Warum HEV und EV den Sensormarkt ankurbeln

Das Thema E-Mobilität ist mittlerweile kein neues mehr. Trotzdem gibt es noch einiges an Informationsbedarf, vor allem bei den verschiedenen Typen, die gerne in einen Topf geworfen werden. Hier haben wir die verschiedenen Technologie hinter der E-mobility aufgelistet und erklärt.

Was ist ein Mikro-Hybrid (μHEV)?

Das anfängliche HEV, das vor mehr als einem Jahrzehnt auf den Markt kam, hatte ein Start/Stopp-System mit einer 12-V-Batterie. Diese Autos waren mit einem normalen Verbrennungsmotor ausgestattet, verwendeten aber elektrische Unterstützung zum Anhalten und Starten – eine Funktion, die erhebliche Energie benötigte. Die Einführung der μHEVs ermöglichte einige schnelle Erfolge bei der Minderung der CO₂-Emissionen und half der Autoindustrie Mitte der 2000er Jahre, die Norm einzuhalten.

Was ist ein Elektrofahrzeug (EV)?

Ein Elektrofahrzeug (EV) ist ein Fahrzeug, das ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben wird und über eine Hochspannungsbatterie verfügt, die geladen werden kann. Es gibt keinen Verbrennungsmotor, der Treibstoff verbrennt und CO₂-Emissionen produziert. Stattdessen wird die Batterie verwendet, um Strom zu liefern, der den Elektromotor antreibt und das Fahrzeug bewegt.

Die Hochspannungsbatterie ist der Schlüssel zum Betrieb des Elektrofahrzeugs. Sie speichert elektrische Energie und liefert sie an den Elektromotor, wodurch das Fahrzeug bewegt wird. Je größer die Kapazität der Batterie, desto größer ist die Reichweite des Fahrzeugs. Das Energiesteuerungssystem optimiert die Verwendung der Batterie und des Elektromotors, um eine effiziente Leistung und eine längere Reichweite zu erreichen. Es kann auch die Energie während der Bremsphase zurück in die Batterie zurückgeführt werden.

Es gibt zwei Unterkategorien von Elektrofahrzeugen (EV): echte lokal emissionsfreie E-Fahrzeuge und EVs mit einem Range-Extender, bei denen ein im Fahrzeug verbauter Verbrennungsmotor die Batterie laden kann. Erstere sind vor allem als batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) bekannt, die über eine besonders große Hochvoltbatterie verfügen. Das berühmteste Modell stammt zweifellos von Tesla, aber andere Autohersteller verfügen über einen größeren Marktanteil. So ist beispielsweise Renault mit dem Renault ZOE sehr gut im Geschäft. Es gibt auch Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV), die aber weniger verbreitet sind. Sie nutzen Brennstoffzellen und einen Wasserstofftank als Energiequelle.

Der größte Vorteil von Elektrofahrzeugen liegt in ihrer Umweltfreundlichkeit, da sie während des Betriebs keine direkten Emissionen von Treibhausgasen oder anderen Schadstoffen produzieren. Dies trägt zur Verbesserung der Luftqualität bei und unterstützt globale Bemühungen zur Reduzierung des klimatischen Fußabdrucks.

Die Elektromotoren in EVs sind für ihre Effizienz bekannt und können nahezu 100 % ihrer Energie direkt in Antriebskraft umsetzen, ein deutlicher Kontrast zu den Verbrennungsmotoren, deren Effizienz aufgrund thermischer Verluste oft viel geringer ist. Ein weiterer signifikanter Vorteil der Elektromotoren ist das sofort verfügbare Drehmoment, das für schnelle Beschleunigung sorgt und ein dynamisches Fahrerlebnis bietet.

E-Autos und ihre Antriebe

Was ist ein Plug-in-Hybrid (PHEV)?

Ein Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) besteht aus einem Elektromotor, einem Verbrennungsmotor, einer Batterie, einem Ladegerät und einem Energiemanagementsystem. Der Elektromotor wird von einer Hochvoltbatterie angetrieben, die während der Fahrt oder an einer öffentlichen Ladestation aufgeladen werden kann. Der Verbrennungsmotor kann als Generator arbeiten und die Batterie aufladen, wenn sie entladen ist.

Das Energiemanagementsystem optimiert den Einsatz des Elektromotors und des Verbrennungsmotors, um eine effiziente Leistung und eine größere Reichweite zu erzielen. In einigen Fällen kann das Fahrzeug ausschließlich mit elektrischer Energie betrieben werden, wodurch Emissionen und Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
Ein Plug-in-Hybridfahrzeug ist eine gute Wahl für Fahrer, die eine umweltfreundliche Option bevorzugen, aber nicht auf die Vorteile eines konventionellen Fahrzeugs verzichten möchten. Es bietet einen höheren Wirkungsgrad und eine größere Reichweite als ein reines Elektrofahrzeug und kann in vielen Fällen auch als normales Auto genutzt werden.

Die Besonderheit von PHEVs liegt darin, dass ihre Batterien über das Stromnetz extern aufgeladen werden können, was ihnen eine deutlich höhere elektrische Reichweite ermöglicht als herkömmlichen Hybriden, die ausschließlich die Energie des Verbrennungsmotors und regenerative Bremsenergie zum Laden nutzen.

Die externe Lademöglichkeit erlaubt es Plug-in-Hybriden, kürzere Strecken vollständig elektrisch und damit emissionsfrei zu fahren. Je nach Modell und Batteriekapazität können diese elektrischen Reichweiten zwischen etwa 25 und 80 Kilometern liegen. Nach Erschöpfung der Batteriekapazität funktioniert ein PHEV wie ein herkömmliches Hybridfahrzeug: Der Verbrennungsmotor springt ein, um den Elektromotor zu unterstützen und die Batterie über einen Generator aufzuladen.

Diese Dualität macht PHEVs besonders vielseitig. In urbanen Umgebungen oder bei kurzen Fahrten können sie als reine Elektrofahrzeuge betrieben werden, was den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen minimiert. Für längere Fahrten bieten sie die zusätzliche Sicherheit und Reichweite eines Verbrennungsmotors, wodurch die sogenannte "Reichweitenangst", die bei reinen Elektrofahrzeugen auftreten kann, vermieden wird.

Was ist ein Mild-Hybrid (mHEV)?

mHEV ist die Abkürzung für Mild Hybrid Electric Vehicle. Es ist eine Art Hybrid-Elektrofahrzeug, das einen kleinen Elektromotor, eine Batterie (48 V statt 12 V) und einen herkömmlichen Verbrennungsmotor verwendet, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die Emissionen zu reduzieren. Die 48-V-Batterie ist eine kleine Batterie, wird aber ständig geladen (zum Beispiel durch rekuperatives Bremsen) und entladen. Zusätzlich steht auch ein Booster-Motor mit einer Leistung von 5 bis 13 kW bereit. Der Elektromotor und das Batteriesystem unterstützen den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen und sorgen für regeneratives Bremsen, wodurch Energie gespart und der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.

Im Vergleich zu Vollhybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) haben Mild-Hybrid-Fahrzeuge in der Regel eine kleinere Batterie und einen kleineren Elektromotor und können nicht rein elektrisch betrieben werden. Sie sind jedoch preiswerter und kosteneffizienter als Voll-HEVs und bieten viele der gleichen Kraftstoffeinsparungsvorteile.

Die mHEV-Technologie erfreut sich bei den Automobilherstellern zunehmender Beliebtheit, da sie eine Möglichkeit darstellt, die immer strengeren Emissionsvorschriften zu erfüllen, und wird als Sprungbrett zu Vollhybrid- und Elektrofahrzeugen angesehen.

Bei einem Mild-Hybrid handelt es sich mehr oder weniger um das gleiche Konzept wie beim μHEV, allerdings mit einer 48-V-Batterie anstelle einer 12-V-Batterie. Die 48-V-Batterie ist eine kleine Batterie, wird aber ständig geladen (zum Beispiel durch rekuperatives Bremsen) und entladen. Zusätzlich steht auch ein Booster-Motor mit einer Leistung von 5 bis 13 kW bereit.

Was ist ein Full-Hybrid (fHEV)?

Grundsätzlich ist dies ein mHEV, aber mit einer Hochvoltbatterie und einem etwas größeren Elektromotor, dessen Leistung zwischen 20 und 40 kW beträgt.

Ein Vollhybrid-Elektrofahrzeug (Full Hybrid Electric Vehicle, FHEV) ist eine Art Hybrid-Elektrofahrzeug, das sowohl einen herkömmlichen Verbrennungsmotor als auch einen von einer Batterie gespeisten Elektromotor nutzt. Das Fahrzeug kann je nach Fahrbedingungen entweder mit dem Verbrennungsmotor, dem Elektromotor oder einer Kombination aus beidem betrieben werden.

Einer der Hauptvorteile eines Vollhybrid-Elektrofahrzeugs besteht darin, dass es zwischen Elektro- und Benzinbetrieb umschalten kann, um die Kraftstoffeffizienz zu optimieren. So kann das Fahrzeug zum Beispiel bei niedrigen Geschwindigkeiten oder leichter Belastung, wie im Stadtverkehr, mit elektrischer Energie fahren und bei höheren Geschwindigkeiten und schwerer Belastung auf den Verbrennungsmotor umschalten.

Die Batterie eines Vollhybrid-Elektrofahrzeugs ist in der Regel größer als die eines Mild-Hybrid-Fahrzeugs (mHEV) und so ausgelegt, dass sie durch regeneratives Bremsen und den Verbrennungsmotor wieder aufgeladen werden kann. Vollhybride können auch kurze Strecken allein mit Strom fahren, was sie vielseitiger und umweltfreundlicher macht als herkömmliche benzinbetriebene Fahrzeuge.

Insgesamt bieten Vollhybrid-Elektrofahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen benzinbetriebenen Fahrzeugen eine bessere Kraftstoffeffizienz, geringere Emissionen und ein nahtloseres Fahrerlebnis.

Am bekanntesten ist der Toyota Prius, der vor dem mHEV auf den Markt kam. Der mHEV ist ein Zwischenschritt, der hauptsächlich in Europa vertrieben wird, um die verschärften Vorschriften einzuhalten.

Förderung von Elektromobilität

Die globalen Bemühungen zur Förderung der Elektromobilität sind vielfältig und werden durch eine Kombination von politischen, wirtschaftlichen und technologischen Strategien vorangetrieben. Ziel dieser Bemühungen ist es, die Verwendung von Elektrofahrzeugen (EVs) zu erhöhen, um den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren, die Luftqualität zu verbessern und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.

Viele Länder bieten finanzielle Anreize, um den Kauf von Elektrofahrzeugen attraktiver zu machen. Dazu gehören direkte Zuschüsse, Steuervergünstigungen, niedrigere Registrierungsgebühren und Zugang zu privilegierten Verkehrsspuren. Zudem ist der Ausbau einer flächendeckenden und zugänglichen Ladeinfrastruktur entscheidend für die Adoption von Elektrofahrzeugen. Regierungen und private Unternehmen investieren massiv in den Aufbau von Ladestationen, sowohl in städtischen als auch in ländlichen Gebieten.

Staatliche und private Investitionen in Forschung und Entwicklung helfen, die Technologie hinter Elektrofahrzeugen voranzutreiben. Dies umfasst Verbesserungen bei Batterietechnologien, Antriebssträngen und Energieeffizienz.

Einige Länder setzen auch auf strengere Emissionsstandards und Verbote für den Verkauf neuer Verbrennungsmotoren, um den Übergang zu saubereren Technologien zu beschleunigen. Beispielsweise haben mehrere europäische Länder angekündigt, den Verkauf von Neufahrzeugen mit Benzin- oder Dieselmotoren in den nächsten Jahrzehnten zu verbieten.

Außerdem gibt es in vielen Ländern Informationskampagnen und Bildungsinitiativen, um das Bewusstsein und das Verständnis der Öffentlichkeit für die Vorteile der Elektromobilität zu erhöhen.

Diese Strategien sind in verschiedenen Ländern unterschiedlich stark ausgeprägt, und der Erfolg hängt oft von der spezifischen politischen, wirtschaftlichen und sozialen Landschaft ab. Insgesamt zeigt der Trend jedoch deutlich in Richtung einer zunehmenden Akzeptanz und Förderung der Elektromobilität weltweit.

Elektromobilität in öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV)

Die Integration der Elektromobilität macht die städtische Mobilität nachhaltiger und verringert die Umweltauswirkungen des Verkehrs. Zunächst setzt die Elektrifizierung öffentlicher Busflotten voraus, dass Städte in emissionsfreie Fahrzeuge investieren. Diese Fahrzeuge sind nicht nur umweltfreundlicher, sondern bieten auch Vorteile wie geringere Betriebskosten und weniger Lärm. Der Einsatz von Elektrobussen wird oft von der Errichtung von Ladestationen an Endhaltestellen und Depots begleitet, die schnelle Ladezeiten ermöglichen und so den kontinuierlichen Betrieb der Flotte sicherstellen.

Zudem werden Straßenbahnen und U-Bahnsysteme, die bereits elektrisch betrieben werden, weiter modernisiert, um Effizienz und Kapazität zu erhöhen. In einigen Städten werden auch neue, voll elektrische Straßenbahnlinien entwickelt, um das Verkehrsnetz zu erweitern und eine umweltfreundlichere Alternative zum Autoverkehr zu bieten.

Parallel dazu arbeiten viele Städte an der Implementierung von Elektrofahrzeugen in Car-Sharing-Programme und Taxi-Flotten. Diese Maßnahmen werden oft durch entsprechende Vorschriften und Anreize unterstützt, die den Übergang zu elektrischen Fahrzeugen fördern und erleichtern.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Integration von intelligenten Verkehrssystemen, die die Effizienz des öffentlichen Verkehrs durch verbesserte Routenplanung und Verkehrsmanagement steigern. Diese Systeme können dazu beitragen, den Energieverbrauch zu minimieren und die Zuverlässigkeit der Dienste zu erhöhen.

Wireless Power Transfer und dynamische Ladetechnologien

Wireless Power Transfer (WPT) und dynamische Ladetechnologien sind innovative Ansätze zur Energieversorgung von Elektrofahrzeugen, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Effizienz von Elektromobilität zu steigern. Diese Technologien ermöglichen es, Fahrzeuge ohne physische Verbindung zu einer Stromquelle aufzuladen, was bedeutet, dass sie potenziell die Notwendigkeit manueller Ladevorgänge eliminieren könnten.

Wireless Power Transfer (WPT) basiert auf dem Prinzip der magnetischen Resonanz oder induktiven Kopplung. Dabei wird ein elektromagnetisches Feld verwendet, um Energie über eine kurze Distanz zu übertragen. Für Elektrofahrzeuge wird typischerweise eine Spule im Fahrzeugboden installiert, während eine andere Spule im Boden der Garage oder an einem speziellen Parkplatz eingelassen ist. Wenn das Fahrzeug über der Spule geparkt wird, wird ein magnetisches Feld erzeugt, das durch die Luft übertragen wird und von der Fahrzeugspule aufgenommen und in elektrischen Strom umgewandelt wird, der die Batterie auflädt.

Dynamische Ladetechnologien gehen noch einen Schritt weiter, indem sie die Möglichkeit bieten, Fahrzeuge während der Fahrt aufzuladen. Diese Technologie, oft als „On-the-go charging“ bezeichnet, könnte die Notwendigkeit für längere Ladestopps eliminieren und wäre besonders vorteilhaft für lange Strecken. Die Idee besteht darin, spezielle Ladespuren auf Straßen oder Autobahnen zu installieren, die mit unterirdischen Spulen ausgestattet sind. Diese Spulen würden kontinuierlich ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das von den darüber fahrenden Fahrzeugen aufgenommen und zur Ladung der Batterien genutzt wird.

Beide Technologien stehen noch vor einigen technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen. Die Effizienz der Energieübertragung, die Kosten für die Installation und Wartung der Infrastruktur sowie die Standardisierung der Technologie sind kritische Faktoren, die adressiert werden müssen. Zudem gibt es Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen der elektromagnetischen Felder, obwohl die meisten Studien darauf hinweisen, dass diese Felder, wenn sie richtig verwaltet werden, sicher für den menschlichen Gebrauch sind.

Elektrifizierung senkt den CO₂-Ausstoß

Zu beachten ist, dass es eine enge Beziehung zwischen HEVs/EVs und der Senkung des CO₂-Ausstoßes besteht. Da die Elektrifizierung zunimmt, sinken auch die CO₂-Emissionen. Während der Mikro-Hybrid im europäischen Fahrzyklus zu einer Verringerung des CO₂-Ausstoßes um 3 bis 4 % führte, ergeben sich für den Mild-Hybrid 13 bis 21 % Reduktion, für den Full-Hybrid gar 20 bis 30 % und für den Plug-in-Hybrid sogar 50 bis 75 %. Ein vollelektrisches Fahrzeug erzeugt überhaupt keine Emissionen (die zum Laden der Batterie erforderliche Energieproduktion wird ignoriert).

Normalerweise hängt der CO₂-Ausstoß stark vom Gewicht des Autos ab. Eine interessante Entwicklung ist, dass HEV- oder EV-Modelle der Oberklasse nicht notwendigerweise mehr Abgase erzeugen, obwohl sie schwerer sind. So erzeugt der Volvo V40 mit einem Verbrennungsmotor viel höhere CO₂-Emissionen als der Volvo V60 Plug-in-Hybrid.

EVs schaffen neue Geschäftsmöglichkeiten

Es gibt noch einige Hindernisse zu überwinden, bevor das Elektrofahrzeug die Verbraucher weltweit so richtig überzeugen kann. Vor allem die Reichweite und die Ladezeit sind dabei entscheidend. Heutzutage sind Besitzer von Elektroautos besorgt darüber, dass sie ihr Ziel nicht erreichen oder stundenlang warten müssen, bis sich die Batterie wieder auflädt. Plug-in-Hybride und EVs mit Range Extender tragen jedoch dazu bei, diese Ängste abzubauen. In der Zwischenzeit arbeiten Hersteller aus vielen verschiedenen Bereichen intensiv daran, plausible Lösungen für diese Probleme zu finden, sodass es nur eine Frage der Zeit ist, bis diese Hindernisse überwunden sind.

Am Anfang war der Markt in Bezug auf den Toyota Prius äußerst skeptisch, aber Toyota ließ sich nicht beirren und hatte mit mehr als vier Millionen verkauften Modellen Erfolg. Heute folgen andere Automobilhersteller – darunter viele europäische – dem Beispiel von Toyota.

Elektrofahrzeuge verlangen nach mehr Sensoren

Es liegt somit auf der Hand, dass der Vormarsch der Elektrofahrzeuge nicht mehr zu stoppen ist. Das sind gute Nachrichten für die Sensorhersteller, denn die Elektrifizierung geht Hand in Hand mit dem Einsatz von deutlich mehr Sensoren. Da ein schnelles Laden der Batterie wichtig ist, wird die Kühlung ebenfalls von Bedeutung sein, um thermische Probleme zu vermeiden. Dies wird definitiv die Nachfrage nach Motortreiber-ICs erhöhen, und der Bedarf an Strom-, Positions- und Geschwindigkeitssensoren wird ebenfalls von Bedeutung sein. Der Markt für Automotive-Sensoren ist in den nächsten Jahren also auf dem besten Weg, neue Geschäftsmöglichkeiten zu schaffen!