Der Markt für Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge (EV/HEV) wächst rasch und wird im Jahr 2025 mehr als 30 Millionen neue Fahrzeuge erreicht haben. EV/HEV sind ein riesiger und nachhaltiger Markt, da ihre Bereitstellung von starken und nachhaltigen Antrieben getragen wird (Bild 1).

Bild 1: Starke und nachhaltige Antriebe sorgen für eine saubere Mobilität.

Bild 1: Starke und nachhaltige Antriebe sorgen für eine saubere Mobilität. Yole

Zu den wichtigsten Punkten gehören die Reduktion der CO2-Emissionen aus Personenkraftwagen sowie die Reduktion der Luftverschmutzung in dicht besiedelten Gebieten. Strenge behördliche Ziele zur Reduktion der CO2-Emissionen zwingen Automobilhersteller dazu, den durchschnittlichen CO2-Ausstoß ihrer Flotten drastisch zu verringern, um empfindlichen Strafen zu entgehen. Die Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs ermöglicht eine deutliche Senkung der CO2-Emissionen und wird so zu einem verpflichtenden Teil der Strategien von Automobilherstellern.

Massive Bereitstellung von EV und HEV

Nach einer Vorbereitungsphase, die von nur wenigen EV-/HEV-Playern dominiert wurde, sind wir in eine Phase der massiven Bereitstellung von EV/HEV durch alteingesessene Automobilhersteller eingetreten. Den Kunden bietet sich eine immer größer werdende Auswahl bei unterschiedlichen Fahrzeugherstellern, Elektrifizierungstypen und Fahrzeugmodellen.  Die Reichweite steigt, die Fahrzeuge werden erschwinglicher und die EV-Ladeinfrastruktur wird immer mehr ausgeweitet. Somit steigt auch die Motivation der Kunden zum Kauf eines EV/HEV.

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Bild 2: Unterschiedliche EV-/HEV-Kategorien und ihre tatsächlichen Kohlendioxid-Emissionen.

Bild 2: Unterschiedliche EV-/HEV-Kategorien und ihre tatsächlichen Kohlendioxid-Emissionen. Yole

Unter den unterschiedlichen Typen von Fahrzeugen mit Elektroantrieb wird zwischen Hybridelektrofahrzeugen, die sowohl über Elektro- als auch über Verbrennungsmotoren verfügen, und vollelektrischen Fahrzeugen, die nur über einen elektrischen Antrieb verfügen, unterschieden. Vollelektrische Fahrzeuge ohne CO2-Emissionen werden als das ultimative Ziel der Elektrifizierung der Gesamtheit der Personenkraftwagen angesehen. Ein solcher Übergang von Fahrzeugen mit internem Verbrennungsmotor (ICE) zum vollelektrischen Fahrzeug kann jedoch aufgrund der Technologie, der Kosten, der Rohstoffe und der Einschränkungen in der Fertigung nicht über Nacht vonstattengehen.

Herkömmliche OEM für die Automobilbranche übernehmen nach und nach Elektrofahrzeuge und nehmen dabei in Kauf, ihre eigenen ICE-Verkäufe zu torpedieren. Sie müssen die Bürde der bestehenden Fertigungswerke, Mitarbeiter, Vertriebs- und Verkaufsnetzwerke für ICE tragen sowie neue Kenntnisse und Kapazitäten zur Fertigung von Elektrofahrzeugen erlangen. Die gesamte Lieferkette für den Automobilbereich benötigt einen Neuaufbau, was einige Zeit dauern wird. Es gibt eine Übergangsphase, in der den Kunden Fahrzeuge mit unterschiedlichen Ebenen der Elektrifizierung angeboten werden (Bild 2). Hybridelektrofahrzeuge bieten im Vergleich zu ICE-Fahrzeugen unterschiedliche Ebenen einer Reduktion der CO2-Emissionen; diese erstrecken sich von wenigen Prozent bei Mild-Hybridelektrofahrzeugen (MHEV) auf bis zu rund 50 Prozent bei Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen (PHEV).

Fahrzeuge mit großer Reichweite im Fokus

Bild 3: Der anfängliche strategische Weg zur Elektrifizierung von Fahrzeugen wurde durch mehrere einzelne Anlässe beschleunigt.

Bild 3: Der anfängliche strategische Weg zur Elektrifizierung von Fahrzeugen wurde durch mehrere einzelne Anlässe beschleunigt. Yole

In der Vergangenheit wurde die EV-/HEV-Branche von Vollhybridelektrofahrzeugen (HEV) dominiert, vor allem aufgrund des kommerziellen Erfolges des Toyota Prius. Wegen der strengen behördlichen Ziele zur Reduktion der CO2-Emissionen, der Verbesserungen der Li-Ionen-Batterien und ihrer geringeren Kosten sowie zahlreicher anderer Faktoren (Bild 3) folgt die Automobilbranche einem Trend zur „stärkeren Elektrifizierung“ – also einem beschleunigten Übergang zu Fahrzeugen mit größerer Reichweite im Elektromodus: PHEV und BEV. PHEV und vollelektrische Fahrzeuge bieten jene deutliche Reduktion der CO2-Emissionen, die Automobilhersteller so dringend benötigen, um ihre Emissions-Ziele erreichen zu können.

Sowohl PHEV als auch BEV sind aufladbare Fahrzeuge; beide lassen sich aus dem normalen Stromnetz aufladen. Ein PHEV schafft im Elektromodus zwischen 50 und 80 km. Eine solche Reichweite kann es Pendlern ermöglichen, das PHEV nur im Elektromodus und hauptsächlich für Kurzstrecken in der Stadt zu nutzen.

Bild 4: Recihweite im Elektromodus als Funktion der Batteriekapazität von PHEV (links) und BEV (rechts).

Bild 4: Reichweite im Elektromodus als Funktion der Batteriekapazität von PHEV (links) und BEV (rechts). Yole

Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) machen weiterhin nur einen kleinen Teil des globalen EV-/HEV-Marktes aus; vermutlich wird dies auch so bleiben. Im Falle der Brennstoffzellenfahrzeuge wird die Elektrizität von einem Brennstoffzellenstapel aus Wasserstoff erzeugt. Einige Fahrzeughersteller wie Toyota und Hyundai drängen auf Brennstoffzellenfahrzeuge als vollkommen emissionsfreie Transportlösung. Wasserstoff, der heute meist aus fossilen Brennstoffen generiert wird, kann durch Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden. Der Wasserstoffansatz für einen sauberen Verkehr bietet den Vorteil, dass sich das Auto in etwa fünf bis zehn Minuten auftanken lässt. Jedoch kann der Tankvorgang hier nicht zu Hause erfolgen und die Gesamtenergieeffizienz ist im Vergleich zur direkten Nutzung von Elektrizität im Fahrzeug deutlich niedriger.

Der Wettbewerb zwischen Brennstoffzellenfahrzeugen und PHEV beziehungsweise BEV ist hart. Die hohe Anzahl an Playern, die an der Entwicklung von Batterie- und EV-Technologie beteiligt sind, spielt den Personenkraftwagen mit batteriebetriebenem Elektroantrieb in die Hände, was zu raschen Optimierungen bei Batterien und Ladetechnologien sowie zu sinkenden Kosten für die Batterien führt. Es sollte erwähnt werden, dass auch FCEV über eine Hochspannungsbatterie und einige Leistungselektroniksysteme wie Antriebsumrichter, Aufwärtswandler und DC-DC-Wandler verfügen, die auch in Hybridelektrofahrzeugen zu finden sind. FCEV bieten daher sowohl Anbietern von Wasserstoff und Brennstoffzellenstapeln als auch Anbietern von Leistungselektronik eine Chance.

Umweltaspekte von Elektrofahrzeugen

Elektrofahrzeuge werden als saubere Mobilitätslösungen angesehen – doch warum sind sie so sauber? Natürlich entsteht im Gegensatz zu Fahrzeugen mit internem Verbrennungsmotor (ICE) bei Vollelektrofahrzeugen oder bei PHEV im reinen E-Modus weder CO2 noch NOx. Dennoch benötigt das Elektrofahrzeug Elektrizität zum Aufladen der Batterie. Kommt diese aus kohle- oder gasbefeuerten Kraftwerken, verlagert dies die CO2-Emissionen nur von der Stadt an jene Standorte, an denen sich das Elektrizitätswerk befindet; dies löst das Problem jedoch nicht auf globaler Ebene. Optimal wäre es, die Elektrizität für das Aufladen von EV über saubere und erneuerbare Energiequellen wie Windkraft oder Photovoltaik zu gewinnen. In diesem Fall werden weder während der Produktion der Elektrizität noch während der Fahrzeugnutzung CO2-Emissionen erzeugt.

Doch wie lässt sich die fluktuierende Stromerzeugung über PV-Systeme und Windturbinen mit dem spitzenlastigen Bedarf nach EV-Aufladung in Einklang bringen? Auf der Seite der Stromerzeugung können Zeiten mit starkem Sonnenschein oder Wind zu Spitzen in der Stromerzeugung und Schwierigkeiten mit der Integration erneuerbarer Stromquellen im Stromnetz einhergehen. Auf der Seite des Stromverbrauchs würde das gleichzeitige Aufladen zahlreicher PHEV/BEV zu einer starken Bedarfsspitze im Stromnetz führen, was eine Instabilität und sogar einen Ausfall des Netzes zur Folge haben könnte. Aus diesem Grund ist eine smarte Integration der PHEV-/BEV-Ladelösungen mit der aus PV und Wind gewonnenen Elektrizität erforderlich. Wo liegen die Synergien und welche Vorteile bietet eine solche Integration?

PHEV und BEV enthalten Batterien mit relativ hoher Kapazität, nämlich etwa 9 bis 15 kWh beziehungsweise 25 bis 100 kWh (Bild 4). Deshalb ließe sich eine signifikante Menge an Elektrizität, die aus einer privaten PV-Anlage auf dem Dach stammt, in der EV-Batterie speichern. Ein großer Anteil der über PV erzeugten Elektrizität wird damit lokal konsumiert – entweder direkt zur Stromversorgung von Haushaltsgeräten oder zum Aufladen des Elektrofahrzeuges, was die Probleme bei der Integration in das Stromnetz verringert.

Bei einer bidirektionalen EV-/PHEV-Ladelösung lässt sich die Energie aus der Autobatterie im Haus nutzen (Vehicle-to-Home oder V2H). Bei einer Fahrzeugflotte kann die Elektrizität aus zahlreichen Batterien in das Netz gespeist werden (Vehicle-to-Grid oder V2G) und bietet so Netzdienste wie Energiearbitrage, Frequenzregelung, Spannungshaltung, Reservekapazität sowie Übertragungs- und Verteilungsverzögerung.

Die Batteriekapazität von PHEV/BEV (9 bis 100 kWh) ist weit größer als jene einer herkömmlichen Batterie in privaten Energiespeichersystemen (1 bis 5 kWh) und steigt kontinuierlich an. Unter bestimmten Bedingungen kann die PHEV-/BEV-Batterie also ein zusätzliches ortsgebundenes Batteriespeichersystem wie ein System, das bei einem Stromausfall verwendet wird, oder ein System, das an entlegenen Orten ohne Anschluss an das Stromnetz vorhanden ist, ersetzen.

Synergien zwischen Ladelösungen und erneuerbaren Energien

Bild 5: Das Leistungsmodul liegt eindeutig im Fokus der EV-/HEV-Lieferkette.

Bild 5: Das Leistungsmodul liegt eindeutig im Fokus der EV-/HEV-Lieferkette. Yole

Die Synergien zwischen BEV-/PHEV-Ladelösungen und der Erzeugung von erneuerbarer Energie motivieren Player aus der Branche der Elektrofahrzeuge zur Entwicklung von kombinierten Lösungen wie bidirektionalen EV-Ladegeräten oder PV-Wandlern mit Energiespeicher oder EV-Ladeoptionen. In größerem Umfang können die Synergien in Lösungen wie Mikronetzen, intelligentem Laden und Solarladestationen genutzt werden. Die ursprünglich für EV/HEV entwickelten Leistungselektroniklösungen lassen sich an andere Märkte wie für die Ladeinfrastruktur anpassen.

Für die EV-/HEV-Branche, die im Hinblick auf Technologie und Lieferkette noch lange nicht konsolidiert ist, sind zahlreiche unterschiedliche Technologieansätze typisch. Viele Unternehmen aus unterschiedlichen Segmenten arbeiten aktiv an der Entwicklung von Produkten für EV/HEV, da es sich hier um eine sehr anspruchsvolle Anwendung handelt: hohe Leistungsdichte, wenige Systemausfälle, besseres Wärmemanagement, Systemverkleinerung, Kostenreduktion etc. All diese Herausforderungen bedeuten, dass Fahrzeughersteller optimierte Lösungen von Batteriedesign und Batteriemanagementsystemen bis hin zu Systemdesign, Aufbau- und Verbindungstechniken für eine gute Wärmeverteilung und Zuverlässigkeit sowie neuen Halbleitern für eine höhere Leistungsdichte und weniger Wandlungsverlust finden müssen.

Anforderungen an Leistungselektronik

Um auf die Anforderungen unterschiedlicher EV-/HEV-Leistungselektroniksysteme einschließlich Antriebsumrichter, On-Board-Ladegeräten und DC-DC-Wandlern einzugehen, treiben EV/HEV Innovationen in der Leistungselektronik an. Aufgrund der massiven räumlichen Einschränkungen, der Anforderungen an die Leistungsdichte und der Wichtigkeit der Zuverlässigkeit sind für EV/HEV umfassende Innovationen vor allem im Design der Leistungsmodule für die Antriebsumrichter erforderlich, was das wichtigste Segment auf dem Leistungsmarkt für EV/HEV darstellt.

Der rasch wachsende Markt für Leistungselektronik zieht das Interesse unterschiedlicher Player der EV-/HEV-Lieferkette an. Mit einem starken Fokus auf Leistungsmodule werden Veränderungen an Geschäftsmodellen und eine Neuaufstellung der Lieferkette erwartet (Bild 5).

Leistungselektronik-Trends

Die Leistungselektroniktrends spiegeln Trends bei Fahrzeugen und Fahrzeugsystemen wider. Die steigende Größe von Batteriepacks führt zum Bedürfnis nach einer höheren Nennleistung der On-Board-Ladegeräte. Der Anstieg der BEV-Batterieleistung in manchen Fahrzeugen von etwa 400 V auf 800 V führt zu Änderungen der Leistung der verwendeten Komponenten: Von Komponenten mit 650 bis 750 V bewegt sich die Branche zu Komponenten mit 1200 V. Integrierte Lösungen wie eine elektrische Achse, wobei Motor, Getriebe und Antriebsumrichter in ein kompaktes System integriert sind, erfordern verbesserte Kühllösungen und eine optimierte elektrische Verbindungstechnik.

Die Einführung der SiC-Technologie treibt die Entwicklung neuer Lösungen zur Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbaugruppen an, da SiC-Geräte mit kleineren Chips bei einer höheren Sperrschichttemperatur und höheren Schaltfrequenzen funktionieren. Lösungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen gehen hin zu Hochleistungsmaterialien und einer Reduktion von Schichten, Größe und Schnittstellen bei gleichen elektrischen, thermischen und mechanischen Merkmalen.

Module, Substrate und Kontaktierung

In der Entwicklung und Optimierung der Leistungsmodultechnologie sind drei wichtige Trends zu beobachten: Design, Materialien und angewendete Verfahren für Leistungsmodule. Während die Auswahl des Materials und Designs für Leistungsmodule vor allem der Leistung dient, ist das „Design for Manufacturing“ für die Kostensenkung unumgänglich. Oft gibt es beim Ansatz zur Auswahl der unterschiedlichen Technologien Verknüpfungen untereinander.

Was das Substrat betrifft, so fällt die Wahl bei der Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen meist auf Al2O3-DBC (direct-bonded copper). Die Branche wendet sich jedoch Materialien zu, die eine bessere mechanische Stabilität und eine höhere Wärmeleitfähigkeit bieten, zum Beispiel Si3N4 AMB (Active Metal Bonding). Um die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen wärmestabiler zu machen und die Eigenschaften von SiC voll auszunutzen, ist eine zuverlässige und robuste Chipmontage erforderlich. Aus diesem Grund steigt sowohl bei Silizium- als auch bei SiC-Komponenten die Anwendung des Silbersinterns.

Außerdem beeinflusst auch die Kontaktierungstechnologie die Leistung von Leistungsmodulen als wichtiger Faktor. Drahtlose Module mit Leiterrahmen für niedrige Induktivität kommen immer häufiger zum Einsatz. Die doppelseitige Kühlung wird sich deutlich auf die Auswahl der Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik auswirken – einseitig gekühlte Leistungsmodule mit strukturierter Grundplatte werden jedoch ebenfalls von vielen Entwicklern bevorzugt.

Zusammenfassung

Zulieferer von Halbleiter-Leistungsbaugruppen und den Lösungen zur Aufbau- und Verbindungstechnik müssen ihre Strategie, ihr Produktportfolio und ihre Herstellungskapazitäten anpassen, um den strengen Anforderungen im Hinblick auf Kosten, hergestelltem Volumen und Produktzuverlässigkeit gerecht zu werden.

Elektrofahrzeuge sind zu einem nicht mehr wegzudenkenden Teil der nachhaltigen Energiewende hin zu sauberen Energiequellen geworden. Trotzdem gibt es noch viel zu tun, um sämtliche Synergien voll auszunutzen und die Auswirkungen von EV/HEV auf die Umwelt durch hocheffiziente und optimal abgestimmte Leistungselektroniklösungen zu optimieren.