Elektromobilität

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Mit 80 – 90 Millionen verkauften Autos pro Jahr ist der Automobilsektor der größte Verkehrssektor. Damit trägt der weltweite Fuhrparkt von etwa 1,1 Milliarden Autos mit am meisten zu den Emissionen im Verkehr bei, was den Sektor zu einem natürlichen Brennpunkt für umweltpolitische Entscheidungsträger macht.

Erste Elektroauto-Projekte entstanden bereits vor hundert Jahren, durchgesetzt haben sich allerdings Verbrenner. Erst seit 2011 hat sich der Markt für Elektroautos so entwickelt, wie er heute bekannt ist. Die Analysten von IDTechEx prognostizieren dem Markt auch weiterhin hohes Wachstum und erwarten das Elektroautos in 20 Jahren rund 76 Prozent aller Umsätze im Bereich E-Transport. Aufgrund ihrer Größe bieten die Automobilmärkte die größten Chancen für die Akteure in der Lieferkette für Elektrofahrzeuge, von fortschrittlichen Materialien bis hin zu Batteriepacks, Leistungselektronik und Elektromotoren. Darüber hinaus treiben sie das rasante Innovationstempo voran, das die Elektrifizierung in anderen Verkehrssektoren ermöglicht, sei es bei der Technologie, der Regulierung oder den Geschäftsmodellen.

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.

1. Fortschrittliche Li-Ionen-Batteriezellen und –packs in der Elektromobilität

EV Electric Car ELektromobilität Lithium-Batterie
(Bild: Sergii @ AdobeStock)

Li-Ionen-Batterien auf der Basis von Graphitanoden und Schichtoxidkathoden (NMC, NCA) dominieren mittlerweile große Teile des Marktes für Elektrofahrzeuge. Allerdings stoßen diese allmählich an ihre Leistungsgrenzen. Zudem zeigen sich zunehmend Umwelt- und Versorgungsrisiken. Aus diesen Gründen steigt der Stellenwert von Verbesserungen und Alternativen zu Li-Ionen-Batterien.

Heutige Li-Ion-Batterien umfassen Silizium- und Li-Metall-Anoden, Festkörper-Elektrolyte, Hoch-Ni-Kathoden sowie verschiedene Faktoren der Zellkonstruktion. In Anbetracht der Bedeutung des Marktes für Elektrofahrzeuge wird die Li-Ionen-Technologie seine dominierende Stellung behalten. Allerdings sind schrittweise Verbesserungen bei Kathoden, Anoden, Zelldesign und Energiedichte entscheidend. Die Analysten von IDTechEx gehen davon aus, dass Batteriezellen mit bis zu 400 Wh pro kg bis 2030 auf den Mainstream-Märkten zu finden sein werden.

Innovation findet auch auf der Ebene des Akkus statt. Für den Zusammenbau eines Batteriepacks werden verschiedene Materialien benötigt, darunter Materialien für thermische Schnittstellen, Klebstoffe, Dichtungen, Imprägnierungen, Vergussmaterialien, Füllstoffe und mehr. Es gibt einen allgemeinen Trend zu größeren Zellformfaktoren und nicht-modularen Zell-zu-Pack-Batteriedesigns, wodurch die Anzahl der Verbindungen, Stromschienen und Kabel zwischen Zellen und Modulen reduziert wird.

2. Performancesteigerungen in der Leistungselektronik

Power Train Leistungselektronik
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In der Kfz-Leistungselektronik (Wechselrichter, Ladegeräte, Gleichspannungswandler) werden wichtige Fortschritte gemacht, um den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs zu verbessern, was entweder eine Verringerung der Batteriekapazität oder eine größere Reichweite ermöglicht. Einer der wichtigsten Wege zu mehr Effizienz ist der Übergang zu Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) und Hochspannungsplattformen mit 800 V oder mehr. Renault, BYD, GM, Hyundai und andere haben 800-V-Fahrzeugplattformen angekündigt, die bis 2025 Siliziumkarbid-MOSFETs in ihrer Leistungselektronik einsetzen werden.

Allerdings bringt dieser Umstieg neue Herausforderungen an die Gehäusematerialien von Leistungsmodulen mit sich, da höhere Schaltfrequenzen und höhere Leistungsdichten entstehen, entwickeln sich auch höhere Betriebstemperaturen. Bis 2030 soll der Marktanteil von 800-V-Plattformen und SiC-Wechselrichter auf mindestens 10 % des Marktes ansteigen, prognostiziert IDTechEx. Da die Leistungsdichte von Halbleiterchips exponentiell zunimmt, werden neue doppelseitige Kühlungsdesigns, Kupferdrahtverbindungen und Leadframes diesen Trend ermöglichen.

3. Elektrische Motoren für die Elektromobilität optimieren

Elektromotor ELektromobilität
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Die Märkte für Elektromotoren entwickeln sich auch heute noch weiter. So entstehen etwa neue Designs, die die Leistungs- und Drehmomentdichte verbessern, außerdem nehmen die Überlegungen zu den verwendeten Materialien zu. Dabei handelt es sich nicht nur um schrittweise Verbesserungen, sondern auch um Entwicklungen wie Axialflussmotoren und den vollständigen Verzicht verschiedener OEMs auf Seltene Erden.

Es gibt mehrere wichtige Leistungskennzahlen für Elektromotoren. Die Leistungs- und Drehmomentdichte ermöglicht eine verbesserte Fahrdynamik in einem kleineren und leichteren Paket, da Gewicht und Platz bei E-Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielen. Ein weiterer kritischer Bereich ist die Effizienz des Fahrzyklus. Eine Verbesserung des Wirkungsgrads bedeutet, dass beim Beschleunigen des Fahrzeugs weniger von der in der Batterie gespeicherten kostbaren Energie verschwendet wird, was zu einer größeren Reichweite bei gleicher Batteriekapazität führt. Aufgrund der vielen unterschiedlichen Überlegungen bei der Motorkonstruktion hat der Markt für Elektrofahrzeuge mehrere verschiedene Lösungen angenommen, darunter Permanentmagnet-, Induktions- und Wickelmotoren. In den nächsten Jahren dominieren weiterhin Permanentmagneten die Elektromotoren, allerdings werden zunehmend magnetfreie Varianten auf, da Kosten und Nachhaltigkeit in den Vordergrund rücken.

4. Brennstoffzellen als Alternative in der Verkehrswende

Brennstoffzelle ELektromobilität
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Die Möglichkeiten für Brennstoffzellen auf dem Automobilmarkt sind begrenzt, auch wenn die Märkte weiterhin wachsen – unterstützt durch staatliche Förderung. Der Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen ist kein neues Konzept. Große OEMs wie Toyota, Ford, Honda, GM, Hyundai, Volkswagen, Daimler und BMW haben in den letzten 30 Jahren große Summen in die Weiterentwicklung der Technologie investiert. Bei Personenkraftwagen wurden enorme Anstrengungen und Kosten in die Entwicklung von Brennstoffzellen gesteckt, aber im Jahr 2022 haben nur zwei große OEMs, Toyota und Hyundai, FCEV-Fahrzeuge in Produktion, und im Jahr 2021 wurden weniger als 20.000 FCEVs verkauft.

Die Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen steht vor großen Herausforderungen, darunter die Senkung der Kosten für die Komponenten des Brennstoffzellensystems und der Aufbau einer ausreichenden Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung. Ebenfalls von entscheidender Bedeutung ist die Verfügbarkeit von preiswertem „grünem" Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von erneuerbarem Strom hergestellt wird.

5. Autonomie als disruptive Technologie im Automobil-Sektor

Autonomes Fahren
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Autonomes Fahrzeug (AV) ist ein Oberbegriff für die sechs Stufen, die von der SAE (Society of Automotive Engineers) definiert wurden. Heute sind die meisten Neuwagen mit Stufe 2-Funktionalität ausgestattet, und die Industrie ist technisch bereit für Stufe 3, sobald die regulatorischen Hürden genommen sind.

In den letzten Jahren haben enorme Verbesserungen bei autonomen Fahrzeugtechnologien wie Radar, Lidar, HD-Kameras und Software die Robotaxis an die Schwelle zur Marktreife gebracht. In bestimmten Szenarien wird die autonome Stufe 4 bereits 2022 kommerzialisiert, wobei Cruise und Baidu erste Dienste in den USA bzw. China anbieten. Insgesamt stellt der Bericht fest, dass sich autonome Fahrzeuge zu einer massiv disruptiven Technologie entwickeln werden, die mit einer Rate von bis zu 47 % schnell wachsen und den Automobilmarkt in den nächsten zwei Jahrzehnten verändern wird.

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