De elektrische auto staat het grootste deel van zijn leven stil. In de garage, onder het huis, op de parkeerplaats van het kantoor. Ondertussen zit er een batterij in die, althans op papier, iets nuttigers zou kunnen doen dan wachten op de volgende reis. Het kan energie accumuleren als er te veel van is, het teruggeven wanneer dat nodig is, het elektriciteitsnet op de meest ingewikkelde momenten verlichten of een handje helpen bij de binnenlandse consumptie, als het systeem, het voertuig en de verbindingsregels dit toelaten.
Dit is waar het werk van het Fraunhofer IAF, het Duitse instituut voor toegepaste vaste-stoffysica, begint, dat een draagbare bidirectionele opladerdemonstrator voor elektrische auto’s presenteerde. Het punt om in gedachten te houden is dit: we hebben het over een prototype, niet over een kant-en-klaar accessoire om morgenochtend te kopen en in de kofferbak te plakken. De afmetingen geven echter goed de richting aan: 5,7 kilo gewicht, inclusief stekkers, 8,3 liter totaalvolume en een bidirectioneel vermogen tot 3 kW. Genoeg om de discussie van de vaste kolom naar een veel compacter object te verplaatsen, bijna om mee te nemen.
Een batterij met wielen
De technologie heet bidirectioneel opladen. In de praktijk kan energie twee kanten op gaan: van het elektriciteitsnet naar de accu van de auto, zoals normaal gesproken gebeurt, of van de accu van de auto naar buiten. In een huishoudelijk scenario betekent dit het gebruik van de auto als opslagruimte: tijdens uren van overvloed, bijvoorbeeld wanneer fotovoltaïsche panelen meer produceren dan nodig is, wordt de batterij opgeladen; later, als de zon ondergaat en het verbruik stijgt, kan diezelfde energie thuis of op het elektriciteitsnet van pas komen.
Het idee is niet nieuw, maar stuit tot nu toe op zeer praktische obstakels: kosten, omvang, efficiëntie, technische complexiteit, compatibiliteit met de hoogspanningsarchitectuur van de meest recente elektrische auto’s. Het Duitse GaN4EmoBiL-project is precies in het leven geroepen om aan dit ontbrekende stuk te werken: compactere, efficiëntere en industrieel duurzame bidirectionele laadsystemen. Het consortium omvat onderzoek en industrie, met Fraunhofer IAF, Universiteit van Stuttgart, Bosch en Ambibox.
De door Ambibox ontwikkelde demonstrator integreert een vermogenselektronicamodule gemaakt door Fraunhofer IAF. Het is een “off-board” eenfasige DC-lader: de energieconversie wordt buiten de auto verplaatst, naar een externe module. Tegenwoordig hebben veel elektrische auto’s ingebouwde laders die de wisselstroom thuis of van laadstations omzetten in gelijkstroom voor de accu, vaak met een vermogen van 11 of 22 kW. Hier is het vermogen lager, 3 kW, waardoor het opladen langzamer blijft. In ruil daarvoor wordt het object mobiel, lichter en flexibeler.
Het hart is GaN
Het meest interessante zit hem in het materiaal dat voor de module is gebruikt: galliumnitride, vaak aangegeven met de afkorting GaN. Het is een steeds belangrijkere halfgeleider in de vermogenselektronica, omdat het snellere, compactere en efficiëntere apparaten mogelijk maakt dan veel traditionele oplossingen. In dit geval werkten de onderzoekers met 1200V GaN-componenten gebouwd op een isolerend substraat, ontworpen voor 800V bidirectionele DC-laadsystemen.
De module is getest om te werken met accuspanningen tussen 150 en 920 V. Dit detail weegt zwaar, omdat recente elektrische auto’s evolueren naar steeds hogere spanningsarchitecturen, wat nuttig is voor het verbeteren van de efficiëntie en de oplaadtijden. Als de lader met veel verschillende accu’s moet praten, moet hij een groot bereik aankunnen zonder een kast vol elektronica, ventilatoren en koellichamen te worden.
GaN helpt ook op een ander front: het kan werken op hoge schakelfrequenties, waardoor verliezen en warmte worden verminderd. Minder warmte betekent minder behoefte aan omvangrijke koelsystemen. En het is precies daar dat een laboratoriumapparaat begint te lijken op iets dat buiten een laboratorium bruikbaar is: kleiner, lichter, minder stijf in zijn plaatsing.
Drie kilowatt, geen wonderen
Het vermogen van 3 kW moet op de juiste manier worden gelezen. We hebben niet te maken met een zaksnellaadstation. Drie kilowatt wordt gebruikt voor langzaam opladen en ondersteunend gebruik, dichter bij het dagelijkse energiebeheer dan bij een snelle opwaardering voordat u op vakantie gaat. De interessante waarde ligt in de dubbele richting van de stroom: de accu van de auto kan energie ontvangen en deze vervolgens teruggeven op piekmomenten of wanneer de productie van hernieuwbare energie afneemt.
Het prototype maakt gebruik van connectoren die compatibel zijn met de CCS-standaard, het gecombineerde oplaadsysteem dat in Europa wordt gebruikt voor gelijkstroomladen, en een Schuko-stekker, de klassieke “Duitse” stekker die velen ook kennen in Italiaanse huizen, vaak via compatibele stopcontacten of adapters. Dit maakt het concept dichter bij het echte leven: een kabel, een auto, een batterij die zelfs stilstaat. Dan komen de minder fotogenieke stukken, degenen die echt de toekomst van een technologie bepalen: certificeringen, veiligheid, voertuigcompatibiliteit, netwerkstandaarden, thuisinstallaties, kosten.
De onderzoeksgroep kijkt al verder dan 1200 V. Het verklaarde doel is om GaN naar nog hogere spanningsklassen te duwen, tot 1700 V, om te komen tot krachtigere en efficiëntere systemen, ook op het gebied van elektromobiliteit, en om de prestaties van geavanceerde halfgeleiders tegen kosten dichter bij die van silicium te brengen, wat de historische referentie voor elektronica blijft.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
