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E-Mobilität steht und fällt mit den Leistungshalbleitern

Redakteur: Gerd Kucera

Clevere Software, präzise Sensoren, schnelle Bilderfassung, 5G-Kommunikation, G5-WLAN-Technik: Digitalisierung schafft neue Facetten für die E-Mobilität. Doch nichts funktioniert ohne geeignete Leistungshalbleiter, wie Principal Application Engineering Dr. Martin Schulz (Infineon) weiß.

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Batterieelektrische Busse: Die E-Mobilität hat einen hohen Bedarf an entsprechend leistungsstarken Halbleitern mit großer Zuverlässigkeit.
Batterieelektrische Busse: Die E-Mobilität hat einen hohen Bedarf an entsprechend leistungsstarken Halbleitern mit großer Zuverlässigkeit.
(Bild: Infineon)

„Treibende Kräfte hinter der aktuellen Blüte der Elektromobilität sind Klimawandel, Umweltbewusstsein, Neuregelungen bei Emissionen und die Entwicklung der Batterie-Technologie. Neben der medial präsenten Veränderung im PKW-Bereich läuft zeitgleich der Wandel bei Bussen, Lieferfahrzeugen, Lastkraftwagen und Baustellenfahrzeugen. Nach Schätzungen der EU erzeugen diese Fahrzeuge in Europa 25% der Schadstoffemissionen im Verkehr.

Erste vollständig elektrische Prototypen namhafter Hersteller befinden sich in der Erprobung. Entgegen der häufig vertretenen Meinung, dass ein 40-Tonner nie wirtschaftlich die notwendige Reichweite aus Batterien erzielen kann, tummeln sich inzwischen Batterie-elektrische Busse der 18-Meter-Klasse und LKW mit höchster Ladekapazität auf internationalen Straßen.

Es sind sowohl die stetig wachsenden Batteriekapazitäten als auch innovative, hoch effiziente Leistungshalbleiter im Antriebsstrang, die zur Erweiterung der Reichweite solcher Fahrzeuge beitragen. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren spielt die Rückgewinnung von Bremsenergie eine entscheidende Rolle, insbesondere bei langen Bergabfahrten. In dieser anspruchsvollen Applikation besteht ein hoher Bedarf an leistungsfähigen Halbleitern, die die Anforderung an die Lebensdauer decken können. LKW und Busse zielen hier auf eine Laufleistung von bis zu einer Million Kilometer in einem Zeitraum von 15 Jahren.

Besonders für LKW interessant ist das Platooning – das Aneinanderreihen von Fahrzeugen zu einem Zug als Option zur weiteren Effizienzsteigerung. Das Fehlen von energieintensiven Überholmanövern und die Reduktion des Luftwiderstandes bei dicht hintereinander fahrenden LKW sind vorteilhaft. Das macht eine intensive Kommunikation zwischen den idealerweise automatisiert fahrenden Fahrzeugen erforderlich.

Dazu bedarf es schneller Verbindungen, beispielsweise via 5G, präzise arbeitender Sensoren, 2D- und 3D-Bilderfassung sowie sicherer Subsysteme für automatisiertes Lenken und Beschleunigen. Wenngleich die Leistungen hierfür erheblich kleiner sind als im Antriebsstrang, besteht in diesen sicherheitstechnisch wichtigen Systemen eine sogar noch größere Anforderung an die leistungselektronischen Komponenten, Treiberschaltungen, Mikrocontroller und Sensoren.

Mit dem Aufkommen fahrerloser Systeme ergeben sich weiter steigende Anforderungen an die Lade-Infrastruktur für Großfahrzeuge. Übernimmt der Computer das Fahren, fallen gesetzlich vorgeschriebene Lenkpausen weg. Ohne eine Pause für den Fahrer wächst der Wunsch nach schnellstmöglicher Ladung. Aktuell sind Spannungen bis zu 1500 V und Ströme bis 3000 A in der Diskussion, was zu Ladeleistungen von etwa 4,5 MW führt. Ein Großfahrzeug hat einen Bedarf von etwa 1 kWh/km. Die Energie für weitere 400 km Reichweite lässt sich mit einer Leistung von 4 MW in nur sechs Minuten übertragen – theoretisch.

Dr. Martin Schulz, Infineon: „Bei hohen Leistungen wird der Wirkungsgrad der Energiewandlung immer wichtiger.“
Dr. Martin Schulz, Infineon: „Bei hohen Leistungen wird der Wirkungsgrad der Energiewandlung immer wichtiger.“
(Bild: Infineon)

Bei hohen Leistungen wird der Wirkungsgrad der Energiewandlung immer wichtiger. Da höhere Verluste intensivere Kühlung bedeuten, steigen die Kosten für den Betreiber. Dies macht moderne Wide-Band-Gap-Materialien auf SiC-Basis zu vielversprechenden Technologien in diesem Applikationsfeld.“

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