Alles elektrifizieren, gespeist aus erneuerbaren Energien – so sieht für viele der Königsweg in eine emissionsfreie Zukunft aus. Doch auf diesem Weg liegen noch etliche Hindernisse. Eines davon: Erneuerbare Energiequellen und Batteriespeicher wie in Elektrofahrzeugen stellen eine bestimmte Spannung bereit, viele Endgeräte benötigen aber eine andere Spannung oder Wechselstrom. Auf dem Weg zum Verbraucher wird elektrische Energie daher durch Leistungselektronik umgewandelt – durchschnittlich vier Mal, und bei jeder Spannungswandlung kommt es zu Leistungsverlusten. 

Partial-Power-Processing zur Minimierung von Energieverlusten 

Ein Ansatz zur Minimierung solcher Verluste sind fortschrittliche Topologien wie etwa Partial-Power-Processing (PPP)-Wandler. Das Prinzip hinter diesen Teilleistungs-Wandlern erläutert Stefan Mönch an einem Beispiel aus der Elektromobilität, ein Feld, auf dem er im Rahmen des InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) forscht, was ihm auch den Weg zu seiner Juniorprofessur an der Universität Stuttgart ebnete. „Um aus einer Energiequelle mit 400 Volt eine Antriebsbatterie im Elektrofahrzeug mit 350 Volt zu laden, hat man bisher die gesamte Leistung mehrfach und auch galvanisch getrennt gewandelt, das führt zu hohen Verlusten und ist teuer. Beim Partial Power Processing dagegen werden im Beispiel 350 Volt direkt zur Verfügung gestellt und nur die Differenz von 50 Volt, also nur ein Achtel, durch die Leistungselektronik gewandelt, das ist wesentlich effizienter.“ Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Multilevel-Wandler, die auf unterschiedlichen Spannungsniveaus ansetzen und in der Industrie derzeit ein aufkommendes Thema sind.

Wie viele Spannungsstufen sind optimal?

Durch die Teilleistungswandlung wurden bereits elektrische Wirkungsgrade von über 99 Prozent erreicht. Doch der völligen Verlustfreiheit sind Grenzen gesetzt, unter anderem, weil mit jeder zusätzlichen Spannungsstufe auch zusätzliche Bauteile und zusätzliche Ansteuerschaltungen erforderlich sind. Mehr Spannungsstufen führen zunächst aufgrund immer kleiner werdender Spannungsdifferenzen zu einer Wirkungsgradsteigerung. Ab der optimalen Zahl an Stufen ist allerdings zu erwarten, dass das Gesamtsystem wieder ineffizienter wird. Diese Grenzen möchten Stefan Mönch und seine Forschungsgruppe in dem ERC-Projekt mit dem Titel „Towards lossless electrical energy converters (TolleConverter)“ erforschen und überwinden. „Eine Frage lautet, mit welcher Zahl an Stufen und in welcher Anordnung der maximale Wirkungsgrad zu erreichen ist“, erklärt Mönch. Als weiterer Ansatz soll untersucht werden, wie PPP- und Multilevel-Topologien verschiedener Spannungsklassen kaskadiert werden können, sodass sich die Verbesserung der Wirkungsgrade weiter verstärkt. 

Besonders effizient bei Umladeschaltungen

Zunächst möchte das Team die Technologie für so genannte kapazitive Lasten untersuchen, die einen Wechsel von Laden und Entladen umfassen. Im Vergleich zum bidirektionalen Laden in der Elektromobilität, zu dem Mönch das BMWE-Projekt „GaN4EmoBiL – GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden“ koordiniert, werden im ERC-Projekt spezielle Energiespeicher mehrmals pro Sekunde umgeladen. Hier kann die Teilleistungswandlung besonders vorteilhaft umgesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist Leistungselektronik für neuartige Festkörperwärmepumpen, die auf dem elektrokalorischen Effekt basieren und ohne umweltschädliche Kältemittel auskommen. Elektrokalorisch bedeutet, dass ein Material seine Temperatur reversibel verändert, wenn man eine elektrische Spannung anlegt oder wegnimmt. In diesem Bereich hat Mönch bereits am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg umfangreiche Expertise aufgebaut und führt diese Forschung mit seiner neuen Forschungsgruppe an der Universität Stuttgart im laufenden EIC Pathfinder-Projekt “Cooling with electrocaloric polymers (COOLPOL)“ fort. „Der ERC Starting Grant ermöglicht es nun, unsere Forschungsgruppe weiter auszubauen und eine umfassendere Grundlagenforschung zu effizienter elektrischer Energiewandlung durchzuführen“, freut sich Mönch. 

Demonstratoren auch für neue Anwendungsszenarien

Die Erkenntnisse zu höchsteffizienter Leistungselektronik für kapazitive Lasten möchte er zu einem allgemeingültigeren Ansatz weiterentwickeln und auch für weitere Anwendungen demonstrieren. Profitieren könnte davon beispielsweise die Ansteuerung intelligenter Werkstoffe (Smart Materials), die in Aktuatoren für weiche robotische Systeme (Soft Robotics) zum Einsatz kommen, welche piezoelektrisch oder elektrostatisch arbeiten, das heißt, die ihre Form spannungsbedingt verändern. Ein weiteres mögliches Anwendungsszenario ist das so genannte Energy Harvesting. Mit diesem Verfahren wird beispielsweise mechanische, elektrische oder thermische Umweltenergie durch Smart Materials in elektrische Energie umgewandelt.

Weitere Informationen in der ERC-Presseinformation

Zu Jun.-Prof. Stefan Mönch

Dr.-Ing. Stefan Mönch ist seit Dezember 2023 Juniorprofessor am Institut für Elektrische Energiewandlung (IEW) der Universität Stuttgart und hat die Forschungsgruppe „Smarte Converter für eine emissionsfreie Mobilität der Zukunft“ im InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) aufgebaut. Nach seiner Promotion 2021 zu Galliumnitrid-Leistungselektronik koordiniert er weiterhin Projekte am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Er erforscht hocheffiziente Leistungselektronik und Energiewandler für die Elektromobilität und Festkörperwärmepumpen. 

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