Charge Box – gemeinsame Produktentwicklung von Industrie und Forschung mit Stefan Reichert

Im Smart Innovation unterhalte ich mich mit Stefan Reichert über das Vorgehen und seine Erfahrungen bei der am Beispiel der Charge Box, die für die Porsche entwickelt wurde.

Stefan Reichert
(c) Deutscher Zukunftspreis

Elektroautos in sehr kurzer Zeit aufladen, auch an einem leistungsbegrenzten Stromnetz – das schafft die Charge Box, eine gemeinsame vom Freiburger Fraunhofer ISE und ADS-TEC Energy in Nürtingen. Die Kooperation von Wirtschaft und hat den Partnern nicht nur ein leistungsfähiges Produkt gebracht, sondern auch die Nominierung zum Deutschen Zukunftspreis 2022.

Stefan Reichert ist Gruppenleiter Stromrichtereinheiten am Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

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Transkript

Das Transkript wurde manuell erstellt.

Klaus Reichert: Mein Gesprächspartner ist Stefan Reichert, er ist Gruppenleiter Stromrichterenheiten am Freiburger Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, und mein Cousin, er ist quasi Frauenhofer-ISE-Urgestein. Wir unterhalten uns über die ChargeBox, einer erfolgreichen gemeinsamen Produktentwicklung in einer Kooperation von Wirtschaft und Forschung, die für den Deutschen Zukunftspreis 2022 nominiert wurde. Die ChargeBox ist ein Gerät, das es möglich macht, Elektroautos in sehr kurzer Zeit aufzuladen, auch an einem leistungsbegrenzten Stromnetz.

Klaus Reichert: Innovationen weiterdenken und Zukunft einfach machen. Hallo! Klaus Reichert hier! Ich bin unabhängiger Unternehmensberater und Business Coach für Innovation und Business Design. Ich begleite engagierte Unternehmer: innen und Führungskräfte sowie ihre Teams mit Smart Innovation auf dem Weg von der Vision zu enkeltauglichen Leistungen. Meine Mission ist es, Unternehmen und seine Menschen kreativer und innovativer zu machen. Ich arbeite remote von Baden-Württemberg aus. Im Smart Innovation Podcast spreche ich mit engagierten und kreativen Menschen über Innovationen, über Innovationsmanagement, Unternehmertum und Verantwortung, gerade im Kontext des Klimawandels. Zuhörer können bei den Liveaufnahmen mitmachen und Fragen stellen, so wird Innovation lebendig und leicht umsetzbar. Die Live-Aufnahmen sind mittwochs, Episoden erscheinen montags. Den Link zu Terminen, Newsletter und dem Transkript finden Sie in den Show Notes. Bleiben Sie auf dem Laufenden und folgen Sie der Show, wo immer Sie Ihre Podcasts oder auf klausreichert.de/linkedin. Und denken Sie daran Es gibt kein Ende von Innovation, nur Starts. 

Klaus Reichert: Hallo Stefan! 

Stefan Reichert: Hallo Klaus!

Klaus Reichert: Schön, dass du heute mit dabei bist. Wir wollen uns heute über die Erfahrungen bei eurer gemeinsamen Produktentwicklung unterhalten am Beispiel der ChargeBox. Und bevor wir da loslegen, erklär doch bitte kurz, was die ChargeBox ist und was das Besondere an ihr ist.

Stefan Reichert: Ja, die ChargeBox ist ein Schnellladegerät, was es ermöglicht, das Fahrzeug, Elektrofahrzeuge schnell aufzuladen im Minutenbereich. Normalerweise benötigt man da eine Leistungselektronik, die direkt am Mittelspannungsnetz angeschlossen ist, weil man die hohe Ladeleistung im Prinzip zur Verfügung stellen muss für das Fahrzeug. Und die ChargeBox hat jetzt die Besonderheit, dass wir hier einen Batteriespeicher integriert haben und der Batteriespeicher übernimmt dann die Leistungsspitzen und somit braucht man keinen Anschluss am Mittelspannungsnetz, sondern können ganz normal am Niederspannungsnetz angeschlossen werden und die hohe Ladeleistung stellt dann die Batterie zur Verfügung. Kurz zusammengefasst, man kann es auch ein bisschen vergleichen wir mit einer Toilettenspülung, die Toilettenspülung ist auch im Prinzip so, dass wir einen Speicher haben, der die Wassermenge zur Verfügung stellt, mit einem Wusch sich entlädt und dann langsam am Wassernetz sich nachlädt. Und genauso kann man es auch mit der ChargeBox vergleichen, die ChargeBox stellt eine sehr, sehr hohe Ladeleistung kurzzeitig zur Verfügung und wird dann langsam über das kleine Stromnetz, das Niederspannungsnetz, nachgeladen.

Klaus Reichert: Ja, jetzt habe ich es besser verstanden, vielen Dank. Also es hört sich ein bisschen nach Magic an, ihr seid da in jedem Fall auf was ganz Besonderes gekommen. Ihr seid dafür auch für den Deutschen Zukunftspreis nominiert worden. Herzlichen Glückwunsch übrigens dafür, das ist eine große Leistung. Und dazu geführt hat ja eine gemeinsame Produktentwicklung, also ihr als Frauenhofer ISE habt zusammen mit einem Unternehmen das Ganze jetzt entwickelt. Kannst du dazu mal bitte etwas sagen, wie sah das denn aus, wie hat es denn gestartet, diese gemeinsame Produktentwicklung?

Stefan Reichert: Also begonnen hat das Projekt ChargeBox im Jahr 2017, am Anfang 2017, abgeschlossen haben wir das Projekt 2019, Ende 2019. Und es hat begonnen mit einer Anfrage eines Automobilherstellers, in dem Falle Porsche, der ist an die Firma die ADS-TEC herangetreten. Und die Firma ADS-TEC hat Expertise im Bereich stationärer Batterien und Batteriesysteme, und hat natürlich hier gesehen, dass wir da eine gewisse Leistungselektronik entwickeln müssen, die sehr kompakt, sehr hocheffizient sein muss. Und aufgrund der Anforderungen ist dann die Firma ADS-TEC auf das Fraunhofer ISE zugegangen und hat gefragt, ob sie mit uns zusammen diese Entwicklung gemeinsam bewerkstelligen können? Und somit ist das Projekt dann auch gestartet in enger Kooperation. Wir am Fraunhofer ISE waren für die Entwicklung der Leistungselektronik, also der Elektronik, die das ganze Ding regelt, zuständig und die Firma ADS-TEC hat sich um das Batteriesystem gekümmert und natürlich um die ganze Industrialisierung des ganzen Projektes dann später.

Klaus Reichert: Das heißt, ihr habt Hand in Hand euch ergänzt in diesem Projekt. Ihr habt über zwei Jahre daran gearbeitet, das ist ja auch ein ganz schön langer Projektzeitraum und da ist ja viel passiert in dieser Zeit. Wie viel Personen waren denn da beteiligt ungefähr, kannst du da uns einen Eindruck geben?

Stefan Reichert: Also es war schon ein größeres Projekt, also Fraunhofer-untypische Größe. Es haben bei uns in den Hochzeiten bis zu zehn Leute dran gearbeitet und auf Seiten der Firma ADS-TEC, würde ich sagen, waren es auch bestimmt 20 Personen, die da gleichzeitig mit dran gearbeitet haben.

Klaus Reichert: Ist ganz schön viel. Es braucht ja auch viel Koordination, wer hat das denn dann übernommen für euch?

Stefan Reichert: Also die Koordination war natürlich als Auftraggeber von der Firma ADS-TEC übernommen und die Projektkoordination auf Seiten des ISE habe ich übernommen und somit haben wir das uns, ja, sehr gut ergänzt in der Gesamtkoordination.

Klaus Reichert: Also das heißt, ihr hattet da natürlich enge Abstimmungen und so weiter, aber ihr hattet quasi jeweils einen Eingangspunkt in diese großen Teams der verschiedenen Beteiligten eben, die dann eben zusammen das geleitet haben?

Stefan Reichert: Ja, also wir haben natürlich schon versucht, die Projekte und Projektarbeitspakete gut aufzuteilen, sodass wir uns quasi da auch nicht zu viel abstimmen müssen. Und somit war die gesamte Leistungselektronik, also die ursprüngliche Entwicklung bis zu einem, ja, vielleicht B- oder C-Muster dann komplett in ISE-Hand und die Kommerzialisierung, also die Umsetzung nachher und Industrialisierung des ganzen Projektes lag dann in Hand von der Firma ADS-TEC. Deswegen kann man sagen, dass wir dann am Anfang mehr unternommen haben bei der Entwicklung und eben zur Industrialisierung hin, hat dann die Firma ADS-TEC mehr und mehr das Projekt dann übernommen.

Klaus Reichert: Das heißt, ihr hattet eben auch klare Schnittstellen, aber eben auch gerade am Anfang klar vereinbarte Arbeitspakete, Phasen, Meilensteine, sodass ihr natürlich zusammengearbeitet habt, aber weil ihr das so gut vorbereitet hattet, sehr unabhängig auch voneinander arbeiten konntet mit möglichst wenig Friktion?

Stefan Reichert: Ja, genau. Also wir haben versucht, die Arbeitsschritte soweit wie möglich aufzuteilen. Also zum Beispiel, ein Beispiel bei der Leistungselektronikentwicklung geht es darum, dass man Schaltpläne erstellt und die Elektronik entwickelt. Und darauf aufbauend, auf den Schaltplänen muss zum Beispiel ein Layout erstellt werden, was dann nachher zu einer Schaltkarte, einer Platine führt. Und da haben wir natürlich jetzt die Schaltpläne erstellt, auch die Dimensionierung und die komplette Entwicklung gemacht, aber das Layout, die Platinenfertigung, hat dann die Firma ADS-TEC in dem Fall gemacht. Das heißt, da haben wir unv. #00:07:39-3# gehabt.

Klaus Reichert: Also ihr ergänzt euch sehr gut in diesem Projekt, höre ich da so heraus. Was würdest du sagen, waren denn so vielleicht die größten Herausforderungen, aber gleichzeitig auch, was waren denn so einzelne Höhepunkte, die ihr im Projekt hattet?

Stefan Reichert: Also die größte Herausforderung war von Anfang an die Aufgabenstellung, das wir ein sehr, sehr kompaktes Gerät entwickeln müssen und auch ein Gerät, was eine sehr hohe Effizienz hat, also einen sehr hohen Wirkungsgrad hat. Also insgesamt sollte das gesamte Gerät in einen Würfel reinpassen mit einer Kantenlänge von 1,3 Meter. Und da sollte nicht nur die Elektronik, also die Leistungselektronik reinpassen, sondern natürlich auch der Batteriespeicher, die Klimatisierung, und das war eine ziemlich große Herausforderung. Gelöst haben wir das, in dem wir neue Halbleitermaterialien hier eingesetzt haben, leistungselektronische Schalter aus Siliziumcarbid. Und diese Kernkomponenten der Leistungselektronik haben den Vorteil, dass sie sehr, sehr schnell schalten können. Das heißt, die Schaltverluste können dadurch minimiert werden und dann kann man das ausnutzen, indem man einmal sehr, sehr effizient wird oder aber auch sehr kompakt wird. Das heißt, man kann aufgrund der geringen Schaltverluste, die Schaltfrequenten erhöhen und somit die induktiven Bauelemente verkleinern und die Größen, somit das Ganze in eine kompakte Bauweise bringen. Also das war eine ziemlich große Herausforderung, also vor allem das Thema, Einsatz dieser neuen Halbleitermaterialien, die noch nicht so in der Anwendung waren. Zum Teil wurden sie im Bereich PV-Wechselrichter schon eingesetzt, aber jetzt im Bereich stationäre Ladegeräte noch nicht. Und somit haben wir da auch verschiedenste Probleme mit lösen müssen. Also da geht es bis hin auf Chip-Level, dass sich die Verluste nicht symmetrisch aufgeteilt haben oder auch Feuchtungsproblem der Halbleitermodule, genau, verschiedenste Probleme, die wir da in dem Projekt lösen mussten. Und somit kann man sagen, das waren die größten Herausforderungen. Aber am Ende dann auch die größte Errungenschaft, die wir da gemacht haben eben, dass wir einen sehr, sehr kompakten Aufbau hinbekommen haben und auch einen sehr effizienten Aufbau.

Klaus Reichert: Also ihr seid zufrieden mit dem, was erreicht habt?

Stefan Reichert: Ja, auf jeden Fall. Also wenn man das auch vergleicht mit am Markt verfügbaren anderen Geräten, sind wir natürlich in Form der Leistungsdichte und Kompaktheit sehr weit vorne und auch im Bereich der Effizienz sind wir da auch sehr weit vorne. Also die Leistungselektronik hat eine Gesamteffizienz von 95 %, das heißt, AC rein und DC raus, also AC-Stromnetz rein und DC-Batterie statt Fahrzeugbatterie raus, da haben wir nur 5 % Verlust, was sehr, sehr gut ist.

Klaus Reichert: Okay, das hört sich beeindruckend an. Jetzt gibt es ja immer wieder unterschiedliche Einstellungen, Mindsets, Sprachen, Worte, Vokabeln in einem Wirtschaftsbetrieb und in einem Forschungsbetrieb. Habt ihr das auch erlebt, dass ihr vielleicht auch mal gar nicht so sehr wusstet am Anfang, wovon der andere gerade spricht? Ich übertreibe grad ein bisschen. Gab es da auch vielleicht Abstimmungsprobleme oder wart ihr sehr schnell schon auf einer Wellenlänge?

Stefan Reichert: Ja, ich würde jetzt sagen, wir waren sehr schnell auf einer Wellenlänge, auf der gleichen. Das liegt auch da dran, dass Fraunhofer so gestaltet ist, dass wir nicht nur öffentlich geförderte Auftragsforschung machen, wobei da auch meist Industriebeteiligung dabei ist, sondern dass wir auch, ja, zu 30 % direkte Aufträge aus der Industrie abarbeiten, und von daher sind wir natürlich schon die Zusammenarbeit mit der Industrie gewöhnt. Ein bisschen unterschiedliche Vorstellungen gibt es natürlich schon, was zum Beispiel auch Zeitpläne anbelangt Da ist natürlich der Druck aus der Industrie immer sehr, sehr hoch. Und wir jetzt aus der angewandten Forschung kommend, sehen die Zeit da etwas unkritischer. Das hat dann doch insgesamt sehr gut geklappt. Und man sieht auch da dran, dass wir dann das ganze Projekt relativ gut nach zwei Jahren oder zweieinhalb Jahren abschließen konnten, dass wir da auch Zeitpläne einhalten konnten.

Klaus Reichert: Ich glaube, das ist ja auch, dass man da gut durchkommt, dass man in der Zeit bleibt und sehr gute Ergebnisse liefert, ist ja eben wichtig, dass man dieselbe Sprache spricht, dass man so ein gemeinsames Mindset eben hat. Und das hat jetzt gerade in dem Projekt gut geklappt, habe ich da jetzt eben raus gehört.

Stefan Reichert: Ja. Vor allem war natürlich auch das Ziel, irgendwie ein gemeinsames Ziel, diese Entwicklung von Anfang an bei beiden Partnern im Ruckus. Wir hatten beide das Ziel, ein sehr effizientes Gerät, sehr kompaktes Gerät zu entwickeln, was auch den Ressourceneinsatz minimier, etwas, was die Verkehrswende voranbringt, etwas, was, ja, insgesamt einen guten Nutzen für die Gesellschaft nachher bringt. Da hatten wir, ja, würde ich sagen, ein gemeinsames Mindset, was dazu beigetragen hat, dass wir da auch intensiv und gut miteinander zusammenarbeiten konnten. 

Klaus Reichert: Du hast es grad angesprochen, wo ist das jetzt im Einsatz, in welchem Kontext würde ich das jetzt nutzen?

Stefan Reichert: Also dieses Ladegerät ChargeBox findet man an Schnellladepunkten. Ursprünglich wurde es eben designt für die Firma Porsche, für die Porsche-Zentren, um den Rollout des Taycan zu begleiten und dort findet man es im Einsatz. Also man kann quasi an Porsche-Zentren jetzt schnell laden mit dieser ChargeBox, aber mittlerweile wird es auch natürlich noch an anderen Plätzen eingesetzt. Vor allem dort, wo ich wenig Raum  habe, zur Verfügung stehen habe, dort, wo ich kein Mittelspannungsanschluss zur Verfügung habe und ich eben im leistungsbegrenzten Niederspannungsnetz bin, dort lohnt sich der Einsatz von so einer ChargeBox.

Klaus Reichert: Ich habe jetzt schon mehrere Male bei Porsche-Zentren geladen. Das heißt, da habe ich mit hoher Wahrscheinlichkeit wahrscheinlich eure Technologie genutzt?

Stefan Reichert: Mitunter ja. Also das ist, ich weiß nicht jetzt, bei wie vielen Porsche-Zentren das eingesetzt wird, aber die ChargeBox wird dort auf jeden Fall installiert und ist dort zu finden, ja.

Klaus Reichert: Das macht einen doch stolz, oder?

Stefan Reichert: Ja, doch. Also es ist schön, dass man da am Ende von einem Projekt auch sieht, das es Anwendung findet und nicht nur Forschung ist für die Schublade, sondern das man da natürlich ein Produkt mit entwickeln konnte, was nachher Anwendung findet.

Klaus Reichert: Jetzt wart ihr für den Deutschen Zukunftspreis nominiert jetzt in 2022. Wie war das für euch als Team, wie diese Nachricht bei euch eingetroffen ist?

Stefan Reichert:  Ja, also wir hatten natürlich nicht damit gerechnet, dass wir nominiert sind. Es war ein relativ langwieriger Prozess, ein Auswahlprozess und wir haben uns quasi so ein halbes Jahr vor der Information, dass wir nominiert sind, beworben. Und, genau, mussten uns erst mal innerhalb von Frauenhofer auch durchsetzen und um dann quasi ein Bewerbungsslot zu bekommen. Das hat natürlich dann schon eingeschlagen wie eine Bombe, hätten wir nicht mitgerechnet und waren natürlich super, ja, erfreut darüber, dass die Nominierung geklappt hat oder die Bewerbung geklappt hat.

Klaus Reichert: Das ist ja auch was sehr Besonderes. Man hat sehr viel Aufmerksamkeit auf ein Thema drauf, man kommt mit spannenden Menschen dann auch wiederum zusammen, die ähnlich aufwendige Dinge gemacht haben, es gibt ja dann noch mehrere Nominierungen, das kann ich mir vorstellen. Was sicher auch von der Seite eine interessante Erfahrung.

Stefan Reichert: Ja, es war auf jeden Fall interessant zu sehen, was es noch für weitere Projekte gab, die nominiert worden sind. Wir konnten dann Projekte vorstellen im Rahmen von einer Präsentationen im Deutschen Technik Museum in München. Genau, da war es natürlich schön zu sehen, was es da noch für Mitnominierte gab, wie die Konkurrenz auch aussieht. Es war natürlich spannend, dann auch zu sehen, was da an weiteren interessanten Projekten es gab, ja.

Klaus Reichert: Für den Podcast ist wichtig, dass man relativ einfach vom Zuhören ins Machen kommen kann. Was würdest du denn sagen, wären denn die wichtigsten Tipps, so aus deiner Sicht, für eine erfolgreiche Kooperation von Forschung und einem Wirtschaftsunternehmen bei der gemeinsamen Produkt Entwicklung?

Stefan Reichert: Wichtig ist, das von Anfang an klar ist, wo die Schnittstellen sind und wer welche Aufgaben hat und wer was macht. Wichtig ist auch natürlich zu wissen, das jetzt Fraunhofer oder wie Fraunhofer tickt jetzt in dem konkreten Fall. Dass wir natürlich nicht bis zum Produkt entwickeln, sondern, ja, so weit gehen wie vielleicht bis zu einem E- oder einem C-Muster, das die Kommerzialisierung des Produktes dann in Hand des Auftraggebers liegt. Und wenn solche Dinge klar geregelt sind von Anfang an, dann steht so einem erfolgreichen Projekt nix mehr im Wege eigentlich.

Klaus Reichert: Stefan, zum Abschluss, warum machst du das, was du tust, was macht dich gut dabei?

Stefan Reichert: Also mich hat natürlich schon immer die Elektrotechnik interessiert, vor allem die Leistungselektronik und da die Verknüpfung von verschiedenen Bereichen der Energiewende. Überall steckt Leistungselektronik drin, das ist eigentlich meistens noch gar nicht so richtig bekannt, also sei es jetzt bei PV-, Fotovoltaik-Wechselrichter zum Beispiel, sei es jetzt bei stationären Batterien oder sei es jetzt auch bei der Elektromobilität in Form von Ladegeräten. Und diese Leistungselektronik hat mich von Anfang an eben fasziniert. Und ich hoffe, dass ich halt mit meiner Arbeit dazu beitragen kann, dass die Energiewende und in dem konkreten Fall die Verkehrswende gelingt. Ja, das sind so Themen, die mich eben umtreiben oder auch schon seit dem Studium bewegt haben. Mittlerweile gebe ich ja Vorlesungen im Bereich Leistungselektronik für die Elektromobilität und möchte damit auch das ganze Thema an die Studenten weitergeben und somit sorgen, dass die nächste Generation auch an diesen Themen forschen kann.

Klaus Reichert: Danke, dass du da vorarbeitest auch. Stefan, vielen Dank, dass du heute mit dabei warst, dass du dir die Zeit für den Podcast genommen hast.

Stefan Reichert: Ich danke euch oder dir für Möglichkeit, hier im Podcast etwas zu sagen, danke!

Klaus Reichert: Das war der Smart Innovation Podcast. Er wurde mit einem interessierten Publikum live aufgenommen. Vielen Dank fürs Dabeisein und Zuhören. Diese gibt es auch zum Lesen, der direkte Link ist in den Shownotes. Noch kein Abonnent? Die Show ist überall zu finden, wo es Podcast gibt. Weitere Informationen und meine Kontaktdaten sind bei klausreichert.de/podcast, dort gibt es auch eine Übersicht der nächsten Liveaufnahme-Termine. Ich bin Klaus Reichert und das war der Smart Innovation Podcast.

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