Kaco, Fraunhofer ISE entwickelt Silizium-Karbid-Gallium-Nitrid-Transistor-Hybrid-Wechselrichter

Kaco New Energy, STS Transformatoren Stockach und das Fraunhofer ISE haben eine neue Topologie, Managementsoftware und Transistoren für Hybrid-Wechselrichter entwickelt. Bestehende Geräte leiden oft unter Effizienzverlusten, wenn der Leistungsbedarf gering ist, da Schaltungen und Transistoren so ausgelegt sind, dass sie nahe an den Designspezifikationen arbeiten. Die Forscher gehen davon aus, dass ihre neue Technologie, basierend auf Simulationsergebnissen, einen höheren Batterieverbrauch ermöglichen könnte.

24. Juli 2020 Marian Willuhn

Optimiertes Batterieladegerät für eine Hochvoltbatterie mit 6 Kilowatt Nennleistung.

Foto: Fraunhofer ISE

Photovoltaik-Heimspeicher erfreuen sich vor dem Hintergrund neuer Produkte, wie ganzheitlichen Lösungen für den Eigenverbrauch, virtuelle Kraftwerke und die stetige Absenkung der Einspeisevergütung über einen wachsenden Marktanteil. Die Verbesserung der Effizienz der Umwandlungsschritte von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt führt zu geringeren Verlusten bei Batteriespeichern und so zu einer geringeren Nachfrage nach Netzstrom.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Batteriewechselrichtern für Privathaushalte besteht darin, dass sie während der mittäglichen Erzeugungsspitzen mit hoher Leistung von Photovoltaik-Dachanlagen versorgt werden, so dass sie innerhalb von Stunden vollständig geladen und dann während der Teillastanforderung über Nacht nur sehr langsam entladen werden.

Das Fraunhofer ISE, der zu Siemens gehörende Wechselrichterhersteller Kaco New Energy und der Elektronikkonzern STS-Spezial-Transformatoren Stockach haben daher 2017 das HyBaG-Projekt gestartet. Die Projektpartner haben nun einen hocheffizienten Hybrid-Wechselrichter entwickelt, der minimale Verluste aufweist. Wechselrichter haben nicht über den gesamten Leistungsbereich den sie abdecken können, den gleichen Wirkungsgrad. Aus diesem Grund sind, zum Beispiel, die CEC- und Europa gewichteten Wirkungsgrade für die gleichen Wechselrichter unterschiedlich. Die CEC-Gewichtungsmethode konzentriert sich stark auf den Wirkungsgrad bei 70 Prozent Leistung, während die europäische Gewichtungsmethode auf 50 Prozent Leistung ausgerichtet ist.

Das Entwicklungsteam betrachtete mehrere Ansätze zur Optimierung des Teillastverhaltens in einer Reihe von Simulationen. Aus dieser Auswahl wählte das Team die beiden leistungsstärksten Simulationen aus und startete Versuchsreihen mit Ptototypen. Um den Wirkungsgrad im gesamten Leistungsbereich zu verbessern, entwickelten die Forscher und Unternehmen neue Hardware und Software. Auf der Hardwareseite entwickelte das Team einen kompakten und modularen Batteriesteller, der neuentwickelte Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Transistoren anstelle von IGBTs nach Industriestandard verwendet. Die daraus resultierenden Transistorbrückenschaltungen ermöglichen eine Erhöhung der Schaltfrequenz, was zu geringeren Schaltverlusten führt.

Darüberhinaus wurde die Schalttopologie so entwickelt, dass sie Teillasten effizienter aufnehmen kann. Für die DC/DC-Wandlung verwendete das Team einen dreiphasigen Synchronwandler. In diesem speziellen Aufbau konnte das Gerät Wandlerbrücken selektiv ein- und ausschalten, um dem spezifischen Lastspektrum (ein Drittel, zwei Drittel, Volllast) gerecht zu werden.

Bei niedrigeren Spannungen war es auch möglich, in einen Modus mit variabler Schaltfrequenz überzugehen, um stets die moderatesten Schaltverluste zu erzielen, den so genannten „Lückgrenzbetrieb“. Alternativ untersuchte man auch die Auswirkungen eines pulsierenden „Burst-Modus“, bei dem der Umrichter mit nur einer Phase und nur 10 Prozent der Zeit arbeitet. „Dadurch kann der Teillastwirkungsgrad deutlich erhöht werden, da die Auslöse- und Leerlaufverluste, die den Wirkungsgrad im Teillastbereich stark beeinflussen, reduziert werden“, erklärt Cornelius Armbruster, Projektleiter am Fraunhofer ISE.

Die Freiburger Forscher erklären, dass man zwischen den Phasen zu wechselt, um ein gleichmäßiges thermisches Profil der drei Phasen zu erreichen, wenn jeweils nur eine Phase aktiv ist. Je nach Lastgang erwiesen sich unterschiedliche Modulationsansätze als besonders effektiv. Deshalb umfasste das Projekt auch die Entwicklung einer Wechselrichter-Management-Software, die über die Modulation nach Lastprofilen optimiert.

Bereits heute ist es möglich, auf Siliziumkarbid basierende Komponenten für private Speichersysteme zu wettbewerbsfähigen Preisen gegenüber anderen Produkten herzustellen. Allerdings, so das Fraunhofer ISE, haben nur wenige Hersteller damit begonnen, das Verhalten der Systeme bei Teillast zu optimieren. In diesem Bereich gäbe es erhebliche Unterschiede, zwischen den Herstellern.

„Ein wesentlicher Einflussfaktor für die Unterschiede der am Markt verfügbaren Systeme sind die Verluste im Teillastbereich«“, sagte Leonhard Probst, der im Projekt für die Optimierung des Batterieladegerätes verantwortlich ist.

Simulationen im Rahmen des „HyBag“-Projekts zeigten, dass durch den Einsatz eines Hybrid-Wechselrichters mit den von Fraunhofer und seinen Partnern vorgeschlagenen Hard- und Software-Optimierungen zwischen 150 bis 250 Euro pro Jahr eingespart werden können. Da die Einsparung aus der geringeren Nachfrage nach Netzstrom resultiert und die Forschung in Deutschland durchgeführt wurde, unterliegen diese Zahlen Annahmen zu deutschen Endverbraucher-Strompreisen.

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