Integration von Wide-Bandgap-Halbleitern in softwaredefinierte Batteriemanagementsysteme

Die technische Zusammenarbeit kombiniert Wide-Bandgap-Halbleiterbauelemente mit algorithmischer Batteriesteuerung, um eine Systemarchitektur für die Leistungsumwandlung für Elektrofahrzeuge zu schaffen. Diese Integration ermöglicht das Schalten einzelner Batteriezellen sowie die softwaredefinierte Zuweisung von Energiespeichersegmenten und zielt auf hocheffiziente Antriebsstränge und fortschrittliche digitale Infrastrukturen für Anwendungen der Elektromobilität ab.

Kapazitätsgrenzen konventioneller Batterietopologien mit festen Zellsträngen
Konventionelle Batteriekonzepte für Elektrofahrzeuge ordnen die Zellen in dauerhaften Reihen- und Parallelschaltungen an. Dieses Design begrenzt die Gesamtleistung des Energiespeichersystems auf die Leistungsgrenze der Zelle mit der geringsten Kapazität innerhalb des jeweiligen Zellstrangs.

Die Bereitstellung dynamischer Leistung aus einer festen Topologie erfordert separate leistungselektronische Zusatzsysteme, darunter eigenständige Bordladegeräte und lokale DC-DC-Wandler. Diese getrennten Hardwareblöcke erhöhen Gewicht, Anforderungen an das Thermomanagement und Umwandlungsverluste, wodurch die Gesamteffizienz des Systems sinkt und eine adaptive Echtzeit-Kompensation der Zellalterung eingeschränkt wird.

Softwaredefinierte Schaltlogik und Halbleiterparameter
Der gemeinsame technische Ansatz basiert auf einer integrierten Hardware-Software-Architektur, die eine automatisierte Zuweisung von Batteriesegmenten ermöglicht. Nexperia liefert schnelle bidirektionale Gallium-Nitrid-(GaN)- und Siliziumkarbid-(SiC)-Schalter, die direkt in die Zellanschlüsse integriert werden. IAV entwickelt die zugrunde liegende softwaredefinierte Systemarchitektur sowie lokale Zellbalancierungsalgorithmen.

Die Aufgabenverteilung zwischen den Partnern gewährleistet eine nahtlose Ausführung der einzelnen Baugruppen:

Durch den Einsatz bidirektionaler GaN-Schalter passt die Plattform die Hardwareverschaltung softwaregesteuert an. Das System umgeht alternde oder spannungsschwache Zellen dynamisch und verhindert so, dass lokale Ungleichgewichte die gesamte nutzbare Energiekapazität beeinträchtigen.

Laborvalidierung und Demonstrationsphasen
Die Funktionsfähigkeit des einheitlichen Wechselrichterkonzepts wurde mithilfe eines Labor-Demonstrators nachgewiesen. Der Entwicklungsprototyp wurde auf der Advanced Automotive Battery Conference (AABC) Europe 2026 sowie der PCIM Europe 2026 vorgestellt, um Schaltgeschwindigkeiten und die Leistungsregelung mehrerer Zellen unter Last zu demonstrieren.

Die Implementierungsstrategie umfasst die Validierung der Zellintegration parallel zu bestehenden Fahrzeugbussystemen. Während der ersten Testphasen konnten die integrierten GaN-Bauelemente einzelne Speicherzellen erfolgreich schalten, ohne die maximal zulässigen Einschaltwiderstände (RDS(on)) zu überschreiten. Dies zeigt, dass softwaregesteuerte Topologien eine direkte Leistungsumwandlung ohne herkömmliche unabhängige Filterstufen ermöglichen.

Messbare betriebliche Vorteile und Systemeffizienz
Die Implementierung zellbasierter Schaltarchitekturen auf Basis von Wide-Bandgap-Halbleitern optimiert die Nutzung der gespeicherten Energie, da jede einzelne Zelle entsprechend ihrem aktuellen Zustand eingesetzt werden kann. Die Zusammenführung verschiedener Leistungsstufen – etwa Traktionswechselrichter und Ladeeinheiten – in ein einziges softwaredefiniertes System reduziert die Anzahl der Fahrzeugkomponenten. Diese Architektur verbessert die thermische Verteilung innerhalb des Batteriepakets, reduziert Gewicht und Systemkosten und erhöht die Reichweite durch eine optimierte Nutzung der verfügbaren Kapazität.

Bearbeitet von Sucithra Mani, Induportals-Redaktion – mit KI angepasst.

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