Die individuelle Mobilität wird derzeit von drei großen weltweiten Trends geprägt: Vernetzung, Autonomisierung, Elektrifizierung. Alle drei wirken sich stark auf das elektrische Bordnetz und die E/E-Architektur (elektrische und elektronische Architektur) künftiger Fahrzeuge aus. Vernetzte, automatisierte und elektrifizierte Fahrzeuge werden viel mehr Daten produzieren, verarbeiten und kommunizieren als heutige Fahrzeuge. Drahtlose Vernetzung über die Luftschnittstelle (zum Beispiel 5G, V2X) schafft zudem die Voraussetzungen für die Kommunikation mit anderen Fahrzeugen, mit der Infrastruktur und auch für Software-Updates Over-the-Air (OTA).

Gleichzeitig werden in elektrifizierten Fahrzeugen hohe Ströme und große Leistungen fließen. Schon heute verfügen Elektroautos über 120 kW und mehr an Antriebsleistung. Die hohen Ströme für solche Antriebe erzeugen starke elektromagnetische Felder, so dass benachbarte Signalleitungen und die Elektronik vor Einstrahlungen und Störungen geschützt werden müssen (hohe Datenraten bis zu 20 Gbit vs. hohe Leistung). Somit bewirken alle drei weltweiten automobilen Megatrends höhere Anforderungen an die physikalische Schicht als Grundlage für die kommende Funktionalität sowie deren Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.

Rahmenbedingungen für die Elektromobilität

Die Nutzung von Strom als Antriebsenergie im Fahrzeug dient dazu, den Einsatz fossiler Brennstoffe für das Fahren trotz global wachsendem Mobilitätsbedarf zu reduzieren. Gleichzeitig lassen sich die immer strengeren Grenzwerte für den Ausstoß des Klimagases CO2 pro Kilometer Fahrstrecke mittel- und langfristig nur mit einem elektrifizierten Antrieb erreichen, also mit Hybriden und reinen Elektrofahrzeugen (EV). Noch ist die Marktdurchdringung mit Elektrofahrzeugen sehr gering, allerdings mehren sich die Anzeichen, dass dieser bisher langsame Trend inzwischen Fahrt aufnimmt.

Bild 1: Quantifizierungslogik des Stromprofils in Bild 2.

Bild 1: Quantifizierungslogik des Stromprofils in Bild 2. TE Connectivity

Um Elektromobilität erfolgreich zu machen, gilt es, auch weiterhin einige Hürden zu überwinden. Kaufhemmnisse wie der hohe Preis und die begrenzte Reichweite verlieren nur langsam an Bedeutung. Positiv dazu trägt bei, dass die Batteriekosten pro kWh weiter sinken, während die Kapazität der Batterie und damit die Reichweite des Fahrzeugs steigen. Gleichzeitig wird inzwischen merklich in den Ausbau der Ladeinfrastruktur investiert, so dass auch lange Fahrten mit einem EV möglich werden.

Die Grundlage für lange Fahrten schafft das Superschnellladen mit Gleichstrom (DC-Laden) und einer hohen Ladeleistung von künftig beispielsweise 350 kW beim High-Power-Gleichstromladen (High-Power-Charging, HPC DC). Zum Vergleich: Die meisten EV sind heute für das Wechselstromladen (AC-Laden) mit 2,3 kW (1-phasiger Haushaltsstrom) und bis zu 22 kW (3-phasiger Wechselstrom) ausgelegt. Vor allem Premiummodelle verfügen aktuell auch über die Möglichkeit zum DC-Laden bis zu 150 kW mit der Alternative, (langsames) AC-Laden ebenfalls zu nutzen, wenn keine DC-Ladesäule erreichbar ist. Generell ist die Sorge, mit einem EV womöglich liegen zu bleiben, unverändert ein ernst zu nehmender psychologischer Faktor.

Bedeutung des HPC

Bisher wurde bei der Elektromobilität in der Regel mehr über das Fahren nachgedacht als über das Laden. Dahinter stecken erst allmählich reifende Geschäftsmodelle zweier verschiedener Industriezweige: Fahrzeughersteller (OEM) und Energiewirtschaft. Aktuell gilt folgendes:

Global gesehen unterscheiden sich die Nutzerprofile für EVs. Während europäische EV-Fahrer grundsätzlich auch die Möglichkeit haben wollen, lange Strecken mit ihrem Fahrzeug zurückzulegen, nutzen EV-Fahrer in Asien (auch bedingt durch einen besser entwickelten intermodalen Verkehrsverbund) ihre Fahrzeuge eher für kürzere Strecken in Megacities. Mit der Möglichkeit zum HPC DC eignen sich EVs optimal für alle denkbaren Nutzerprofile.

Zudem ist der Ausbau der innerstädtischen AC-Ladeinfrastruktur allein nur bedingt zielführend, weil die geringe Ladeleistung eine lange Standzeit bedeutet, so dass Ladestationen lange belegt sind. Bei vielen EVs würde das den Bedarf an Ladepunkten nach oben treiben. Dies gilt insbesondere für Laternenparker, für die der Halter keinen eigenen Stellplatz und damit keine eigene Lademöglichkeit hat.

Für AC-Ladestationen spricht, dass sie eine bidirektionale Nutzung der angeschlossenen Fahrzeuge erlauben. Während DC-Ladestationen reine Energiequellen für das EV sind, können Fahrzeuge, die länger als die eigentliche Ladezeit (zu Hause oder am Arbeitsplatz) an einer AC-Ladestation hängen, in Spitzenlastzeiten auch als dezentrale Energiequelle für das Stromnetz dienen und damit einen ökonomischen Nutzen generieren, der sich monetär positiv für den Halter auswirken kann. Damit sind beide Ladetechniken sinnvoll.

Steigende Batteriekapazitäten (und damit größere Reichweiten) lassen sich nur dann sinnvoll nutzen, wenn größere Batterien nicht zu noch längeren Ladezeiten führen.

Neue Nutzungsmodelle für EVs, wie etwa autonom fahrende Robotaxis, basieren in ihrer Wirtschaftlichkeit darauf, dass sie möglichst 24/7 fahren, denn nur im Betrieb amortisieren sie sich. Auch in diesem Fall ist ein langsames AC-Laden nicht gut mit dem Einsatzzweck vereinbar.

Bild 2a: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden.

Bild 2a: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden. (Teil 1) TE Connectivity

Bild 2b: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden.

Bild 2b: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden. (Teil 2) TE Connectivity

Mit einer Ladeleistung von 350 kW ließen sich in maximal 10 Minuten bis zu 300 km Reichweite „nachtanken“. Damit werden Ladestopps beim EV zu vertretbar kurzen Pausen (ganz ähnlich wie Tankstopps beim Fahrzeug mit Verbrennungsmotor), und DC-Ladepunkte werden sehr schnell wieder frei für das nächste Fahrzeug.

Allerdings bedeuten 350 kW Ladeleistung mit Stromstärken bis zu 500 A eine Spitzenbelastung für den gesamten Strompfad vom Ladepunkt bis zur Fahrzeugbatterie. Der hohe Stromfluss entlang dieser Strecke bewirkt durch die physikalisch unvermeidlichen elektrischen Widerstände aller Komponenten (Steckverbinder, Kabel) eine hohe Verlustwärme. Diese Wärme muss bei der Auslegung aller elektrisch leitenden Komponenten berücksichtigt werden, um entweder Überlastungen/Überhitzungen zu vermeiden oder (wie heute teilweise üblich) eine kontrollierte Senkung des Ladestroms (Derating) planen zu können, wenn beispielsweise die Batterie beim Ladevorgang zu warm wird. Ein solches Derating schützt zwar die Batterie, aber es verlängert auch die Ladezeit. Insofern gilt es, diesen Zielkonflikt optimal zu lösen, indem das Wärmemanagement den genauen Zustand aller Komponenten in deren Struktur zu jeder Zeit kennt oder vorhersagen kann.

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