Wasserstofftechnologie DC/DC-Wandler mit GaN-Transistoren für Brennstoffzellenfahrzeuge

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Hochschule Landshut forscht an innovativen Technologien für Wasserstoffantriebe – mit dem Ziel, Gewicht, Kosten und Wirkungsgrad zu verbessern.

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Versuchsaufbau mit niederinduktiven Leistungsmodulen: Durch den Einsatz von Galliumnitrid-Transistoren, genau: GaN-HEMTs, kann der Wandler besonders leicht und kompakt gebaut werden.
Versuchsaufbau mit niederinduktiven Leistungsmodulen: Durch den Einsatz von Galliumnitrid-Transistoren, genau: GaN-HEMTs, kann der Wandler besonders leicht und kompakt gebaut werden.
(Bild: Hochschule Landshut)

Wie sieht die Mobilität der Zukunft aus? Diese Frage beschäftigt derzeit Wissenschaft und Gesellschaft gleichermaßen. Dabei sind unter anderem Fahrzeuge mit Brennstoffzellen im Gespräch. Sie verfügen über einen Elektromotor und erzeugen die elektrische Energie zum Fahren aus der Verbrennung von Wasserstoff.

Eine große Rolle bei diesem Antrieb spielt die Leistungselektronik: Diese wird benötigt, um elektrische Energie entsprechend umzuformen, z. B. Gleichstrom aus dem Hochvoltbordnetz in Drehstrom für den Elektromotor. Zudem kann die Spannung von Brennstoffzellen je nach Belastung stark variieren. Daher benötigen Wasserstoffautos einen sogenannten DC/DC-Wandler, der die Spannung für das Hochvoltbordnetz entsprechend anpasst.

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Forschung an DC/DC-Wandlern mit GaN-HEMTs

Das Projekt Dragan an der Hochschule Landshut forscht nun an einem solchen DC/DC-Wandler. Im Gegensatz zu bisherigen Modellen kommen allerdings Galliumnitrid-Transistoren (genauer GaN-HEMTs) zum Einsatz. So kann der Wandler besonders leicht und kompakt gebaut werden. Zudem erhofft sich das Forscherteam unter Leitung von Prof. Dr. Alexander Kleimaier Vorteile bei den Produktionskosten und dem Wirkungsgrad. Als Unternehmenspartner beteiligt sich Silver Atena am Projekt. Das Bayerische Verbundforschungsprogramm Mobilität Innovative Antriebe fördert das Vorhaben mit insgesamt 686.900 €.

Schlüsseltechnologie für Energiewende

„Moderne Mobilität kommt nicht ohne Leistungselektronik aus“, betont Kleimaier, „meist werden diese Technologien in der öffentlichen Debatte aber komplett übersehen.“ Dabei sind diese bei allen Themen rund um die Energiewende essenziell: bei Elektroautos oder Schienenfahrzeugen, bei Energiespeichern oder bei Solar- und Windkraftanlagen. „Wir benötigen Leistungselektronik, um die Energie ins Stromnetz einzuspeisen, um Batterien aufzuladen oder um einen Elektromotor anzusteuern“, so der Landshuter Professor.

Umbruch in der Branche

Derzeit erfährt die Leistungshalbleiterbranche einen Umbruch. „Gerade in den USA entstanden in letzter Zeit viele hochinnovative Firmen, die verstärkt an der Weiterentwicklung in diesem Bereich forschen“, erzählt Kleimaier. So seien nun Leistungshalbleiter auf dem Vormarsch, die nicht wie bisher auf Silizium, sondern auf Siliziumkarbid oder eben Galliumnitrid basieren. Diese stellen aber deutlich höhere Anforderungen an die Aufbautechnik für die leistungselektronischen Schaltungen. Denn um die neuen Leistungshalbleiter darin überhaupt erst einsetzen zu können, sind neue, innovative Aufbautechnologien erforderlich – eine große Herausforderung für das neue Projekt.

Kompakt, leicht und effizient

„Gemeinsam mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern Janusz Wituski und Thomas Huber arbeiten wir in unserem Labor für Leistungselektronik der Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen daran, eine besonders niederinduktive Aufbautechnologie realisieren zu können, die zudem möglichst wenig Störungen erzeugt“, erklärt Kleimaier. Damit könnte das Team die exzellenten Eigenschaften der neuen Halbleiter möglichst gut ausnutzen und Leistungselektronik deutlich kompakter und effizienter gestalten. „Raumbedarf und Gewicht sind im Fahrzeug immer problematisch und müssen daher optimiert werden“, so der Forscher. Auch bei den Kosten erhoffen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Vorteile.

Mobilität der Zukunft?

Ob sich Autos mit Brennstoffzellen in Zukunft durchsetzen werden, ist derzeit noch nicht absehbar. Letztlich gelte es, die Vor- und Nachteile gegeneinander abzuwägen. So lassen sich Wasserstoff-Fahrzeuge schneller betanken und verfügen über eine größere Reichweite als die bisherigen E-Autos mit Batterie. Zudem ermögliche Wasserstoff als Energieträger die Speicherung großer Mengen von Energie.

„Auf der anderen Seite haben wir dabei hohe Verluste durch Energieumwandlung“, so Kleimaier, „schließlich müssen wir den Wasserstoff mithilfe von regenerativen Energien erst erzeugen, dann unter Energieaufwand komprimieren bzw. verflüssigen, um ihn dann wiederum mit Hilfe von Brennstoffzellen in elektrische Energie zurückzuwandeln.“

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bleibt in Zukunft damit noch viel zu tun. „Und letztlich müssen die Erkenntnisse dann auch umgesetzt und genutzt werden, wenn wir unsere CO2-Bilanz verbessern wollen“, so Kleimaier.

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