noLIMIT - Netzorientiertes bidirektionales Laden mit intelligenten Modulen optimiert für die industrielle Fertigungstechnologie

Abstract

Der Markthochlauf der Elektromobilität beschleunigt sich massiv. So soll der Bestand an Elektrofahrzeugen in Deutschland bis 2030 15 Millionen. Elektrofahrzeuge umfassen (Stand 2025 erst 2 Mio.). Zusätzlich besteht das Ziel bis 2035 europaweit 90 % der CO2-Emissionen im Vergleich zu 2021 zu reduzieren (zu Projektbeginn bestand das Ziel im gleichen Zeitraum keine PKW mit Verbrennungsmotor mehr zuzulassen). Die rasante Verkehrswende erfordert neben dem Ausbau der Ladeinfrastruktur auch neue Lösungen zur Vermeidung von Netzüberlastungen und zur Integration erneuerbarer Energien. Das Projekt noLIMIT leistet einen Beitrag zur Lösung dieser Herausforderungen indem neue Technologien und Konzepte zur Umsetzung von bidirektionalen Schnellladesäulen erarbeitet wurden. Dabei standen die Steigerung von Leistungsdichte, Kosteneffizienz und Wirkungsgrad im Vordergrund. Das Projekt adressiert damit wichtige Handlungsfelder, wie die Stabilisierung von Stromnetzten durch intelligentes und netzdienliches Laden und eine industrienahe und transferorientierte Forschung mit klarem Endanwenderbezug. Ein besonderer Fokus des Vorhabens lag auf der zügigen industriellen Verwertbarkeit der Forschungsergebnisse sowie der Sicherstellung einer international wettbewerbsfähigen Produktion in Deutschland. Eine zentrale Voraussetzung hierfür ist die hochautomatisierte Fertigung der Leistungselektronik auf Leiterplattenbasis. Vor diesem Hintergrund wurde bewusst auf klassische Aufbautechniken verzichtet und stattdessen ein modularer Systemansatz entwickelt. Dieser ermöglicht die Parallelschaltung mehrerer Wandler (Module) mit Einzelleistungen von 20 kW bis 50 kW und erlaubt so die flexible Skalierung bis hin zu Ladeleistungen im Megawattbereich. Zur Umsetzung dieses Ansatzes wurden im Projekt zentrale technologische Komponenten erforscht und entwickelt. Ein Hauptziel war die Entwicklung bidirektionaler AC/DC- und DC/DC-Wandler mit hoher Effizienz und gesteigerter Leistungsdichte. Dies erforderte den Einsatz moderner Wide-Bandgap-Halbleiter, insbesondere auf Basis von Siliciumcarbid (SiC), sowie hoher Schaltfrequenzen und neuartiger Ansteuer- und Regelungsverfahren. In Kombination mit der angestrebten Leistungsklasse ergibt sich ein Forschungsfeld mit hohem Innovationsgrad, zu dem bisher wenige Ergebnisse publiziert sind. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung einer kosteneffizienten und eichrechtskonformen Messwerterfassung. Da viele der erforderlichen Messgrößen bereits innerhalb der Leistungs-elektronik verfügbar sind, wurde untersucht, wie diese effizient erfasst und unter Einhaltung regulatorischer Anforderungen an ein Smart-Meter-Gateway angebunden werden können. Ziel war es, den Aufwand für Mess- und Kommunikationstechnik zu reduzieren und die Herstellungskosten zu optimieren. Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist die Integration aller für den Betrieb notwendigen Komponenten in Wandlermodulen mit einem Technologiereifegrad (TRL) von 5. Diese umfassen AC/DC- und DC/DC-Wandler, Steuerungs-, Sicherheits- und Messeinrichtungen. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung eines Konzepts zur automatisierten Leiterplattenfertigung. Vor diesem Hintergrund wurde ein Großteil der Bauelemente in SMD-Technologie ausgeführt. Das Konsortium konnte umfassende Erkenntnisse gewinnen, die für die Fertigung und Entwicklung kosteneffizienter Leistungselektronik aus Deutschland genutzt werden kann. Die Ergebnisse wurden zudem in vier nationalen und internationalen Konferenzbeiträgen veröffentlicht.