Hierfür wurden zuerst aktuell erhältliche Ladegeräte für E-Bikes und E-Scooter analysiert, vermessen, untersucht und mit auf dem Markt erhältlichen Ladegeräten für beispielsweise Laptops verglichen. Anschließend wurden die leistungselektronischen Topologien der im Ladegerät verwendeten Schaltungen verglichen, um die für diesen Anwendungsfall am besten geeignete Topologie zu finden und auszuwählen. Die Herausforderung dabei: Ladegeräte für Akkus haben im Gegensatz zu einem einfachen Netzteil einen breiten Betriebsbereich. Daher müssen über den sogenannten Ladezustand verschiedene Spannungen und Ströme eingestellt werden, um den Akku schnellstmöglich und gleichzeitig möglichst schonend aufzuladen. Dies stellt große Anforderungen an die Schaltung, die möglichst klein und gleichzeitig effizient sein soll.

Hotspots vermeiden

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. Unter diesen Rahmenbedingungen muss die Effizienz der Schaltung, die die einphasige Netzspannung aus der Steckdose in eine Gleichspannung wandelt, mit Hilfe dreidimensionaler Simulationen berechnet werden. Dabei wird die Anordnung der Komponenten optimiert, um eine möglichst ideal verteilte Oberflächentemperatur zu gewährleisten, aber gleichzeitig die elektrische Integrität beizubehalten und elektromagnetische Störungen zu vermeiden.

GaN in der Leistungselektronik

Seit Kurzem sind Handyladegeräte erhältlich, die auf Chips aus GaN setzen und hohe Leistungen (bis zu 120 Watt) bei kleinem Bauraum realisieren. Die Bauelemente bieten dabei in beinahe allen relevanten Parametern deutlich Vorteile – müssen aber erst in der Anwendung bei hohen Leistungen beherrscht werden.

Die Stuttgarter Forschenden verbauten in den Prototyp sechs eigens entworfene Leistungsstufen, die auf GaN Halbleitern basieren. Um diese zuverlässig auf den hoch integrierten Platinen zu betreiben, sind Kenntnisse der Technologie und eingehende elektrische und mechanische Simulationen nötig. Der finale Prototyp der beiden Institute erreichte die anvisierten Ziele: Er ist 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.