Wie lässt sich die Reichweite von E-Autos weiter steigern?

Was bestimmt die Reichweite eines E-Autos?

Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs hängt auf den ersten Blick natürlich von der Größe bzw. der Gesamtkapazität der eingesetzten Batterie ab. Aber mindestens genauso wichtig sind der Wirkungsgrad der Energieumwandlung durch die Leistungselektronik im Antriebsstrang und das Gewicht des Fahrzeugs. Zusätzlich kann auch der Fahrer selbst sehr viel tun, um das Meiste aus seinem E-Auto herausholen, indem er seine Fahrweise anpasst und zur Verfügung gestellte Assistenzsysteme nutzt. Alles was Sie zum Thema Batterie wissen möchten, finden Sie auf dieser Schwerpunktseite. Hier geht es im Weiteren um die Erhöhung des Wirkungsgrads und der Gewichtsreduktion, um die Reichweite zu erhöhen.

Für Diejenigen, die sich nur über einen bestimmten Aspekt der Reichweite in Elektrofahrzeugen informieren möchten, haben wir hier ein Inhaltsverzeichnis, welches Sie zum entsprechenden Textabschnitt bringt.

• Was bestimmt die Reichweite eines E-Autos?
• Wie lässt sich der Wirkungsgrad im E-Auto erhöhen?
• Welche Leistungs-Halbleiter kommen im E-Auto zum Einsatz?
• Was sind Wide-Bandgap-Halbleiter und was sind ihre Vorteile?
• Warum machen Wide-Bandgap-Halbleiter das E-Auto leichter?
• Wie unterscheiden sich SiC- und GaN-Bauelemente?
• Wie können integrierte Antriebsstränge die Reichweite erhöhen?
• Was sind die Vorteile von 800 V Batteriespannung?
• Wie wird das E-Auto leichter?
• Aus Anwendersicht: Das erhöht die Reichweite eines E-Autos

Wie lässt sich der Wirkungsgrad im E-Auto erhöhen?

Ein hoher Wirkungsgrad ist das universelle Ziel in der Welt der Leistungsumwandlung. Er ermöglicht Kosten- und Energieeinsparungen, geringere Umweltbelastung, kleinere, leichtere und zuverlässigere Bauformen sowie eine bessere Funktionalität. Außerdem ist der Wirkungsgrad ausschlaggebend für die Reichweite von E-Autos. Der Wirkungsgrad betrifft hier hauptsächlich die Leistungselektronik-Systeme im Antriebsstrang.

Welche Leistungshalbleiter kommen im E-Auto zum Einsatz?

Die Leistungselektronik basiert klassisch auf Silizium-Technologie in Form von IGBTs. Bei relativ geringen Schaltfrequenzen von unter 20 kHz können IGBTs effizient sein und sie haben seit Jahren eine lange Lebensdauer bei niedrigen Kosten unter Beweis gestellt. Die Einschaltverluste und die restlichen Schaltverluste lassen sich heute mit Siliziumkarbid-Technologie (SiC) jedoch erheblich reduzieren, so dass diese zunehmend eingesetzt wird. IGBTs benötigen außerdem parallele Dioden für Motorantriebe und bidirektionale Fähigkeit, während SiC-Technologie eine integrierte Diode hat, wenn auch nicht unbedingt mit hoher Leistung.

Auf dem Markt steht eine große Vielfalt an Leistungshalbleiter-Technologien für E-Autos zur Verfügung. Es gibt zum Beispiel IGBTs, die für Antriebsumrichter optimiert sind, schnell schaltende IGBTs, Super-Junction-MOSFETs, Wide-Bandgap-Bauelemente wie Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs und Galliumnitrid-HEMT-Technologien (GaN).

Sowohl bei IGBTs, aber vor allem bei SiC-Bauelementen konzentrieren sich derzeit viele Hersteller neben diskreten Komponenten auch auf die Entwicklung von Leistungsmodulen speziell für den Wechselrichter in Elektrofahrzeugen.

Besonders hoch performante Fahrzeuge mit mehreren 100 kW Antriebsleistung sind bevorzugt mit zwei Wechselrichtern ausgestattet. Zum Beispiel wird ein Umrichter mit SiC-MOSFET versetzt. Dieser sorgt für eine effiziente Fahrleistung, während ein zweiter Umrichter, basierend auf IGBT Technologie, bei starken Beschleunigungen unterstützt. Gate-Treiber, die in den Umrichter eines E-Autos zur Anwendung kommen, sollten also beides treiben können: IGBTs und SiC-MOSFETs.

Was sind Wide-Bandgap-Halbleiter und was sind ihre Vorteile?

Leistungs-Bausteine, die mit Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (Wide Bandgap, WBG) wie etwa Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) hergestellt werden, zeichnen sich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften bei vergleichbarem Einschaltwiderstand und ähnlicher Durchbruchspannung durch eine erheblich niedrigere Kapazität aus. Höhere kritische elektrische Durchbruchfeldstärken (bei GaN zehnmal so hoch wie bei Silizium) und die höhere Elektronenbeweglichkeit (bei GaN über 33 Prozent höher als bei Si) ermöglichen effektiv sowohl einen niedrigeren Einschaltwiderstand als auch eine geringere Kapazität. Infolgedessen sind GaN- und SiC-FETs prinzipbedingt in der Lage, bei geringeren Verlusten, als sie bei Silizium auftreten, mit höheren Schaltgeschwindigkeiten zu arbeiten. Auch können vor allem SiC-Bauelemente bei deutlich höheren Temperaturen als Si-Bauelemente arbeiten. SiC-MOSFETs ausgelegt für die Spannungsklasse 1700 V sind derzeit auf dem Vormarsch und bieten Entwicklern ganz neue Möglichkeiten. Letztlich öffnen Sie die Tür für die Energiewandlung im Megawatt-Bereich. SiC-MOSFETs sind deutlich weniger anfällig für thermisches Durchgehen. Es ist jedoch wichtig festzustellen, wie sich Umgebungsfaktoren wie z. B. Temperaturschwankungen, auf das elektrische Verhalten (z. B. die Schwellenspannung) der MOSFETs auswirken. Dazu gibt es Prüfvorschriften wie z. B. die in der Norm JEDEC JEP183 beschriebene Methode.

Aber auch Bauelemente auf Galliumnitrid-Basis finden zunehmend ihren Weg ins E-Auto. Mit GaN-FETs mit 650 V Nennspannung lassen sich Anwendungen bis 10 kW realisieren. Bei Parallelschaltung im On-Board-Charger (OBC) in Elektrofahrzeugen sind auch Leistungen bis 22 kW möglich.

Warum machen Wide-Bandgap-Halbleiter das E-Auto leichter?

Dadurch, dass z.B. SiC-Bauelemente bei sehr hohen Frequenzen und hohen Temperaturen einsetzbar sind, können passive Bauelemente wie Kondensatoren und Spulen im Inverter-Design deutlich kleiner ausfallen und der Aufwand für die Kühlung der Leistungselektronik sinkt. Die Leistungselektronik wird dadurch kleiner und leichter, was zusätzlich zum hohen Wirkungsgrad die Reichweite des E-Autos erhöht. Der Umstieg auf Siliziumkarbid verspricht dreimal kleinere Wechselrichter bei 800 V/250 kW sowie bei den zugehörigen Zwischenkreis-Folienkondensatoren zusätzliche Einsparungen bei Baugröße und Kosten.

Auch die Automobilindustrie bereitet sich auf SiC vor. Die gemeinsame SiC-Fertigung von ZF und Wolfspeed ist nur ein Beispiel dafür. Auch hatten Infineon und Stellantis eine Absichtserklärung über die Lieferung von Siliziumkarbid-Halbleitern für Elektrofahrzeuge unterzeichnet, mit der sie sich sich auf die steigende Nachfrage der Branche vorbereiten. Zudem sicherte sich nach Jaguar auch BorgWarner Siliziumkarbid-Halbleiter von Wolfspeed. Für 500 Millionen US-Dollar ist BorgWarner berechtigt, „jährlich Bauelemente im Wert von bis zu 650 Millionen US-Dollar abzunehmen“.

Wie unterscheiden sich SiC- und GaN-Bauelemente?

Besonders GaN- und SiC-Bauelemente konkurrieren mit den bewährten Si-Leistungs-LDMOS-MOSFETs und den Super-Junction-MOSFETs. GaN und SiC sind sich in mancher Hinsicht ähnlich, weisen aber auch erhebliche Unterschiede auf.

SiC-MOSFETs sind, wie alle anderen MOSFETs auch, unipolare Bauelemente. Das bedeutet, dass nur Majoritätsladungsträger zur Leitung beitragen und Effekte wie der Tail Current beim IGBT fehlen. Infolgedessen kann das Bauelement geringere Schaltverluste als IGBTs aufweisen. Die ohmsche Vorwärtscharakteristik des MOSFET führt zu einer anderen Durchlassverlustkurve im Vergleich zu einem IGBT. Insbesondere im Teillastbereich weisen SiC-MOSFETs somit geringere Verluste auf.

GaN-Technologie ermöglicht laterale Bauelemente im Enhancement Mode (normally-off), die durch epitaktisches Aufwachsen von GaN- und AlGaN-Schichten auf einem Si-Wafer hergestellt werden. Der Durchlass zwischen Drain und Source ist auf das zweidimensionale Elektronengas (2DEG) zurückzuführen, das sich an der Heterojunction zwischen den GaN- und AlGaN-Schichten bildet. Minoritätsladungsträger tragen nicht zum Durchlass bei, CoolGaN-HEMTs haben daher keine Sperrverzögerungsladungsträger. Außerdem weisen sie eine niedrige Gate- und Ausgangsladung auf, so dass sie für Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz sehr attraktiv sind.

Wie können integrierte Antriebsstränge die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen?

Aktuelle Elektrofahrzeug- und Hybridmodelle mit deutlich gesteigertem Aktionsradius haben die Gemeinsamkeit, dass ihre Antriebsstrang-Plattform von Anfang an für höhere Reichweiten ausgelegt ist – beispielsweise durch eine höhere Batteriespannung, die wiederum die Verwendung leistungsstärkerer Motoren ermöglicht. Leistung und Abmessungen des Antriebsstrangs entscheiden über die Leistungsfähigkeit eines HEV oder EV. Das Verhältnis zwischen Leistung und Gesamtabmessungen, also die Leistungsdichte, stellt im Bereich des Power-Managements eine wichtige Kennzahl dar, die es zu maximieren gilt. Im Bereich der Antriebsstrang-Systeme arbeitet die EV-Industrie mithilfe zunehmender Integration darauf hin, möglichst viel Leistung in möglichst geringem Volumen unterzubringen, wobei sich das geringe Volumen sowohl auf die Leiterplatten als auch auf das Gehäusematerial bezieht.

Was sind die Vorteile von 800 V Batteriespannung?

Die Batteriespannung heutiger EVs beträgt typisch etwa 400 V, aber für mehr Leistung ist besonders in Fahrzeugen der Oberklasse eine Erhöhung auf 800 V erforderlich, denn eine höhere Spannung sorgt für mehr Leistung bei gleicher Stromstärke. Niedrigere Ströme wiederum senken die Wärmeentwicklung und erlauben die Verwendung von kleineren Kabelquerschnitten, was das Gewicht der Kabel senkt.

Die Erhöhung des Spannungslevels auf 800 V bietet dem Nutzer eine Reihe von Vorteilen wie schnelleres Laden oder ein geringeres Gewicht und Volumen bei höherer Effizienz, Komfort und Leistung.

Auch die Leistungselektronik stellt sich auf höhere Bordnetzspannungen ein. So gibt es bereits erste SiC-Bauelemente, die anstatt der klassischen Staffelung 650 V und 1200 V eine Zwischenstufe von 750 V haben.

Wie wird das E-Auto leichter?

Neben der Senkung des Gewichts der elektronischen Komponenten im E-Fahrzeug durch Wide-Bandgap-Halbleiter oder höhere Spannungslevel wie z. B. 800 V können Leichtbaukonzepte maßgeblich dazu beitragen, das Gewicht von E-Autos zu senken und damit ihre Reichweite zu erhöhen. Hier kommt es immer darauf an, die richtige Balance zwischen Gewicht und Sicherheit zu finden. Auch die leistungselektronischen Steuergeräte in Elektromobilitätsanwendungen können zur Gewichtsreduktion beitragen. Sie lassen sich kleiner und leichter gestalten, indem z. B. Digital Signal Controller im Leistungs-Schaltnetzteil zum Einsatz kommen. Sie ermöglichen die Realisierung präziser Regelkreise, die die notwendige schnelle digitale Verarbeitung bei hohen Frequenzen überwachen.

Bei der Konstruktion von Karosserie und Struktur heutiger Fahrzeuge geht es in erster Linie darum, die Sicherheit von Fahrer und Mitfahrenden zu gewährleisten und dennoch möglichst leicht zu bauen. Für Elektrofahrzeuge ist dies besonders wichtig, denn jedes Gramm weniger trägt zu einer höheren Reichweite bei – und dies ist das entscheidende Kriterium, damit sich die neue Mobilität auch auf dem Markt durchsetzt. Stahl – noch immer der wichtigste Werkstoff im Automobilbau – kommt hier schnell an seine Grenzen. Aluminiumlegierungen können Stahl an vielen Stellen ersetzen und Aluminium ist ein entscheidender Werkstoff für die Elektromobilität.

Auch bei der Batterie lässt sich gewichtstechnisch sehr viel mit Leichtbau-Konzepten erreichen. Mit speziellen Extrusionsprofilen aus Aluminium lassen sich beispielsweise leichte, aber crash-sichere Batteriegehäuse herstellen. Gerade beim Batteriedeckel, der die Batterie vor Umwelteinflüssen schützt und auch dafür sorgt, dass ein eventuell auftretendes Feuer in der Batterie nicht zu schnell nach außen dringt, können Leichtbau-Materialien zum Einsatz kommen. Um noch mehr auf Sicherheit zu setzen, lassen sich diese Materialien durch Plasmabehandlungen konditionieren. Damit lassen sich normalerweise schlecht verbindbare Oberflächen zusammenbringen.

Erhebungen des EcoG CRI zeigen, dass die Nutzerinteraktion in der Elektromobilitätsbranche ein bedeutender Indikator für die Zufriedenheit der Kunden ist. Jedoch erreichen trotz Investitionen in neue Technologien einige Modelle nicht die gewünschte Qualität. Nicht jeder Ladevorgang führt eben zu einem Erfolg – also geladener Reichweite. Das Risiko, dass das Laden fehlschlägt, schürt natürlich die Reichweitenangst. Mit dem Charging Reliability Index (EcoG CRI) soll gezeigt werden, an welchen Stellschrauben bei der Umsetzung der Ladeschnittstelle am Fahrzeug Verbesserungen durchgeführt werden müssen, um die Verlässlichkeit von Ladevorgängen zu steigern.

Der Index ist das Ergebnis umfangreicher Tests zur Verlässlichkeit von Elektrofahrzeugen beim Laden. In bisherigen Tests wurde vor allem die Geschwindigkeit der Ladung als Bewertungskriterium genutzt. Der EcoG CRI hingegen betrachtet die Zuverlässigkeit der Ladeschnittstelle am Fahrzeug. Um den Index zu erstellen, wurden 13 verschiedene Tests durchgeführt, die die Zuverlässigkeit der Ladeschnittstelle am Fahrzeug bewerten. In den drei Kategorien 1) Ladebeginn, 2) Ladevorgang und 3) Benutzerkommunikation und Fehlervermeidung wurden die Ladeschnittstellen der elektrischen Fahrzeuge auf Herz und Nieren geprüft.