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Schlüsseltechnologien für E-Fahrzeuge: Die Elektromobilität und ihre Herausforderungen

| Autor / Redakteur: Mark Patrick / Benjamin Kirchbeck

In dieser sechsteiligen Serie untersuchen wir das Thema Elektrofahrzeuge, ihre zugrunde liegenden Technologien, die limitierenden Faktoren, die die Entwicklung und Einführung beeinflussen, und was wir in der Zukunft erwarten können. Teil 1: Die Herausforderungen der E-Mobilität.

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Angesichts der geringeren Reichweite im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor muss die Öffentlichkeit ihre Einstellung zur „Betankung“ ändern.
Angesichts der geringeren Reichweite im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor muss die Öffentlichkeit ihre Einstellung zur „Betankung“ ändern.
(Bild: Mouser)

In den 1960er Jahren war der Wettlauf ins All in vollem Gange und riesige amerikanische spritfressende Autos, die eher Sofas auf Rädern als Fahrzeugen glichen, waren die Könige der Straße. Kein Wunder, dass zu den damals gezeichneten Zukunftsvisionen des 21. Jahrhunderts fliegende Autos und Autobahnen mit selbst fahrenden Fahrzeugen gehörten.

Die Realität für den Autofahrer im Jahr 2020 sieht jedoch deutlich anders aus: Für diejenigen, die täglich pendeln, erscheinen Geschwindigkeitsbegrenzungen aufgrund unzähliger Staus eher wie Geschwindigkeitswunschträume, vollständig autonome Fahrzeuge stecken noch immer im Prototypstadium und ein für die breite Öffentlichkeit erhältliches fliegendes Auto ist noch ein Jahrzehnt entfernt.

Der sorglose Umgang mit den fossilen Brennstoffen hat uns inzwischen endgültig eingeholt. Der Straßenverkehr in Europa ist für fast ein Viertel der europäischen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Dies ist der einzige Sektor, der zwischen 1990 und 2007 ein Emissionswachstum und seitdem nur einen allmählichen Rückgang zu verzeichnen hatte. Studien zeigen, dass Feinstaub aus Kraftfahrzeugen auch eine direkte Auswirkung auf eine Reihe von Atemwegserkrankungen hat.

Ende der 1990er Jahre entstand mit der Einführung des Toyota Prius eine kommerzielle Alternative zum reinen Verbrennungsmotor. Dieses Modell gilt heute als eines der saubersten und sparsamsten erhältlichen Fahrzeuge. Inzwischen hat Tesla an Bedeutung gewonnen und Plug-in-Akku-Elektrofahrzeuge (BEV) ins Rampenlicht gerückt. Tesla hat als erstes Automobilunternehmen mehr als eine Million batterieelektrische Fahrzeuge verkauft. Die Strategie des Unternehmens bestand darin, die Technologie in teuren Luxusfahrzeugen zu verfeinern, um sie in erschwingliche Elektroautos für die breite Masse zu überführen.

Basistechnologien

Die Artikel-Serie diskutiert die vollelektrische Revolution beim Antrieb von Fahrzeugen, beginnend mit der Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterietechnologie (Teil 2). Eine der größten Hürden bei der Entwicklung von BEVs war es, eine Speichertechnologie zu finden, die mit der Energiedichte von Benzin und Diesel konkurrieren kann. Lithium-Ionen-Batterien haben zwar ihr volles theoretisches Potenzial noch nicht ausgeschöpft, aber in Kombination mit fortschrittlichen Batteriemanagementsystemen (BMS) und effizienter Energieumwandlung können sie für den Bau von Fahrzeugen mit einer Reichweite von 600 km eingesetzt werden. Leider fallen solche Fahrzeuge in das Preissegment der Luxusautos. Diejenigen von uns, die über bescheidenere Mittel verfügen, müssen sich derzeit noch mit Fahrzeugen mit einer Reichweite von 100 bis 200 km begnügen.

Der andere Faktor in Bezug auf eine hohe Reichweite ist natürlich der Antriebsstrang, das dritte Thema der Serie. Bürstenlose Elektromotoren sind wesentlich effizienter als die klassische DC-Bürstenmotoren. Der Schlüssel zur bestmöglichen Nutzung der Batteriekapazität liegt jedoch in der Entwicklung hocheffizienter Antriebselektronik. Bisher wurden aufgrund der erforderlichen Leistungen und Spannungen in erster Linie IGBTs als Halbleitertechnologie eingesetzt. Die Wide Bandgap (WBG)-Technologie, wie z.B. Siliziumkarbid (SiC), hat nun einen Entwicklungsstand erreicht, mit dem sie die hohen Standards der Automobilindustrie erfüllen kann. Unserer Ansicht nach wird dies zu weiteren Effizienzsteigerungen bei der Leistungsumwandlung sowie zu einer Verringerung von Größe und Gewicht führen, wovon die BEVs in gewissem Umfang profitieren werden.

Hindernisse bei Entwicklung und Anwendung

Angesichts der geringeren Reichweite im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor muss die Öffentlichkeit ihre Einstellung zur „Betankung“ ändern. Das führt zum nächsten Thema: die Ladekonzepte (Teil 4). BEVs können nicht wie konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor innerhalb von Minuten betankt werden. Das Laden setzt vielmehr eine gewisse Planung und eine Berücksichtigung bei der Fahrzeugnutzung voraus. Ein Beispiel: Dort, wo wir für längere Zeiträume parken, wie etwa auf dem Büroparkplatz, beim Einkaufen oder auf Park & Ride-Parkplätzen in der Nähe von öffentlichen Verkehrsmitteln. Die DC-Schnellladung ist definiert als die Bereitstellung von Leistungen von bis zu 350 kW. Diese Technologie kommt zwar der Betankungszeit eines herkömmlichen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor nahe, es hängt allerdings von der Batterietechnologie des BEV ab, ob diese Ladetechnologie unterstützt wird. Darüber hinaus gibt es einige große Herausforderungen bei der Wärmeableitung, selbst bei einem Wirkungsgrad von 97 % oder mehr.

Natürlich sind BEVs nicht die einzig mögliche Alternative für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) haben sich im Laufe der Zeit im Hintergrund stetig weiterentwickelt (Teil 5), und inzwischen sind auch eine Handvoll Modelle erhältlich. Mit Wasserstoff als Kraftstoff tanken sie wie bei einem konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und haben eine vergleichbare Reichweite. Hier bleibt der Preis für Einstiegsmodelle eine Herausforderung, wobei die geringen Stückzahlen und die begrenzte Anzahl von Tankstellen, die Wasserstoff anbieten, nicht gerade hilfreich sind.

Künftige Elektrofahrzeuge

Der letzter Beitrag der Reihe befasst sich mit der Automobillandschaft bis 2030 und wirft einen realistischen Blick darauf, welche aktuellen technologischen Forschungsergebnisse in diesem Zeitraum vermarktet werden können. Reichweitenverbesserungen allein durch technischen Fortschritt werden begrenzt sein, und ein signifikanter Durchbruch in der Batterietechnologie ist ebenfalls unwahrscheinlich. Wasserstoff scheint dank der ähnlichen Nutzer- bzw. Tankgewohnheiten wie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ein großes Potenzial zu bieten. Und vielleicht werden sich die Erwartungen der Autobesitzer und die Geschäftsmodelle ändern, um die dringend erforderliche Reduzierung der Kohlendioxidemissionen aus dem Verkehrssektor zu erreichen.

Teil 2: Die Akku-Packs

Teil 3: Der elektrische Antriebsstrang

Teil 4: Die Ladekonzepte

Teil 5: Die Wasserstoff-Brennstoffzellen

Teil 6: Ein Ausblick auf das Jahr 2030

* Mark Patrick ist für Mouser Electronics als Technical Marketing Manager tätig.

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