E-Mobility: Where do we go from here?

Es brummt auf Deutschlands Straßen. Und das im wahrsten Sinne des Wortes: Millionen Autos, wohin man schaut, die nicht nur Lärm verursachen, sondern auch für hohe CO2-Emissionen sorgen und wahre Energiefresser sind. Da wünscht man sich das E-Auto regelrecht herbei, auch wenn man dann lieber zweimal nach rechts und links schauen sollte, um mangelnden Geräuschs nicht unter die Räder zu geraten. Elektromobilität würde dem Standort Deutschland viele Vorteile bringen: Mit ihr lassen sich Klimaschutz, Ressourcenschonung und Industriepolitik effektvoll miteinander verbinden. So bietet sich die Möglichkeit, durch E-Mobility die Einspeisung von Strom aus regenerativen Energiequellen, allen voran der Windenergie, mithilfe intelligenter Netze und Stromzähler, wie Smart-Grids oder Smart-Metering, mit den mobilen Speichern der Elektroautos zu puffern. Ein Blick auf die Ausgangslage: Gemäß der VDE-Studie zur Elektromobilität würden sich rund 64 Prozent der Deutschen ein Elektroauto kaufen. Zumindest von Verbraucherseite geht die Richtung pro Elektroauto.

Aus industrieller Sichtweise ist Deutschland zurückgefallen. Das zeigt der Electric-Vehicle-Index. Hier rangiert das Land, das sich bis 2020 zu einem Leitmarkt für Elektromobilität entwickeln will, hinter den USA, Frankreich und Japan knapp vor China auf Platz vier. „Ich würde mir wünschen, dass Deutschland auch in Zukunft Automobilgeschichte schreibt“, bringt es dann Prof. Leo Lorenz von Infineon auf den Punkt und betont: „Aber das wird nicht einfach.“ Wie es laufen kann, zeigt Renault. Der französische Automobilhersteller wird aller Voraussicht nach in diesem Jahr mit der Massenproduktion von Elektrofahrzeugen beginnen. Was aber muss passieren? Die Zukunft der Elektro­mobilität bestimmen neben den Herstellern und Dienstleistern aus dem Elektro-, Elektronik- und IT-Bereich vor allem die Automobilbranche sowie die Energieversorger und Netzbetreiber. Hier müssen die Elektronik- und Elektrohersteller mit der Automobilindustrie verstärkt kommunizieren. Zudem sollte vermehrt in Forschung und Entwicklung investiert werden, zum Beispiel bei der Batterietechnologie. Last but not least ist ein schneller Auf- und Ausbau der Infrastruktur vonnöten.

Trends im Automotive-Bereich

Mit den Themen Automobilelektronik und Elek­tromobilität beschäftigte sich der diesjährige Fachkongress Micro-Car in Leipzig. Er zeigte vier Trends, die sich für das Kraftfahrzeug abzeichnen:

• Verbrauch
• Sicherheit
• Komfort
• Fahrerassistenz

Folglich müssen die Ziele heißen: Energieverbrauch reduzieren, CO2-Emissionen minimieren, auf Energy-Harvesting setzen, das Wärmemanagement in Hinsicht auf eine bessere Energieeffizienz verbessern und der Sicherheit zuliebe die Pre-Crash-Sensorik ausbauen.
Das „funktionierende“ Elektroauto einzuführen, kann letztendlich erst einmal nur eine langfristige Lösung sein. Sollte der ehrgeizige Plan der Bundesregierung mit einer Million Elektroautos auf Deutschlands Straßen umgesetzt werden können, sind diese als Ergänzung zum regulären Kraftfahrzeug zu sehen und nicht als Ersatz. „Die CO2-Emissionen werden auch mit dem Elektroauto 90 Prozent betragen“, verdeutlicht Wolfgang Wondrak von Daimler in Böblingen die Problematik.

Kein Selbstläufer für gute CO2-Werte

Öffnet man die Motorhaube eines Elektrofahrzeuges, wie die abgebildete A-Klasse E-Cell, besteht der Aufbau, vereinfacht gesagt, aus einer Lithium-Ionen-Batterie, einem Ladegerät, einem Inverter und dem Elektromotor. Problem: der mechanische Antrieb fehlt bei der elektrischen Fahrt und wirkt sich negativ aus. So sorgt zum Beispiel der elektrische Antrieb der Nebenaggregate für einen schlechten Gesamtwirkungsgrad und hohe Kosten. Auch fehlt das eigentlich „negative“ Nebenprodukt des Verbrennungsmotors, nämlich die Wärme, was im Winter ein ernsthaftes Problem darstellt. Es muss elektrisch geheizt werden, das heißt, das Elektroauto muss die Wärme aus der Batterie erzeugen. Problem: Die Energie der Batterie ist begrenzt – diese wäre aber für Effizienz oder rekuperatives Bremsen notwendig. Ergo: Das Fahrzeug hat weniger Kapazität und damit eine kleinere Reichweite. Und dabei sind Front- und Heckscheibenheizung noch nicht mit eingerechnet.

Weiterer Gesichtspunkt: Die Umweltfreundlichkeit. Das Elek­tro­auto gilt als umweltfreundlich, weil es emissionsfrei ist. Allerdings ist das eine Milchmädchenrechnung. Schließlich kommt der Strom nicht einfach nur aus der Steckdose, sondern muss auch irgendwie erzeugt werden. Solange der Strom dabei aus regenerativen Quellen kommt, ist die Welt noch grün. Wird er aber im Kohlekraftwerk erzeugt, ist die Umweltfreundlichkeit gleich Null. Dem Klima ist es schließlich egal, wo die Kohlenstoffdioxid-Emissionen entstehen. So ist es nicht unmöglich, dass ein Elektroauto mehr CO2-Emissionen verursacht als ein Auto mit Verbrennungsmotor. Beim derzeitigen Strommix in Deutschland gehen Experten derzeit davon aus, dass eine entsprechende Versorgung aus regenerativen Energiequellen nicht möglich ist.

Die Leistungselektronik pushen

Die bei vollwertigen Elektroautos benötigten Antriebsleistungen liegen jenseits von 20 Kilowatt. Um die dabei auftretenden Ströme – insbesondere hinsichtlich Kabel, Stecker, Kontaktierungen und Halbleiterkosten – in einem handhabbaren Rahmen von bis zu einigen hundert Ampere halten zu können, ist ein lokales Versorgungsnetz mit erhöhter Spannung (HV-Bus) notwendig. Für Elektrofahrzeuge mit Antrieben bis etwa 100 Kilowatt kommen Spannungen bis zu 400 Volt zum Einsatz, weil sich so überall verfügbare 600-Volt-Leistungshalbleiter nutzen lassen. Im Fall höherer Antriebsleistungen, wie sie bei Sport- und Nutzfahrzeugen vorkommen, finden sich auch darüber hinausgehende HV-Busspannungen, die jedoch Leistungskomponenten mit höherer Sperrfähigkeit erfordern, zum Beispiel 1200 Volt.

In jedem Fall zieht mit einem elektrifizierten Antriebsstrang in breitem Umfang Hochvolt- und Hochleistungselektronik in die Fahrzeugtechnik ein. Das HV-Bordnetz muss dabei aus Sicherheitsgründen vollständig doppelt galvanisch isoliert sein, das heißt ohne leitende Verbindung zum Fahrzeugchassis. Entwicklungsziele bei leistungselektronischen Fahrzeugkomponenten: reduzierte Kosten und weniger Bauvolumen. Weitere Kostenfaktoren in der Leistungselektronik sind – wenn man Kosten, Bauvolumen, Wirkungsgrad und Gewicht betrachtet – neben den Leistungshalbleitern auch die passiven Bauelemente, die Aufbautechnik und vor allem das Wärmemanagement.
Ausblick: Jede Verbesserung leistungselektronischer Fahrzeugkomponenten erfordert eine umfassende Gesamtsystembetrachtung. Im optimalen Zusammenspiel lässt sich so die Effizienz erheblich steigern. Entwicklungsziele bei leistungselektronischen Fahrzeugkomponenten sind:

• niedrige Life-Cycle-Kosten
• Erhöhung der Leistungsdichte und so kleinere Bauelemente
• höhere Zuverlässigkeit durch bessere Verbindungstechnik

SiC und GaN: Energieeffizienz mit modernen ­Halbleitermaterialien erhöhen

Moderne Leistungshalbleiter ermöglichen die Wandlung elektrischer Leistung mit hohen Wirkungsgraden. Eine hohe Effizienz bieten Wide-Bandgap-Bausteine, die auf modernen Halbleiter­materialien, wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) basieren. Kommerzielle Schalter aus SiC, die keine Durchlassspannung aufweisen, sind im Kommen. Nach Angaben des VDE wird der SiC-JFET serienreif und zusammen mit einem Silizium-Niederspannungsmosfet als Normally-Off-Bauelement verfügbar.

Zudem steht der SiC-Mosfet im Blickpunkt. Cree hat beispielsweise Anfang dieses Jahres mit dem CMF20120 D einen 1200-Volt-N-Kanal Leistungsmosfet für 20 Ampere vorgestellt. IGBTs aus Siliziumkarbid stehen ebenfalls vor der Markteinführung, die im Vergleich zu den Mosfets und JFETs mit niedrigeren Gesamtverlusten punkten könnten. Nachteil: die noch recht hohen Kosten. Das beim Thema Energieeffizienz andere, heiß diskutierte Halbleitermaterial ist GaN. Auch hier arbeiten Leistungshalbleiterhersteller mit Hochdruck an marktfähigen Bausteinen. International Rectifier hat erfolgreich kommerzielle Niederspannungslösungen auf den Markt gebracht und arbeitet nun an Bauelementen mit Spannungen von 600 Volt. Automobilhersteller gehen allerdings davon aus, dass sie nicht vor 2015 auf entsprechende Leistungshalbleiter zugreifen können. SiC und GaN sind also erst mittel- bis langfristig eine entsprechende Lösung für E-Autos.

Fazit: Das Elektroauto hat im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor den entscheidenden Vorteil, dass das Drehmoment sofort verfügbar ist. Somit lässt sich sofort die komplette Leistung des E-Autos nutzen. Wenn die Probleme bezüglich Infrastruktur, Batterietechnologie und Stromverfügbarkeit gelöst werden, sollte den Nutzern eine ansprechende Alternative zur Verfügung stehen.

(eck)