Herstellung eines bidirektionalen 10kW AC/DC-Wandlers

Die Entwicklung eins 10kW bidirektionalen Spannungswandlers ist eine technische Herausforderung, das Verständnis der verfügbaren Topologien und Techniken kann die Arbeit jedoch um einiges einfacher machen. Zu Beginn eines Projekts sollte man sich immer fragen: „Was ist der Bedarf?“, bevor man sich fragt: „Wie kann ich ihm gerecht werden?“ Zu viele Projekte entwickeln sich in die falsche Richtung nach dem Prinzip: Wenn es gebaut ist, wird schon jemand kommen, der es kauft. Dieses Konzept hat zwar im Film „Feld der Träume“ von 1989 funktioniert, in der Praxis kommt dies aber leider selten vor. Beginnen wir also mit der Frage, wer einen bidirektionalen AC/DC-Hochleistungswandler benötigt, und gehen wir anschließend auf die jüngsten Entwicklungen ein, die solche Konstruktionen kommerziell rentabler machen, bevor wir auf weitere Details eingehen.

Wenn man in der Literatur nachschaut, tauchen überall Prototypdesigns und Evaluierungsboards für bidirektionale Stromversorgungen auf. Warum das plötzliche Interesse an Bidirektionalität? Einer der Hauptgründe sind Elektrofahrzeuge, genauer gesagt, deren Batteriepacks als Speichermedium für erneuerbare Energie.

Erneuerbare Energien sind heute in vielen Ländern ein heißes Thema: In den USA ist sie die am schnellsten wachsende Energiequelle mit einer Wachstumsrate von 100% von 2000 bis 2018. Großbritannien produzierte im Jahr 2019 zum ersten Mal mehr Strom aus erneuerbarer Energie als durch brennstoffbasierte Kraftwerke, obwohl noch vor weniger als einem Jahrzehnt mehr als 75% des Stroms aus fossilen Brennstoffen stammte. Österreich, wo RECOM Power seinen energieneutralen Hauptsitz hat, steht an der Spitze des europäischen Ökostromprojekts, wo rund 72% des Strombedarfs von kohlenstofffreien Quellen kommen. Doch nicht jedes Land hat den Vorteile, Berge mit hoch liegende Flüssen und Seen zu haben, um ganzjährig Wasserkraftwerke betrieben zu können. Die meisten Länder müssen sich auf Wind-, Solar- oder kleine Flusswasserkraftwerke verlassen, die nicht immer sehr zuverlässige Energiequellen sind; niedrige Wasserstände der Flüsse im Sommer begrenzen die Stromerzeugung aus Laufwasserkraftwerken, und der Spitzenbedarf an elektrischer Energie entsteht oft an windstillen Tagen oder in der Nacht.

Eine der Lösungen für die Gewährleistung der Versorgungssicherheit ist natürlich die Nutzung der in den Batterien von Elektrofahrzeugen gespeicherten (electric vehicles, EV) elektrischen Energie zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage in einem sogenannten Vehicle-to-Grid (V2G)-System. Innerhalb der nächsten zehn Jahre wird es voraussichtlich allein in Deutschland rund 7 Millionen Elektrofahrzeuge geben, die jeweils 20-100kWh Batteriekapazität an Bord haben werden. Selbst wenn nur 20% dieser Kapazität zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sind, entspricht das immer noch 140GW oder mehr als der Kapazität von 100 Kernkraftwerken.

Der Schlüssel zu einem erfolgreichen V2G-System ist die Kombination aus bidirektionalem Energiefluss und künstlicher Intelligenz. Die meisten Fahrzeuge verbringen mehr als 95% ihrer Zeit geparkt. Wenn ein E-Fahrzeug an eine Ladestation angeschlossen ist, während der Besitzer bei der Arbeit ist, kann das E-Fahrzeug bestimmen, ob es seine Batterie weiter auflädt oder einen Teil seiner gespeicherten Ladung zu Spitzenzeiten wieder an das Netz abgibt und so seinen Ladezustand in Abhängigkeit von bekannten oder vorhergesagten Nutzungsmustern anpasst. Da die meisten Fahrten am Tag weniger als 37km betragen, ist es nicht immer notwendig, dass das Fahrzeug zwischen den täglichen Fahrtzeiten voll aufgeladen ist oder bleibt. Dazu ist jedoch ein bidirektionales Ladegerät/Netzwechselrichter erforderlich, um die elektrische Leistung in beide Richtungen zu übertragen. Dabei muss die bidirektionale Ladestation nicht selbst intelligent sein: Die notwendige Rechenleistung ist in dem im Elektrofahrzeug eingebauten AI-System bereits enthalten. (AI System, Artificial Intelligence)

Nachdem der potenzielle Bedarf an Millionen von bidirektionalen AC/DC-Stromversorgungen festgestellt wurde, der die geschätzte Zunahme von E-Fahrzeugen bis 2030 decken würde, stellt sich im nächsten Schritt die Frage, ob es wirtschaftlich rentabel ist, diese zu bauen. Es gibt zwei relativ neue Entwicklungen, die die Realisierung bidirektionaler Designs wesentlich einfacher und billiger gemacht haben. Die erste ist die Einführung neuer Topologien, die sich besonders gut für den bidirektionalen Stromfluss eignen. Die zweite ist die Reifung neuer Technologien wie Siliziumkarbid (SiC)-Hochleistungs-Schalttransistoren, die jetzt preislich mit der seit langem etablierten IGBT-Technologie (Insulated Gate Bipolar Transistor) konkurrieren können, aber geringere Schaltverluste aufweisen und somit eine höhere Effizienz aufweisen.

Unidirektionale AC/DC-Batterieladegeräte sind schon seit vielen Jahren auf dem Markt. Sie verwenden im Allgemeinen folgende Anordnung mit einigen proprietären Variationen:


Netzbetriebene Batterieladegeräte sind im Wesentlichen AC/DC Wandler (PFC-Stufe), gefolgt von einem DC/AC Wandler (Transformator-Überträgerstufe), gefolgt von einem AC/DC Wandler (Gleichrichter- und Ausgangsfilterstufe), gefolgt von einem Batterielade-Interface. Je nach Batteriespannung und -leistung kann die Transformator-Treiberstufe Single-Ended-, Push-Pull-, Phase-Shift-Vollbrücken- oder LLC-Topologien verwenden, aber in fast jeder Batterieladeanwendung ist eine Leistungsfaktorkorrektur am Eingang und eine Art von Batterieschnittstelle erforderlich, um den Verpolungsschutz zu realisieren und die Ladespannung und das Stromprofil an die Zellchemie anzupassen.

Um ein solches Design bidirektional auszuführen, könnte man eine Inverterstufe parallel zum bestehenden Schaltplan hinzufügen:


Diese Möglichkeit, die Bidirektionalität zu gewährleisten, ist jedoch ineffizient bei der Anzahl der notwendigen Komponenten und verursacht erhebliche Kosten, weil zwei Transformatoren benötigt werden. Da der Markt Millionen solcher bidirektionalen Stromversorgungen vorsieht, werden die Kosten pro Gerät zu einem sehr bedeutenden Faktor. Eine bessere Lösung wäre die Verwendung einer Topologie, die von Anfang an bidirektional ist, mit nur einem Leistungstransformer.


Um die Designüberlegungen für ein solches Produkt durchzugehen, können wir jede Stufe der Reihe nach analysieren und dabei die herkömmliche unidirektionale Topologie mit alternativen bidirektionalen Alternativen vergleichen. Da das gewünschte Ergebnis eine Stromversorgung ist, die in beide Richtungen funktioniert, können wir am Ende beginnen, weil es auch der Anfang ist.