EV: Hindernisse und Lösungen
Bisher waren E-Fahrzeuge 2- bis 2,5-mal teurer als herkömmliche Benzin- oder Dieselfahrzeuge, und diese Kosten sind in letzter Zeit weiter gestiegen, da die Preise für Basismetalle und seltene Erden infolge der Krise in der Ukraine zugenommen haben. Dies kann jedoch durch eine Steigerung der Produktion, staatliche Anreize und Steuergutschriften für Käufer von E-Fahrzeugen sowie durch Verbesserungen in der Batterietechnologie ausgeglichen werden.
Apropos Produktion: Anfang dieses Jahres haben sowohl die General Motors Company (GM) als auch die Ford Motor Company Pläne zur Steigerung der Elektrofahrzeugproduktion in den Vereinigten Staaten vorgestellt. Um die Produktionskapazitäten für Batteriezellen und Elektro-Lkw deutlich auszubauen, kündigte GM eine Investition von mehr als 7 Milliarden US-Dollar in vier Werke in Michigan an. Ford stellte seine Pläne vor, 50 Milliarden US-Dollar zu investieren und bis 2026 über 2 Millionen Elektrofahrzeuge zu produzieren – das entspricht rund einem Drittel der erwarteten weltweiten Jahresproduktion. Gleichzeitig bereiten sich Teslas Gigafactories in Texas und Berlin darauf vor, die Produktion noch in diesem Jahr hochzufahren.
Wie die führenden Automobilhersteller in den USA planen auch große Hersteller in Europa, die Produktion von Elektroautos auszubauen und bis 2030 vollständig auf vollelektrische Fahrzeuge umzustellen. Mit dem steigenden Absatz von E-Fahrzeugen rücken Elektroautos in Europa zunehmend an die Preisgleichheit mit herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor heran.
Die Reichweite stellt weiterhin eine Herausforderung dar. Während diese vor einigen Jahren noch stark begrenzt war, bieten heutige Modelle bereits über 300 Meilen pro Ladung. Ein aktueller Bericht von Edmunds zeigt, dass das 2022er Modell des Mercedes-Benz EQS eine Reichweite von 450 Meilen erreicht, obwohl die EPA-Schätzung bei 350 Meilen liegt. Auch das Tesla Model 3 aus dem Jahr 2021 liegt mit einer Reichweite von 345 Meilen und einer EPA-Schätzung von 353 Meilen auf Platz zwei.
Insgesamt sind 32 Elektroauto-Modelle auf der Reichweitenrangliste von Edmunds aufgeführt. Das Modell auf Platz 32 ist der Mazda MX-30 aus dem Jahr 2022, mit einer Reichweite von 114 Meilen und einem EPA-Wert von 100 Meilen. Die Bemühungen zur Verbesserung der Reichweite pro Ladung gehen jedoch weiter. Kürzlich erzielte Lucid Motors mit seinem ersten Elektrofahrzeug, dem Lucid Air – entwickelt im Silicon Valley und produziert in Arizona – mithilfe einer proprietären Antriebstechnologie eine branchenweit führende Reichweite von über 500 Meilen. Für seine Leistung und Reichweite wurde der Lucid Air von MotorTrend als „Auto des Jahres 2022“ ausgezeichnet. Die im Lucid Air integrierte „Wunderbox“ ist ein ultraschnelles Ladegerät mit 900-V+-Architektur, das eine Reichweite von bis zu 300 Meilen in nur rund 20 Minuten liefert. Neben der Schnellladung ist das System mit nahezu allen öffentlichen Ladestationen in den USA kompatibel und soll künftig auch bidirektionale Ladefunktionen unterstützen.
Ford hat mit seinem neuen F-150 Lightning EV ebenfalls den nächsten Schritt in Richtung bidirektionales (Zwei-Wege-) Laden gemacht. Auf der CERAWeek 2022 in Houston, Texas, kündigten Ford und PG&E eine Zusammenarbeit an, um zu erforschen, wie der F-150 Lightning mit bidirektionaler Ladefunktion mit dem Stromnetz interagieren und PG&E-Kunden Vorteile in Bezug auf Netzstabilität und Versorgungssicherheit bieten kann. „Durch die Zusammenarbeit mit Automobilherstellern wie Ford schaffen wir gemeinsam Innovationen für eine saubere, sichere und bessere Zukunft für alle“, sagte Patti Poppe, CEO von PG&E. Mit solchen Ladeinfrastrukturprogrammen trägt PG&E dazu bei, eines der größten Hindernisse für die Einführung von E-Fahrzeugen zu verringern – den Mangel an verfügbaren Ladestationen.
Damit die E-Mobilität für die Mehrheit der Autofahrer praktisch und attraktiv wird, ist ein größeres Netz von Ladestationen und Steckdosen erforderlich. Im Januar 2022 gab es nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Statista in den USA fast 113.600 Ladestationen für Plug-in-Elektrofahrzeuge, 36% davon in Kalifornien. Darüber hinaus hat Präsident Biden Investitionen in Höhe von 7,5 Milliarden US-Dollar in den Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge angekündigt. Es ist zudem nicht überraschend, dass China ein führender Markt für den Einsatz von Elektrofahrzeugen ist, da dort eine solide Infrastruktur mit rund 800.000 Ladestationen im ganzen Land vorhanden ist.
Gleichzeitig entwickeln die Hersteller ultraschnelle Ladegeräte, um die Ladezeit auf unter 20 Minuten zu reduzieren. Kürzlich gab McLaren Applied auf der Future Propulsion Conference 2022 (FPC2022) in Großbritannien bekannt, dass die Produktion der Inverter Platform Generation 5 (IPG5) auf Hochtouren läuft – einer 800V-Siliziumkarbid-(SiC)-Stromversorgung, die für ultraschnelles Laden, höhere Effizienz und größere Reichweite ausgelegt ist. IPG5 ist eine neue Architektur, die die nächste Generation von Elektrofahrzeugen unterstützt. Sie ermöglicht eine leichtere elektrische Verkabelung und ultraschnelles Laden – bei gleichzeitiger Reduzierung von Gewicht und Kosten des Antriebsstrangs.
Kurz gesagt: Die Ladearchitektur wird sich in naher Zukunft von 400V auf 800V verlagern. Bei diesen hohen Spannungen benötigen Batteriemanagementsysteme (BMS) mechanisch robuste Steckverbindungen und müssen ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten – bei gleichzeitiger, kontinuierlicher Kommunikation mit der Ladestation. All dies erfordert leistungsstarke AC/DC-Hochspannungs-Stromversorgungen sowie hochisolierende DC/DC-Wandler. Für diese Überwachungsaufgabe hat RECOM die AC/DC-Stromversorgungsserie RAC05-xxSK/480 entwickelt, die Eingangsspannungen bis zu 528VAC verarbeiten kann. Darüber hinaus hat RECOM eine Serie isolierter 1W-DC/DC-Wandler entwickelt, die in BMS-Anwendungen von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei wird für jedes Batteriemodul ein separater DC/DC-Wandler benötigt, um die Überwachungselektronik zu isolieren, die mit mehreren potentialfreien Spannungen arbeitet und über den Controller Area Network (CAN)-Bus gesteuert wird.
Darüber hinaus werden in Ladestationen hochisolierte DC/DC-Stromversorgungen zur Steuerung von Leistungshalbleitern wie IGBT, SiC- oder Si-MOSFETs sowie GaN-FETs eingesetzt. Dies erfordert optimale Gate-Treiber, die präzise positive und negative Spannungen bereitstellen können, um den Schaltvorgang zu steuern und Fehlzündungen zu vermeiden. Da die Leistungsschalter hohe Schwebespannungen aufweisen, muss die Spannungsversorgung des Gate-Treibers sehr effektiv isoliert sein. Zu diesem Zweck hat RECOM asymmetrische DC/DC-Stromversorgungen mit verstärkter Isolation und Ausgangsspannungen von +15V/-9V (IGBT), +15V/-3V und +20V/5V (SiC) sowie +6V (GaN) entwickelt. Um eine lange Systemlebensdauer zu gewährleisten, bieten die Stromversorgungen weite Betriebstemperaturbereiche und eine geringe Isolationskapazität.
Apropos Produktion: Anfang dieses Jahres haben sowohl die General Motors Company (GM) als auch die Ford Motor Company Pläne zur Steigerung der Elektrofahrzeugproduktion in den Vereinigten Staaten vorgestellt. Um die Produktionskapazitäten für Batteriezellen und Elektro-Lkw deutlich auszubauen, kündigte GM eine Investition von mehr als 7 Milliarden US-Dollar in vier Werke in Michigan an. Ford stellte seine Pläne vor, 50 Milliarden US-Dollar zu investieren und bis 2026 über 2 Millionen Elektrofahrzeuge zu produzieren – das entspricht rund einem Drittel der erwarteten weltweiten Jahresproduktion. Gleichzeitig bereiten sich Teslas Gigafactories in Texas und Berlin darauf vor, die Produktion noch in diesem Jahr hochzufahren.
Wie die führenden Automobilhersteller in den USA planen auch große Hersteller in Europa, die Produktion von Elektroautos auszubauen und bis 2030 vollständig auf vollelektrische Fahrzeuge umzustellen. Mit dem steigenden Absatz von E-Fahrzeugen rücken Elektroautos in Europa zunehmend an die Preisgleichheit mit herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor heran.
Die Reichweite stellt weiterhin eine Herausforderung dar. Während diese vor einigen Jahren noch stark begrenzt war, bieten heutige Modelle bereits über 300 Meilen pro Ladung. Ein aktueller Bericht von Edmunds zeigt, dass das 2022er Modell des Mercedes-Benz EQS eine Reichweite von 450 Meilen erreicht, obwohl die EPA-Schätzung bei 350 Meilen liegt. Auch das Tesla Model 3 aus dem Jahr 2021 liegt mit einer Reichweite von 345 Meilen und einer EPA-Schätzung von 353 Meilen auf Platz zwei.
Insgesamt sind 32 Elektroauto-Modelle auf der Reichweitenrangliste von Edmunds aufgeführt. Das Modell auf Platz 32 ist der Mazda MX-30 aus dem Jahr 2022, mit einer Reichweite von 114 Meilen und einem EPA-Wert von 100 Meilen. Die Bemühungen zur Verbesserung der Reichweite pro Ladung gehen jedoch weiter. Kürzlich erzielte Lucid Motors mit seinem ersten Elektrofahrzeug, dem Lucid Air – entwickelt im Silicon Valley und produziert in Arizona – mithilfe einer proprietären Antriebstechnologie eine branchenweit führende Reichweite von über 500 Meilen. Für seine Leistung und Reichweite wurde der Lucid Air von MotorTrend als „Auto des Jahres 2022“ ausgezeichnet. Die im Lucid Air integrierte „Wunderbox“ ist ein ultraschnelles Ladegerät mit 900-V+-Architektur, das eine Reichweite von bis zu 300 Meilen in nur rund 20 Minuten liefert. Neben der Schnellladung ist das System mit nahezu allen öffentlichen Ladestationen in den USA kompatibel und soll künftig auch bidirektionale Ladefunktionen unterstützen.
Ford hat mit seinem neuen F-150 Lightning EV ebenfalls den nächsten Schritt in Richtung bidirektionales (Zwei-Wege-) Laden gemacht. Auf der CERAWeek 2022 in Houston, Texas, kündigten Ford und PG&E eine Zusammenarbeit an, um zu erforschen, wie der F-150 Lightning mit bidirektionaler Ladefunktion mit dem Stromnetz interagieren und PG&E-Kunden Vorteile in Bezug auf Netzstabilität und Versorgungssicherheit bieten kann. „Durch die Zusammenarbeit mit Automobilherstellern wie Ford schaffen wir gemeinsam Innovationen für eine saubere, sichere und bessere Zukunft für alle“, sagte Patti Poppe, CEO von PG&E. Mit solchen Ladeinfrastrukturprogrammen trägt PG&E dazu bei, eines der größten Hindernisse für die Einführung von E-Fahrzeugen zu verringern – den Mangel an verfügbaren Ladestationen.
Damit die E-Mobilität für die Mehrheit der Autofahrer praktisch und attraktiv wird, ist ein größeres Netz von Ladestationen und Steckdosen erforderlich. Im Januar 2022 gab es nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Statista in den USA fast 113.600 Ladestationen für Plug-in-Elektrofahrzeuge, 36% davon in Kalifornien. Darüber hinaus hat Präsident Biden Investitionen in Höhe von 7,5 Milliarden US-Dollar in den Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge angekündigt. Es ist zudem nicht überraschend, dass China ein führender Markt für den Einsatz von Elektrofahrzeugen ist, da dort eine solide Infrastruktur mit rund 800.000 Ladestationen im ganzen Land vorhanden ist.
Gleichzeitig entwickeln die Hersteller ultraschnelle Ladegeräte, um die Ladezeit auf unter 20 Minuten zu reduzieren. Kürzlich gab McLaren Applied auf der Future Propulsion Conference 2022 (FPC2022) in Großbritannien bekannt, dass die Produktion der Inverter Platform Generation 5 (IPG5) auf Hochtouren läuft – einer 800V-Siliziumkarbid-(SiC)-Stromversorgung, die für ultraschnelles Laden, höhere Effizienz und größere Reichweite ausgelegt ist. IPG5 ist eine neue Architektur, die die nächste Generation von Elektrofahrzeugen unterstützt. Sie ermöglicht eine leichtere elektrische Verkabelung und ultraschnelles Laden – bei gleichzeitiger Reduzierung von Gewicht und Kosten des Antriebsstrangs.
Kurz gesagt: Die Ladearchitektur wird sich in naher Zukunft von 400V auf 800V verlagern. Bei diesen hohen Spannungen benötigen Batteriemanagementsysteme (BMS) mechanisch robuste Steckverbindungen und müssen ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten – bei gleichzeitiger, kontinuierlicher Kommunikation mit der Ladestation. All dies erfordert leistungsstarke AC/DC-Hochspannungs-Stromversorgungen sowie hochisolierende DC/DC-Wandler. Für diese Überwachungsaufgabe hat RECOM die AC/DC-Stromversorgungsserie RAC05-xxSK/480 entwickelt, die Eingangsspannungen bis zu 528VAC verarbeiten kann. Darüber hinaus hat RECOM eine Serie isolierter 1W-DC/DC-Wandler entwickelt, die in BMS-Anwendungen von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei wird für jedes Batteriemodul ein separater DC/DC-Wandler benötigt, um die Überwachungselektronik zu isolieren, die mit mehreren potentialfreien Spannungen arbeitet und über den Controller Area Network (CAN)-Bus gesteuert wird.
Darüber hinaus werden in Ladestationen hochisolierte DC/DC-Stromversorgungen zur Steuerung von Leistungshalbleitern wie IGBT, SiC- oder Si-MOSFETs sowie GaN-FETs eingesetzt. Dies erfordert optimale Gate-Treiber, die präzise positive und negative Spannungen bereitstellen können, um den Schaltvorgang zu steuern und Fehlzündungen zu vermeiden. Da die Leistungsschalter hohe Schwebespannungen aufweisen, muss die Spannungsversorgung des Gate-Treibers sehr effektiv isoliert sein. Zu diesem Zweck hat RECOM asymmetrische DC/DC-Stromversorgungen mit verstärkter Isolation und Ausgangsspannungen von +15V/-9V (IGBT), +15V/-3V und +20V/5V (SiC) sowie +6V (GaN) entwickelt. Um eine lange Systemlebensdauer zu gewährleisten, bieten die Stromversorgungen weite Betriebstemperaturbereiche und eine geringe Isolationskapazität.
