Tacho und Energieanzeige eines E-Autos

Elektromobilität wird nur dann breite Akzeptanz erfahren, wenn die Fahrzeuge eine ausreichende Reichweite bieten können. Doch wovon hängt die Reichweite eines E-Autos ab? Hier erfahren Sie alles über aufkommende und weiterentwickelte Technologien zur Erhöhung der Reichweite: von Wirkungsgrad über Halbleiter bis Gewichtsreduzierung durch Leichtbau. (Bild: Adobe Stock – fotohansel)

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.

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.

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.

Welche Leistungs-Halbleiter 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).

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.

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.

Leistungshalbleiter-Technologien im Vergleich, das Bild zeigt, in welchem Frequenz- und Leistungsbereich die unterschiedlichen Technologien zum Einsatz kommen.
Leistungshalbleiter-Technologien im Vergleich, das Bild zeigt, in welchem Frequenz- und Leistungsbereich die unterschiedlichen Technologien zum Einsatz kommen. (Bild: Texas Instruments)

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.

Emobility tec – die Zeitschrift rund um Systeme, Komponenten und Technologien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Transparentes E-Auto mit Blick auf die Batterie über dem Logo der Fachzeitschrift E-Mobility-tec
(Bild: Hüthig)

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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.

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

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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.

E-Mobility: Laden

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(Bild: AdobeStock_39293318)

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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.  

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.

Batteriegehäuse in Leichtbauweise
So könnte ein Batteriegehäuse in Leichtbauweise aussehen, hier wurde auf spezielle Aluminiumlegierungen gesetzt. (Bild: Constellium)

Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner

Die Autorin: Dr. Nicole Ahner
(Bild: Hüthig)

Ihre Begeisterung für Hardcore-Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen auch über elektronische Bauelemente. Ihr besonders Fables gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien und Wasserstoff-Technologien und Materialentwicklung.

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