Energy Router – ein Durchbruch im elektrischen Energiemanagement
Am Lehrstuhl für Leistungselektronik (LEE) der FAU ist mit einem neuartigen Regelungskonzept ein entscheidender Schritt hin zu einem „Energy Router“ gelungen – einem modularen System, das eine wahlfreie Verteilung elektrischer Energie zwischen beliebig vielen Anschluss-Ports ermöglicht. Damit lassen sich Energieflüsse in komplexen DC-Energienetzen flexibel steuern – eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Energieversorgung.
Die sogenannte Dual-Active Bridge (DAB) ist ein bewährter, bidirektionaler und galvanisch isolierender Spannungswandler. Werden mehr als zwei Vollbrücken über einen gemeinsamen Transformator gekoppelt, entsteht eine Multi-Active Bridge (MAB) – ein Ansatz mit großem Potenzial für modulare DC/DC-Wandlersysteme. Nach dem Prinzip eines elektronischen Baukastens können damit vielfältige Anwendungen realisiert werden, etwa intelligente Netze mit erneuerbaren Erzeugern, Speichern und E-Mobilität.
Bislang blieb dieser Ansatz jedoch theoretisch, denn die Regelung war nicht modular umsetzbar. Konventionelle Konzepte erforderten einen zentralen Regler, der alle Leistungsbausteine koordiniert. Dies führt bei steigender Port-Zahl zu hohen Kosten – insbesondere aufgrund notwendiger galvanischer Trennungen – und widerspricht dem Gedanken der flexiblen Erweiterbarkeit.
Der Durchbruch: Mit einer neu entwickelten dezentralen Regelstrategie ist es erstmals gelungen, vollständig modulare n-Port-Spannungswandler zu realisieren. Jeder Port verfügt über einen eigenen Regelbaustein, der ohne Kommunikation mit anderen Ports auskommt. Dadurch lassen sich Ports frei kombinieren – einzeln, parallel, in Reihe oder gemischt in ISOP/ISOS-Konfigurationen – ohne jegliche Hardwareanpassung.
Das Ergebnis: Ein System, das theoretisch aus beliebig vielen Ports bestehen kann, ohne dass der Rechenaufwand steigt. Lediglich die Größe des Transformators setzt physikalische Grenzen.
Unser Demonstrator mit 6 Modulen (Ports) à 25 kW Leistung mit modernster 650V-GaN-HEMT Technologie zeigt das enorme Potenzial dieses Wandlers:
- Kompakte Bauweise u.a. durch in die Leiterplatte integrierte Windungen (Planartransformator)
- Hohe Leistungsdichte (ca. 8 kg Gesamtgewicht)
- Maximale Flexibilität in der Verschaltung
- Galvanisch vollständig getrennt
Vor wenigen Jahren wäre ein solches System noch um ein Vielfaches schwerer und teurer gewesen.
Unter dem Titel „A Path to Configurable Solid State Transformers and Energy Routers: Introduction to Modular Active Cell Control” ist das neue Konzept bereits publiziert (DOI: 10.1109/TPEL.2025.3621885).
Die Arbeit wurde im Rahmen des Projekts ECS4DRES ( ECS4DRES – Lehrstuhl für Leistungselektronik) von der EU und dem Bund gefördert.
Am Lehrstuhl für Leistungselektronik der FAU Erlangen-Nürnberg entwickeln wir die Grundlagen für die nächste Generation modularer Energiesysteme – von der Theorie bis zum funktionierenden Prototyp. Unsere Forschung wird regelmäßig in führenden Fachzeitschriften wie den IEEE Transactions on Power Electronics veröffentlicht.