Ladegeräte für die Elektromobilität

Innovative Onboard-Ladegeräte für die Automobilbranche – und darüber hinaus

Wir entwickeln hochmoderne Onboard-Ladegeräte für Plug-in-Hybride und batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) mit Leistungsbereichen von 3,7 kW bis 22 kW. Unser Fokus liegt auf hoher Leistungsdichte, kompaktem Design, Effizienz und der Einhaltung aktueller EMV-Normen. Gemeinsam mit unseren Kunden behalten wir stets die Systemkosten und die Zuverlässigkeit der zu entwickelnden Ladegeräte im Blick. Zudem bieten unsere Systeme erweiterte Funktionen wie bidirektionalen Betrieb (V2G), die Einbindung ins Smart Home (V2H) oder den Einsatz in netzunabhängigen Anwendungen (V2L).

Wir nutzen die neuesten Technologien und Trends, um an der Spitze der Innovation zu bleiben:

• Einsatz modernster Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter auf SiC- und GaN-Basis – einschließlich neuer bidirektionaler GaN-Transistoren
• Onboard-Ladegeräte mit integriertem Hilfswandler für die 12-V-Batterie
• Höchste Effizienz mit galvanisch nicht isolierten Ladegerät-Topologien
• Ob für Drohnen/UAVs, eVTOLs/Lufttaxis in der Luftfahrt, Flurförderzeuge und AGVs in der Logistik oder verschiedene Schiffe und Wasserfahrzeuge im maritimen Bereich – am Fraunhofer IISB finden Sie die kompetenten Experten für die Entwicklung Ihrer maßgeschneiderten Onboard-Ladelösung

Hochleistungs-DC-Schnellladegeräte für verschiedene Batterieanwendungen

Für deutlich höhere Ladeleistungen entwickeln wir stationäre DC-Schnelllader in modularer Bauweise: Mehrere Einheiten werden zusammengeschaltet, um Systeme mit mehreren hundert Kilowatt Ladeleistung für Anwendungen im Transportwesen, im maritimen Bereich und in der Luftfahrt zu realisieren.

Kernmaterialien, hergestellt von Hitachi

• Amorpher PFC-Kern (HLM50)
• Ferrit-Transformatorenkern (ML29D)
• FINEMET® CM-Drosseln

Beschreibung

Das Gesamtsystem besteht aus nur drei Platinen, alle Halbleiter sind auf einem isolierten Metallsubstrat (IMS) montiert. Dies sorgt für eine gute thermische Verbindung zum darunter liegenden Kühlmittel und erleichtert die Montage. Darüber befindet sich die Steuerplatine (CTRL) mit dem Mikrocontroller, der Stromversorgung, den Messschaltungen und den Gate-Treibern. Die dritte Platine (DIST) verteilt den Strom von den EMI-Filtern auf die IMS-Platine. Die Stromverbindung zwischen den Platinen erfolgt über 6,35-mm-Schwertkontakte. Die Reihenfolge der Tafeln ist auf dem Bild rechts gekennzeichnet. Die PFC-Stufe ist digital gesteuert und arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 120 kHz. Der Drosselkreis besteht aus einem spaltfreien amorphen Ringkern mit einer massiven Kupferwicklung. Der Resonanzwandler arbeitet mit einer festen Schaltfrequenz von 250 kHz. Der Transformator besteht aus Litzendraht auf einem Ferritkern mit einem kleinen Luftspalt. Seine signifikante Streuinduktivität bildet zusammen mit Keramikkondensatoren auf der DIST-Platine den Resonanzkreis des LLC-Wandlers. Das System wird durch EMI-Filter für den Wechselstrom- und Gleichstromanschluss ergänzt, die aus Finemet®-Material von Hitachi gemäß den Spezifikationen des IISB hergestellt werden.

Technische Daten

Beschreibung

Im vom BMBF geförderten Forschungsprojekt „Induktive Komponenten für die Leistungselektronik der Zukunft“ (InKoLeZ) entwickelten wir ein tragbares 11 kW Offboard-Ladegerät für Elektrofahrzeuge, das im Fahrzeug zum Laden mitgeführt oder zuhause als DC‑Wallbox genutzt werden kann. Der Einsatz von Wide‑Bandgap‑Leistungshalbleitern ermöglicht hohe Schaltfrequenzen in den Teilsystemen und die Reuktion des Gewichts und Volumens der passiven Komponenten. Mithilfe hochpräziser Verlustmodelle und eines im Projekt entwickelten automatisierten Auslegungsalgorithmus wurden die induktiven Komponenten optimiert, um ein leichtes und kompaktes tragbares Ladegerät für den Alltag zu realisieren.

Als Technologiedemonstrator wurde im Forschungsprojekt ein mechatronisch integriertes, tragbares, luftgekühltes Offboard-DC‑Ladegerät mit einer Leistung von 11 kW, dreiphasigem 400 V Netzeingang und einem Ausgangsspannungsbereich von 700 V - 850 V realisiert und getestet. Der Prototyp erreicht eine Leistungsdichte von 2,3 kW/Liter (37,7 W/in³) einschließlich Kühlkörper, EMV‑Filter, Hilfsstromversorgung sowie Vor‑ und Entladekreisen, einen Spitzenwirkungsgrad von 96% und 95,8% Wirkungsgrad über den Batteriespannungsbereich. Das geringe Gewicht und das minimierte Volumen des entwickelten Ladegeräts gewährleisten eine einfache und komfortable Nutzung als tragbares Gerät im Alltag. Ein Vergleich mit den ausgewählten netzseitigen und fahrzeugseitigen Steckverbindern zeigt eindrucksvoll, dass beide Steckverbinder zusammen in etwa das gleiche Volumen wie der vorgestellte DC‑Lader aufweisen, was die erreichte hohe Leistungsdichte unterstreicht. Im Forschungsprojekt wurde das Ladegerät speziell für zukünftige 800 V Fahrzeugbatterien ausgelegt, die Vorteile hinsichtlich Schnellladefähigkeit, Systemeffizienz und geringerer Systemströme bieten.

Technical Data

Induktive Komponenten sind das Herz moderner Leistungselektronik. Während Leistungstransistoren und Dioden häufig im Fokus stehen, bestimmen Drosseln und Transformatoren maßgeblich Wirkungsgrad, Leistungsdichte, EMV, thermisches Verhalten und Zuverlässigkeit. Ihre Performance hängt von Kernmaterial und Wickelgut, dem magnetischen Design sowie der Kühlung ab. Falsch getroffene Entscheidungen führen entweder zu großen, schweren Bauteilen – und damit zu geringer Leistungsdichte – oder zu kompakten Designs, die thermisch überlasten. Beides wirkt sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems aus.

Unser Ansatz: magnetisches Co‑Design, passend zu Topologie (z. B. Totem‑Pole‑PFC, LLC, CLLLC, DAB) und Schaltfrequenz (bei Verwendung von SiC/GaN bis in den MHz‑Bereich). Wir kombinieren 2D‑/3D‑FEM‑Simulation für Kern‑ und Wicklungsverluste (inkl. Skin/Proximity), thermische Modelle, EMV‑Bewertung und fertigungsgerechtes Layout. Für AC‑Verluste in HF‑Litze nutzen wir moderne Tools (LiWiCalc®) und validieren durch Messungen (Verlust/Temperaturanstieg, Streuinduktivität, Teilentladungs‑/HiPot‑Tests). Materialseitig decken wir Ferrite, nanokristalline/amorphe Werkstoffe und Pulverkerne ab; beim Wickelgut wählen wir je nach Frequenz und Strom Kupfervolldraht, Kupferband oder HF‑Litze. Kühlkonzepte (Heatspreader/Baseplate, Verguss) und automotive Randbedingungen (Temperatur, Vibration, Lebensdauer) sind integraler Bestandteil.

Unsere Designprinzipien:

• Anwendungsoptimiertes Magnetdesign für die konkrete Topologie und Lastkollektive
• Kernform und Kernmaterial passend zum spezifizierten Arbeitsbereich und zur Mechanik des Gesamtsystems
• Wicklungsaufbau und Wickelmaterial abgestimmt auf den relevanten Frequenz‑ und Strombereich
• Thermisch stimmiges Gesamtdesign für das vorhandene Kühlkonzept, inkl. EMV‑Aspekte
• Ergebnis: kompakte, effiziente und robuste induktive Komponenten für OBCs und anspruchsvolle kundenspezifische Schaltnetzteile, vom Konzept bis zum Prototyping mit unseren Fertigungspartnern – sprechen Sie uns an.

Das Magnetmaterial und die Kerngeometrie

Magnetkerne und -materialien gibt es in großer Vielfalt, ebenso wie etablierte, standardisierte Kernformen. Dank unseres Know-hows zu Topologien in Ladegeräten und Netzteilen (z. B. Totem‑Pole‑PFC, LLC, DAB) finden wir für Ihre Anforderungen die passende Kerngeometrie und das optimale Material. Eine schnelle Voranalyse von Flussdichte und Kernverlusten im 2D‑FEM wird durch eine detaillierte 3D‑Simulation ergänzt, die Luftspalte, Wicklungsaufbau, Streufelder und parasitäre Elemente realistisch abbildet.

Standardkerne liefern nicht immer das Optimum. Wenn Bauraum, Kühlkonzept, Isolationsabstände oder Zielwirkungsgrad es erfordern, entwickeln wir applikationsspezifische Kerne. So entstehen kompakte, verlustarme und fertigungsgerechte Lösungen – abgestimmt auf Automotive‑Randbedingungen (Temperatur, Vibration, Lebensdauer).

Wir arbeiten mit allen gängigen Materialien: Ferrite für hohe Schaltfrequenzen, nanokristalline/amorphe Werkstoffe für geringe Verluste bei hohen Flussdichten sowie Pulverkerne für Drosseln mit hoher Stromtragfähigkeit. Je nach Anwendung integrieren wir leitfähige Kühlpfade (Baseplate/Heatspreader), Verguss und berücksichtigen Kriech‑/Luftstrecken sowie Normenanforderungen.

Das Wickelmaterial: Kupfervolldraht, Kupferfolie oder HF-Litze

In unseren Ladegeräten und kundenspezifischen Schaltnetzteilen entscheidet auch die Wahl der Wickelungen über Wirkungsgrad, Baugröße und EMV. Das passende Wickelgut – ob Kupfervoll­draht, Kupferband oder HF‑Litze – muss gezielt an Anwendung, Ausgangsleistung und Schaltfrequenz angepasst werden. Während Volldraht- oder Bandwicklungen mit etablierten FEM‑Programmen hinsichtlich AC‑Verlusten einfach berechnet werden können, stellt HF‑Litze besondere Anforderungen: Sie besteht aus vielen einzeln isolierten Adern, die gebündelt und miteinander verseilt werden. Die optimale Litzenstruktur und die richtige Anzahl von Einzeladern sind entscheidend, um Skin‑ und Proximity‑Effekte zu beherrschen und die Hochfrequenzverluste in der Wicklung zu minimieren.

Unser Team am Fraunhofer IISB verfügt über langjährige Erfahrung in der Auslegung induktiver Komponenten – von PFC‑Drosseln bis zu OBC‑Transformatoren. Für jede Topologie und Schaltfrequenz wählen wir die passende HF‑Litze, definieren Geometrie, Lagenaufbau und Isolation mit Blick auf Wirkungsgrad, thermisches Verhalten, EMV und Fertigbarkeit. Neben eigenen Berechnungstools setzen wir LiWiCalc® für die präzise Bestimmung der Litzenverluste ein und validieren die Ergebnisse durch Simulation und Messung.