Transparentes E-Auto steht an einer Ladesäule

In unserem 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 finden Sie das gesamte Spektrum und die Trendthemen der Elektromobilität: von Einzelkomponenten über Systeme bis hin zur Anbindung an Smart Grid und Smart City. (Bild: Herr_Loeffler – Adobe Stock)

Elektromobilität gilt als Schlüssel für klimafreundliche Mobilität von Menschen und auch für den Transport von Gütern. Doch welche Technologien stecken in E-Auto, Batterie und Ladesäule, wohin entwickelt sich die Branche und ist E-Mobility sicher?

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

Wie entwickelt sich der Markt für Elektrofahrzeuge? (Stand April 2022)

Derzeit konzentrieren sich Automobilhersteller auf die Fahrzeugelektrifizierung als sehr effektive Möglichkeit zur Reduktion der CO2-Emissionen der Fahrzeugflotte und zur Vermeidung von kostspieligen Strafen. Es haben Fahrzeugmodelle mit unterschiedlichen Elektrifizierungsebenen den Markt erobert: von Mildhybrid-Elektrofahrzeugen (MHEV) über Vollhybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) bis hin zu vollkommen emissionsfreien batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV)

In der Vergangenheit wurde erwartet, dass der Übergang zu vollelektrischen Fahrzeugen eher langsam und schrittweise erfolgen würde, vor allem aufgrund der hohen Kosten für die Batterie und der eher kurzen Reichweite von Elektrofahrzeugen. Durch die rasch voranschreitende Optimierung der Batterietechnologie, die sinkenden Fertigungskosten für die Batterie, die Konsolidierung der Lieferkette und zahlreiche andere Faktoren wird nun eine beschleunigte Bereitstellung von Elektrofahrzeugen beobachtet.

Der EV / HEV-Markt wird im Jahr 2026 wohl 41 Millionen Fahrzeuge überschreiten und eine CAGR2019-2026 (Compound Annual Growth Rate, durchschnittliches Marktwachstum) von 35 Prozent erzielen. Warum gerade batteriebetriebene Elektrofahrzeuge? Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge stellen bereits einen relativ großen und rasch wachsenden Markt dar und BEV werden als ultimativer Endpunkt für die Elektrifizierung von Fahrzeugen angesehen.

Aus welchen Komponenten besteht ein E-Auto?

Ein Elektrofahrzeug besteht hauptsächlich aus der Batterie inklusive Batteriemanagement, dem Elektromotor, der Leistungselektronik (Inverter / Umrichter) und dem Temperaturmanagement (Kühlung). Umfangreiche Informationen zum Thema Batterie und Sicherheit erhalten Sie auf dieser Schwerpunktseite.

Elektromotoren sind sehr zuverlässig, verschleißarm, sie vibrieren nicht und sind daher nahezu geräuschlos. Aufgrund dieser Geräuschlosigkeit ist es auch gesetzlich vorgeschrieben, dass unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit ein E-Auto ein Geräusch abgeben muss, damit es von anderen Verkehrsteilnehmern gehört wird. Anders als beim Verbrennungsmotor steht beim Elektromotor das gesamte Drehmoment sofort zur Verfügung. Elektromotoren werden auch heute noch laufend weiterentwickelt, denn sie müssen hohen Anforderungen entsprechen. Bauliche Verkleinerung, höhere Leistungsabgabe, mehr Zuverlässigkeit und Beständigkeit unter rauen Bedingungen sind hier gefragt. Entwickler können Simulationswerkzeuge benutzen, um Motordesigns weiterzuentwickeln. Hinsichtlich der Beständigkeit unter rauen Einsatzbedingungen gibt es auch die Möglichkeit, den Motor mit Gießharzen sowohl mechanisch als auch thermisch zu schützen. Da gerade in E-Autos nur begrenzt Platz vorhanden ist und beim Gewicht jedes Gramm zählt, stellt sich für Entwickler auch die Frage, ob sich die 12-V-Batterie nicht ersetzen lässt. Eine Lösung könnte eine modulare Stromversorgung sein.

Bild einer Motorsimulation
Bild einer Motorsimulation mit der sich z.B. die magnetische Flussdichteverteilung in einem Permanentmagnet-Motor simulieren lässt. (Bild: Comsol)

Wie funktioniert die Kühlung bei einem Elektromotor?

Hochleistungs-Elektromotoren benötigen auch eine entsprechende Wärmeabführung. Bewährte Maschinenkonzepte der Elektromobilität setzen in der Regel auf einen außenliegenden, wasserdurchströmten Kühlmantel. Eine Hülse mit Kühlkanälen umgibt den Stator des Elektromotors. Neuere Maschinenkonzepte setzen zur Lösung dieser Problemstellung weiterentwickelte Kühlkonzepte ein, wie z. B. die Schleuder- und Spraykühlung. Mahle hat kürzlich einen E-Motor mit integrierte Ölkühlung angekündigt, die gleichzeitig die Nutzung der entstehenden Abwärme im Gesamtsystem des Fahrzeugs ermöglichen soll. Die Kühltechnologie Capcooltech von Dynamic E Flow geht einen ganz anderen Weg und kühlt den Elektromotor über hohle elektrische Leiter. Sie zeichnet sich durch eine sehr schnelle thermische Reaktion aus. In einigen industriellen Branchen steht die Technologie kurz vor der Serienreife und macht nun auch einen ersten Schritt in Richtung Elektromobilität.

Welche Hybrid-Typen bei Elektrofahrzeugen gibt es?

Die Automobilindustrie kann für die Umsetzung von Hybridanwendungen, seien es Mild-, Plug-in- oder Vollhybride, auf unterschiedliche Lösungen für den Antriebsstrang zurückgreifen. Von der P0-Architektur über P1, P2, P3 und P4 bis hin zu PS (Powersplit) stehen verschiedene Anordnungsvarianten zur Auswahl. Diese unterscheiden sich vornehmlich durch die Positionierung des Elektromotors innerhalb der Antriebsstrangarchitektur: Bei P0 ist dieser direkt mit dem Verbrenner verbunden, bei P1 am Motorausgang vor dem Getriebe montiert. In der P2-Konfiguration befindet er sich am Getriebeeingang, in P3 am Getriebeausgang. Bei der P4-Anordnung sorgen Elektro- und Verbrennungsmotor für den Antrieb unterschiedlicher Achsen, und bei PS ist der Motorgenerator ins Getriebe integriert.

Die P2-Konfiguration, mit Elektromotor zwischen Getriebe und Verbrennungsmotor, erlaubt die Entkopplung des Verbrenners durch eine Trennkupplung und macht dadurch rein elektrisches Fahren möglich. Diese Lösung, die sich für verschiedene Getriebearten, insbesondere auch für Schaltgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe, eignet, gehört zur Zeit zu den präferierten Architekturen in der Automobilindustrie.

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Was macht der Inverter im E-Auto?

Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge wurden zum Hauptantrieb für Innovationen im Bereich der Leistungselektronikbranche, wobei der Fokus deutlich auf Invertern (Antriebsumrichtern) für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge liegt.

Warum der Antriebsumrichter? Der Antriebsumrichter, die Batterie und der Elektromotor sind beim Vergleich der Technologieleistung von Fahrzeugen unterschiedlicher Anbieter die drei wichtigsten Unterscheidungsmerkmale. Eine höhere Effizienz des Umrichters führt zu weniger Energieverlust auf dem Weg von der Batterie zum Motor und ermöglicht eine höhere Reichweite. Die Merkmale des Umrichters wirken sich auch direkt auf die Fahrzeugleistung und das Fahrerlebnis aus. Um die Leistungselektronik und die Funktionen des E-Autos noch weiter zu verbessern, sind zunehmend auch leistungsfähige Mikrocontroller gefragt. Diese erfüllen die hohen Ansprüche der digitalen Leistungsregelungs-Anwendungen im Fahrzeug.

Typische Leistungsumwandlungselemente bei Elektrofahrzeugen
Typische Leistungsumwandlungselemente bei Elektrofahrzeugen (Bild: UnitedSiC (Qorvo)/afdx.energy.gov)

Aus elektrischer Sicht sitzt der Inverter zwischen der Fahrzeugbatterie und der elektrischen Antriebsmaschine und wandelt die Gleichspannung der Batterie bedarfsgerecht in Wechselspannung für die Antriebsmaschine um. Der Energiefluss und die erforderliche Spannungswandlung erfolgen in beide Richtungen, je nach Anforderung des Fahrers nach Beschleunigung, also dem Energiefluss von der Batterie zur Antriebsmaschine, oder der Zurückgewinnung, dem Energiefluss von der Antriebsmaschine zurück zur Batterie.

Das führt dazu, dass die Verluste des Umrichters beim Verbrauch von zurückgewonnener Energie mehrfach anfallen. Umso mehr ist die Optimierung des Wirkungsgrads der verwendeten Leistungshalbleiter ein wichtiger Hebel, um den Energiebedarf im Antrieb zu senken und die Energieeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern. Im ersten Schritt muss dabei der Umrichter auf die gewünschte Fahrzeugleistung ausgelegt werden.

Wie bekommt das E-Auto noch mehr Leistung und Reichweite?

Die Reichweite eines E-Autos hängt von der Kapazität der Batterie, dem Gewicht des Fahrzeugs und dem Wirkungsgrad des Antriebsstrangs ab. Ein hoher Wirkungsgrad sorgt dafür, dass die elektrischen Systeme so wenig Energieverluste wie möglich erzeugen. Der Themenschwerpunkt Reichweite liefert alle Hintergründe zu den Technologien hinter Wirkungsgrad und Gewicht. Umfangreiche Informationen zum Thema Batterie und Sicherheit erhalten Sie auf dieser Schwerpunktseite.

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

Explosionsdarstellung einer vollständig integrierten E-Achse. Sie vereint Leistungselektronik, Getriebe und Motor.
Explosionsdarstellung einer vollständig integrierten E-Achse. Sie vereint Leistungselektronik, Getriebe und Motor. (Bild: BorgWarner)

Wie werden E-Autos in der Entwicklung getestet?

In der Antriebsstrangentwicklung lassen sich Komponenten wie der Elektromotor mittels entsprechender Prüfstände testen und kalibrieren. In einem Standard-Prüfstand sind jedoch nur stationäre Tests und eine Kalibrierung mit geringem Reifegrad durchführbar. Eine Verbesserung des Reifegrades kann durch die Kopplung des Prüfstandes mit einer Fahrzeugsimulation erfolgen. Der so gewonnene eingebettete Prüfstand (X in the Loop) ermöglicht nicht nur eine Vorverlagerung von Tests und Kalibrierungsschritten, sondern den Entwurf von völlig neuen Antriebskonzepten. So ist es zum Beispiel möglich, einen Elektromotor in unterschiedlichen Topologien (P1 – P4) innerhalb einer dynamischen und seriennahen Umgebung zu testen. Abhängig von der zu testenden Funktion ist jedoch eine höhere Dynamik des Prüfstandes erforderlich.

Speziell die Leistungselektronik im E-Auto lässt sich auch entkoppelt vom Motor testen. Mit Power-HIL vergrößert sich die Testtiefe der Leistungselektronik, da reale Spannungen und Ströme zum Einsatz kommen. Gleichzeitig bleibt der übrige Teil des Antriebssystems, insbesondere der Motor, rein virtuell und erlaubt ein hohes Maß an Flexibilität. Ein Power-HIL hat also keine drehenden Teile und bietet im Leistungsbereich von wenigen Kilowatt bis zu einigen Megawatt sehr gute Bedingungen für den Test der Leistungselektronik

E-Mobility: Reichweite

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(Bild: Adobe Stock 204728350, Hüthig)

Wie lässt sich die Reichweite eines E-Autos erhöhen? Höherer Wirkungsgrad durch die richtigen Halbleiter, geringeres Gewicht durch Leichtbau und intelligente Fahrweise sorgen für mehr Reichweite. Welche Technologien dahinter stecken, erfahren Sie hier.

Wie hängen E-Auto und Stromnetz zusammen?

2020 wurden in Deutschland rund 200.000 reine Elektroautos zugelassen. Zusammen mit Plug-in-Hybriden waren es rund 400.000 elektrisch angetriebene Fahrzeuge, die eine Lademöglichkeit benötigen – eine große Herausforderung auch für die Energienetze. Denn Energie muss jederzeit verfügbar sein und ihre Erzeugung soll gleichzeitig nachhaltig geschehen. Förderprogramme der KfW setzen für die Förderung privater Ladeinfrastruktur die Nutzung von Ökostrom aus regenerativen Quellen voraus. Diese können den Bedarf jedoch nicht ohne intelligente Speicher decken. Umfangreiche Informationen zum Thema Laden erhalten Sie auf dieser Schwerpunktseite.

ACDC-Wandlung, wenn ein E-Auto ans Energienetz angeschlossen wird.
ACDC-Wandlung, wenn ein E-Auto ans Energienetz angeschlossen wird. (Bild: dSPACE)

Bei dieser Transformation geht es also nicht darum, zwei Industrien getrennt voneinander in Richtung Klimafreundlichkeit zu optimieren, sondern ein aufeinander abgestimmtes Lösungskonzept zu entwickeln. Zur Schnittstelle wird dabei die Ladesäule, denn sie kommuniziert sowohl mit den Energielieferanten als auch mit dem Fahrzeug. Heute ist der Energietransfer klar in Richtung Fahrzeug gerichtet. Künftig werden Elektrofahrzeuge vermehrt durch bidirektionales Laden auch Strom zurückspeisen.

E-Mobility: Laden

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(Bild: AdobeStock_39293318)

Wo und wie lässt sich ein E-Auto aufladen? Welche Leistungselektronik steck in einer Ladesäule? Wie wird die Ladesäule intelligent? Halbleiter, Hochvolt-Komponenten, Stecker, Kabel, Wallboxen, Kommunikation, Infrastruktur, Standards, Services und mehr. Die Technologien dahinter finden Sie hier.

Brauchen E-Autos ein spezielles Betriebssystem?

Der Übergang auf Elektrofahrzeuge stellt immer höhere Anforderungen an die elektrische Infrastruktur von Fahrzeugen. Mit der zunehmenden Zentralisierung und dem Zusammenlegen von Funktionen, die von einzelnen Steuergeräten (ECUs) übernommen wurden, werden Multi-/Manycore-CPUs eingesetzt, um eine ausgewogene Mischung aus niedrigem Stromverbrauch, High-Performance-Computing und Energieeffizienz zu erzielen. Die Herausforderung ist, dass diese Aspekte von herkömmlichen Betriebssystemen nicht mehr optimal bedient werden und Entwickler die Bedeutung der Auswahl des richtigen Betriebssystems erkennen müssen. Sie sollten ein Multikernel RTOS in Betracht ziehen, wenn sie die volle Multi-/Manycore-Leistung in den Fahrzeugen von morgen ausschöpfen wollen.

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)

Alles was Entwickler wissen müssen: Von Halbleiter bis E-Achse, von Batterie bis Laden, von Materialien über Leichtbau bis Test. Für Newcomer in der E-Mobilität und Unternehmen der klassischen Automobilbranche. Das alles finden Sie in der Emobility tec kurz emt. Hier geht es zum E-Paper-Archiv der emt oder abonnieren Sie die eine Ausgabe kostenlos.

Haben E-Autos ein besonderes Kommunikations-Netzwerk?

Elektrische Fahrzeuge benötigen eine Hardware- und Softwarearchitektur, die zukunftssicher ist und sich an neue Anforderungen anpassen lässt. Doch wie sieht die Umsetzung aus? Mithilfe eines Kommunikations-Frameworks einfacher als gedacht.

Auf dem Markt besteht der Trend, die Anzahl der Steuergeräte zu verringern und zonale Controller sowie Zentraleinheiten hinzuzufügen. In vielen derzeitigen Entwicklungen ist die Software jedoch stark an diese spezifischen Steuergeräte sowie an den Datenaustausch auf lokaler Hardware und proprietären Stacks gekoppelt. Erwartungsgemäß kann die Umstellung auf einen anderen Ansatz einen enormen Aufwand bedeuten, sofern keine sorgfältige Auswahl der Software erfolgt.

Für einen Datenaustausch in einem elektrischen Fahrzeugsystem reicht die gemeinsame Nutzung von Datenschnittstellen nicht aus, denn unterschiedliche Daten besitzen unterschiedliche Anforderungen an Zuverlässigkeit, Latenz und vieles mehr.

Welche Relevanz hat die Signalisolation im E-Auto?

In Hybrid-und Elektrofahrzeugen können zwei Spannungsebenen existieren. Diese liegen zwischen 48 V bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb und deutlich höheren Werten von 400 V bis 800 V bei rein elektrischen Fahrzeugen. Die Existenz mehrerer verschiedener Spannungen verlangt nach einer Signal-Isolation, um die Niedervolt-Schaltungen vor den hohen Spannungen zu schützen. Selbst wenn die Spannung weniger als 400 V oder 800 V beträgt, lassen sich doch mehrere Gründe anführen, weshalb die Isolation auch in Hybridfahrzeugen mit 48 V wichtig ist. Unter anderem geht es um die Störbeständigkeit und den Fehlerschutz. Beim Einsatz von Wide-Bandgap-Bauelementen, z.B. SiC-Schaltern, können steile Flanken entstehen, die die Datenübertragung über die Isolationsbarriere beeinträchtigen. Deshalb ist es wichtig, die Empfindlichkeit des Systems gegen diese Flanken messtechnisch zu erfassen und zu verstehen. Übertrager mit einer dicken Polyimid-Isolierschicht bieten eine gute Impulsfestigkeit.

Ist das E-Auto für Rauschen besonders anfällig?

Der Fluss elektrischer Energie zwischen den Steuergeräten im E-Auto verursacht Rauschen, das viele Bereiche des Fahrzeugs beeinträchtigt. Optisch verbunden unterbindet die galvanische Trennung das Rauschen.

Das Steuern aller am elektrischen Antriebsstrang beteiligten Teilsysteme erfordert einen Kommunikationsbus, der die Steuer-, Aktivierungs- und Sensorsignale zwischen den verschiedenen Komponenten überträgt. Der Kommunikationsbus muss immun gegen elektromagnetisches Rauschen sein.

Gleichzeitig muss er den Anforderungen an die Mechanik, Temperatur, Zuverlässigkeit und das Gewicht des Gesamtfahrzeugs entsprechen. Am besten erfüllt eine Optik-basierte Kommunikationstechnologie diese Voraussetzungen. 1000-BASE-RH ist die Ethernet-Spezifikation für das Gigabit-fähige Kommunikationsprotokoll, das auf optischer Polymerfaser (Plastic Optical Fiber, POF) basiert. Das Protokoll eignet sich gut für die neuen Architekturen, da es inhärent elektromagnetisch verträglich (EMV) ist. Rein elektrische und Hybrid-Antriebsstränge profitieren von der natürlichen galvanischen Trennung zwischen den kommunizierenden Modulen und dem strahlungsfreien Kabelbaum. Das Thema EMV ist zudem auch besonders wichtig, wenn es um die Typenzulassung (Homologation) von Hochvolt-Komponenten und ganzen E-Autos geht.

Welche speziellen Schutzkomponenten gibt es für Elektrofahrzeuge

Um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen zu meistern, können Entwickler auf eine Reihe von für den Automobilbereich qualifizierten und zertifizierten Schaltungsschutz-, Highspeed-Kommunikations- und Stromversorgungslösungen zurückgreifen. Zu diesen Lösungen gehören zum Beispiel qualifizierte Sicherungen für die Automobilindustrie in den Konfigurationen Patrone, Leiterplattenmontage (Durchsteck- und Oberflächenmontage) und Schraubmontage, die für Stromversorgungssysteme und Subsysteme optimiert sind. Auch Sicherungen für Hilfsanwendungen und Zubehör wie Radarsysteme zur Fahrerunterstützung, Bremspumpenmotoren, tragbare Ladegeräte, Batteriesysteme, Infotainment, Kameras, programmierbare Beleuchtung und Servolenkung zählen dazu. Darüber hinaus sind für bestimmte Anwendungen Sicherungen mit hohem Einschaltstrom, mit schneller und langsamer Auslösung sowie rücksetzbare Polymersicherungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) erforderlich.

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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