Einsatz fortschrittlicher Technologien zur Beschleunigung der E-Mobilität

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 aufgrund der Krise in der Ukraine gestiegen sind. Dies kann jedoch durch eine Steigerung der Produktion, staatliche Anreize und Steuergutschriften für Käufer von E-Fahrzeugen sowie durch eine Verbesserung 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 Produktion von Elektrofahrzeugen 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 Produktionsstätten in Michigan an. Ford enthüllte seine Pläne, 50 Milliarden US-Dollar auszugeben und bis 2026 mehr als 2 Millionen Elektrofahrzeuge zu bauen, was etwa einem Drittel seiner erwarteten weltweiten Jahresproduktion entspricht. In der Zwischenzeit sind die Gigafactories von Tesla in Texas und Berlin bereit, die Produktion in diesem Jahr hochzufahren.

Wie die wichtigsten Automobilhersteller in den USA planen auch die großen Automobilhersteller in Europa, die Produktion von Elektroautos zu steigern und bis 2030 auf vollelektrische Fahrzeuge umzustellen. Mit dem steigenden Absatz von E-Fahrzeugen nähern sich Elektroautos der Preisgleichheit mit herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in Europa.

Die Reichweite ist eine weitere Herausforderung. Während die Reichweite vor einigen Jahren noch begrenzt war, können die heutigen Modelle mit über 300 Meilen pro Ladung aufwarten. Der neueste Bericht von Edmunds zeigt, dass das 2022er Modell des Mercedes-Benz EQS eine Reichweite von 450 Meilen aufweist, während die EPA-Schätzung bei 350 Meilen liegt. Auch das Tesla Model 3 aus dem Jahr 2021 belegt mit einer Reichweite von 345 Meilen und einer EPA-Schätzung von 353 Meilen den zweiten Platz.

Insgesamt sind 32 Elektroauto-Modelle auf der Edmunds-Reichweitenrangliste aufgeführt. Das Modell mit der Nummer 32 auf dieser Liste ist der Mazda MX-30 aus dem Jahr 2022 mit einer Reichweite von 114 Meilen und einem EPA-Wert von 100 Meilen. Es werden weiterhin Anstrengungen unternommen, um die Reichweite pro Ladung zu verbessern. Kürzlich hat Lucid Motors erstes Elektrofahrzeug, Lucid Air, das im Silicon Valley entwickelt wurde und in Arizona produziert wird, mit einer proprietären Antriebstechnologie eine branchenweit führende Reichweite von mehr als 500 Meilen erzielt. Für seine Leistung und Reichweite wurde der Lucid Air von MotorTrends als „Das Auto des Jahres 2022“ ausgezeichnet. Die im Lucid Air eingebaute Wunderbox ist ein ultraschnelles Batterieladegerät mit einer 900-V+-Architektur, das eine Ladung von bis zu 300 Meilen in nur etwa 20 Minuten ermöglicht. Zusätzlich zur Schnellladung ist es mit fast jeder öffentlichen Ladestation im Land kompatibel und soll bald auch bidirektionale Ladefunktionen anbieten.

Ford hat mit seinem neuen F-150 Lightning EV auch den nächsten Schritt in Richtung bidirektionales (Zwei-Wege-) Laden gemacht. Auf der CERAweek 2022 in Houston, TX, kündigten Ford und PG&E eine Zusammenarbeit an, um zu erforschen, wie der Ford F-150 Lightning EV mit bidirektionaler Ladefunktion mit dem Stromnetz interagieren und PG&E-Kunden Vorteile bei der elektrischen Zuverlässigkeit 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. Durch solche Ladeinfrastrukturprogramme trägt PG&E dazu bei, eines der größten Hindernisse für die Einführung von E-Fahrzeugen abzubauen, nämlich 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-Elektroautos, 36% davon in Kalifornien. Darüber hinaus hat Präsident Biden Investitionen in Höhe von 7,5 Mrd. US-Dollar in die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge in den USA angekündigt. Es ist außerdem nicht überraschend, dass China ein führender Markt für den Verbrauch von Elektrofahrzeugen ist, da es eine solide Infrastruktur mit rund 800.000 Ladestationen im ganzen Land bietet.

Gleichzeitig bauen die Hersteller ultraschnelle Ladegeräte, um die Ladezeit auf weniger als 20 Minuten zu verkürzen. Kürzlich gab McLaren Applied auf der Future Propulsion Conference 2022 (FPC2022) in Großbritannien bekannt, dass die Produktion der Inverter Platform Generation 5 (IPG5), einer 800-V Siliziumkarbid (SiC)-Stromversorgung, die für ultraschnelles Laden, höhere Effizienz und größere Reichweite entwickelt wurde, auf Hochtouren läuft. IPG5 ist eine neue Architektur, die die nächste Generation von Elektrofahrzeugen unterstützt. Sie bietet eine leichtere elektrische Verkabelung und ultraschnelles Laden bei gleichzeitiger Reduzierung des Gewichts und der Kosten des Antriebsstrangs.

Kurz gesagt, die Ladearchitektur wird sich in naher Zukunft von einer 400- auf eine 800-V-Architektur verlagern. Bei dieser hohen Spannung benötigen die Batteriemanagementsysteme (BMS) mechanisch robuste Steckverbindungen und müssen ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit bei ständiger Kommunikation mit der Ladestation bieten. All dies erfordert sehr leistungsstarke AC/DC-Hochspannungs-Stromversorgungen und hochisolierende DC/DC-Stromversorgungen. Für diese Überwachungsaufgabe hat RECOM die AC/DC-Familie der Stromversorgungen RAC05-xxSK/480 entwickelt, die Eingangsspannungen bis zu 528VAC verarbeiten kann. Darüber hinaus hat RECOM eine Serie von isolierten DC/DC-Stromversorgungen mit 1W Leistung entwickelt, die in BMS-Anwendungen in Elektroautos eingesetzt werden. Hier wird für jedes Batteriemodul eine separate DC/DC-Stromversorgung benötigt, um die Überwachungselektronik zu isolieren, die mit mehreren potentialfreien Spannungen arbeitet, die vom Controller Area Network Bus geliefert werden.

Darüber hinaus werden in Ladestationen hochisolierte DC/DC-Stromversorgungen zur Steuerung von Leistungshalbleitern wie IGBT, SiC- oder Si-MOSFETs oder 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 haben, muss die Spannungsversorgung des Gate-Treibers sehr effektiv isoliert werden. Zu diesem Zweck hat RECOM asymmetrische DC/DC-Stromversorgungen mit verstärkter Isolation und Ausgangsspannungen von +15V/-9V (IGBT), +15V/-3V und +20V/5V (SiC) und +6V (GaN) entwickelt. Um eine lange Systemlebensdauer zu gewährleisten, bieten die Stromversorgungen weite Betriebstemperaturbereiche und eine geringe Isolationskapazität

Einführung von Festkörperbatterien

Während der Wettlauf um die Verbesserung der E-Mobilitätstechnologien weltweit weitergeht, bereiten sich viele Erstausrüster (OEMs) auf die Einführung von Festkörperbatterien (Solid-State-Batterien, SSB) vor, einer Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). SSB-Batterien ersetzen den flüssigen oder gelartigen Elektrolyten der gängigen Li-Ionen-Batterien durch feste, leitfähige Elektroden und Elektrolyte, die ein geringeres Gewicht, eine höhere Energiedichte und eine größere Reichweite bei geringeren Kosten bieten. Außerdem bieten die neuen SSBs mehr Sicherheit, da sie keine entflammbaren Materialien enthalten.

Um die Entwicklung von SSBs zu beschleunigen, investieren die Automobilhersteller Geld und Ressourcen in Technologien zur Batterieherstellung. Der deutsche Automobilhersteller Volkswagen beispielsweise kündigte eine Investition in Höhe von 100 Mio. USD in QuantumScape Corp. ein SSB-Startup, das aus der Stanford University, Kalifornien, hervorgegangen ist. In einer kürzlich veröffentlichten Pressemitteilung wies QuantumScape darauf hin, dass seine Lithium-Metall-Batteriezellen 400 aufeinander folgende 15-minütige Schnellladezyklen (4C) von 10% auf 80% der Kapazität der Zelle durchlaufen haben und dabei weit über 80% der ursprünglichen Energie beibehalten haben. Das SSB-Startup behauptet, dass dies eine Premiere für diese Art von Batterietechnologie ist. QuantumScape führte die Tests mit einschichtigen Prototyp-Batteriezellen in kommerzieller Größe bei verschiedenen Temperaturen (25°C und 45°C), 3,4 Atmosphären Druck und 100% Entladetiefe durch. Letztes Jahr demonstrierte das Unternehmen eine 10-Schicht-Zelle, die mindestens 800 Zyklen mit einem Energierückhalt von mehr als 80%, einer Lade- und Entladerate von 1C-1C bei 25°C, 3,4 Atmosphären Druck und 100% Entladetiefe durchlaufen kann.

Jagdeep Singh, Mitbegründer und CEO von QuantumScape, sagte in einer Erklärung: „Wir freuen uns, diesen technischen Meilenstein mit Volkswagen erreicht zu haben, und wir freuen uns darauf, gemeinsam daran zu arbeiten, die Lithium-Metall-Festkörperbatterie-Technologie in die industrielle Massenproduktion zu bringen.“ Im vergangenen Dezember sagte der CEO in einem Interview mit Verge, dass QuantumScape im Jahr 2024 produktionsreif sein wird.

Ebenso hat Mercedes-Benz eine Kooperation mit dem taiwanesischen SSB-Hersteller ProLogium Technology Co. vereinbart, um in den kommenden Jahren Testfahrzeuge mit gemeinsam entwickelten SSBs zu bauen. Und der Automobilhersteller Ford hat 20 Millionen US-Dollar in den SSB-Entwickler Solid Power investiert. Die Partnerschaft soll von der vollautomatischen Rolle-zu-Rolle-Produktionsanlage von Solid Power profitieren, die erst im vergangenen Jahr in Betrieb genommen wurde.

Neue Technologien wie SSB erfordern leistungsstarke, innovative Spannungswandler sowohl in der Produktion als auch in der Implementierung, und RECOM ist bereit, Custom und Semicustom-AC/DC- und DC/DC-Lösungen für die sich ständig weiterentwickelnde E-Mobilität zu liefern.