann so auch in die entgegengesetzte Richtung wiederverwendet werden. Die Batterie des Fahrzeugs dient in diesem Konzept, vehicle-to-home genannt, als Energiequelle oder Zwischenspeicher für andere Anwendungen. In Kombination mit Photovoltaikanlagen kann vehicle-to-home daher ein interessantes Nutzungsszenario darstellen, da die im privaten Haushalt am Abend benötigte Energie einfach vom E-Auto bereitgestellt werden kann und dieses während der Tageszeit mit Sonnenenergie geladen wird. Dabei ist der Anreiz für Privatanwender besonders groß, da der Autarkiegrad dadurch maximiert werden kann, die selbst produzierte Überschussenergie der Solarzellen kosteneffizient genutzt werden kann, ohne die Differenz zwischen Einspeisevergütung und Stromtarif bei Strombezug in Zeiten ohne PV Produktion auf der Stromrechnung wieder ausgleichen zu müssen. Dass dabei jedes einzelne Prozent im Wirkungsgrad, welches in Verlusten im Leistungselektronischen System umgesetzt wird, unerwünscht ist, liegt auf der Hand. Aktuelle Onboard-Charger weisen Lade-Wirkungsgrade um die 95% auf. Im Projekt Tiny Power Box wurde das Ziel mit mehr als 98% definiert, und das wohlgemerkt für das Laden- und Entladen der Batterie. Der Grundstein für Vehicle-to-home und auch anderen zukünftigen Szenarien wie der Umsetzung von netzdienlichen Diensten wird mit der hohen Effizienz des On-board Chargers im Rahmen des Tiny Power Box Projektes gelegt.
Vorzeigebeispiel für Kooperation entlang der Wertschöpfungskette
Die Verwendung von neuesten Halbleitertechnologien und Bauteilen, welche sich teilweise noch im Erprobungsstadium befinden, ermöglichen die Erreichung dieser sehr ambitionierten Projektziele. Die beteiligten Projektpartner sind entlang der gesamten Wertschöpfungskette angesiedelt, vom Bauteilhersteller bis zum Systemanbieter, und forschen gemeinsam mit Silicon Austria Labs an bestmöglicher Integration der Komponenten und Optimierung des vorgestellten On-Board Chargers. Ein wesentlicher Faktor ist dabei die Systemmodellierung und Simulation schon vor der eigentlichen Realisierung des Systems. Das bedeutet, dass beispielsweise thermische Probleme, verursacht durch die hohe Leistungsdichte und das kompakte Platzieren von Komponenten, schon frühzeitig erkannt werden, ohne einen Prototypen im Labor aufbauen zu müssen. Ein sogenannter Design-by-Simulation Workflow verringert die Anzahl der Re-Design Phasen und ermöglicht ein schnelleres Realisieren eines Applikationsnahen Prototypen. Als eine der Kernkompetenzen des SAL Forscherteams wird daher dieser Workflow verwendet um den On-Board Charger bezüglich Baugröße, Effizienz und thermischer Performance zu optimieren. "Aktuell befinden sich nach Abschluss der Simulationen die ersten Komponenten der Prototypen im Fertigungsprozess, welche in den nächsten Monaten im Labor evaluiert werden", erklärt Christian Mentin, Projektleiter und Scientist in der Leistungselektronik bei SAL, den aktuellen Stand des Projekts.
Dieses Projekt ist ein Vorzeigebeispiel im Bereich der Leistungselektronik für die Zusammenarbeit zwischen dem Forschungszentrum und den fünf beteiligten Leitbetrieben Fronius International GmbH, Infineon Technologies Austria AG, AT & S Austria Technologie & Systemtechnik AG, TDK Electronics GmbH & Co OG und AVL List GmbH. Gleichzeitig zeigt die breite Industrie-Beteiligung, dass gemeinsam erzielte Forschungsergebnisse für unterschiedliche Anwendungen und entlang der gesamten Wertschöpfungskette nutzbar gemacht werden können und somit die österreichische Innovationskraft nachhaltig stärken.
