Embedded Systeme Halbleiterinnovationen für die Elektromobilität

Von Harvey Wilson *

Unternehmen, die an der Zukunft der Elektromobilität arbeiten, erwarten große Wachstumspotenziale. Insbesondere diejenigen, die die neuen Basistechnologien kennen. Lesen Sie, welche das sind.

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Ein E-Fahrzeug beim Laden: Mehr öffentliche Ladepunkte, kürzere Ladezeiten und einfachere Handhabung sind gefordert.
Ein E-Fahrzeug beim Laden: Mehr öffentliche Ladepunkte, kürzere Ladezeiten und einfachere Handhabung sind gefordert.
(Bild: © Blue Planet Studio - stock.adobe.com)

Unternehmen, die an der Zukunft der Elektromobilität arbeiten, müssen in diesem noch jungen und hoch dynamischen Markt immense technologische Herausforderungen meistern. Welche neuen Basistechnologien werden sie hierbei unterstützen, und welche technologischen Fortschritte sind für die nächsten Jahre zu er­warten?

Der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen hat einen neuen Höchststand erreicht. Nach Angaben von Statista wurden 3,2 Millionen Einheiten verkauft. Das sind rund 65 Prozent mehr Fahrzeuge als im Vorjahr. Getrieben wurde das Wachstum durch eine größere Modellpalette, verbesserte Leistungsparameter sowie staatliche Zuschüsse, die die Anschaffungskosten senkten. Es sind jedoch noch einige Herausforderungen zu meistern, um die Akzeptanz und damit den Absatz weiter zu steigern.

Mit mehr Ladepunkten die Reichweitenangst bekämpfen

Vor allem sind es eine Reihe technischer und logistischer Probleme, die sich hartnäckig halten. Für sie müssen Lösungen gefunden werden, damit die Verkehrswende gelingt. Die größte Hürde ist die allseits ins Feld geführte Reichweitenangst: dies führt dazu, dass potenzielle Autokäufer zögern, sich ein Elektroauto anzuschaffen, weil sie nicht genügend Vertrauen in die Verfügbarkeit einer angemessenen Ladeinfrastruktur haben, um längere Strecken zurücklegen zu können. Eine größere Dichte öffentlicher Ladepunkte muss deshalb dazu beitragen, diese Hürde zu meistern und die Zweifel der Menschen zu zerstreuen.

Die Ladevorgänge müssen deutlich verkürzt werden

Ein weiteres, damit unmittelbar verbundenes Sorgenkind ist der Zeitaufwand für den Ladevorgang. Menschen sind daran gewöhnt, den Tank ihres Autos innerhalb weniger Minuten aufzufüllen. Das Aufladen von Elektroautos dauert derzeit noch deutlich länger. Daher sollte die Verfügbarkeit öffentlich zugänglicher Schnellladegeräte in größerem Umfang vorgeschrieben werden, denn sie beschleunigen den Ladevorgang erheblich und machen ihn für Nutzer damit weniger lästig.

Die Dauer des Ladevorgangs in Haushalten kann ebenfalls deutlich verkürzt werden, wenn Gleichstrom-Wallboxen anstelle herkömmlicher Wechselstromanschlüsse genutzt werden.

Höhere Spannung und Leistung sind angesagt

Während standardmäßig im Heimgebrauch einphasiger Strom bezogen wird, nutzen Ladestationen für Autobahnen das dreiphasige Stromnetz als Quelle. 22 bis 43 kW Leistung können hier genutzt werden, was zu deutlich schnelleren Ladevorgängen führt. Der Einsatz von Leistungshalbleitern mit Wideband-Gap-Technologie auf Basis der SiC- oder GaN-Technologie – anstelle von konventionellem Silizium – sowie zugehörige Gate-Treiber in den Antriebssträngen der Fahrzeuge werden dabei von entscheidender Bedeutung sein. Sie ermöglichen schließlich die Unterstützung höherer Spannungen, sodass die derzeitig üblicherweise im Einsatz befindlichen 400-V-Systeme durch Systeme mit 800 V Nennwert ersetzt werden. Dies führt dazu, dass Elektrofahrzeuge nochmals deutlich effizienter werden, weniger Leistungsverluste aufweisen und zudem leichter werden. Infolge wird sich die Reichweite solcher Fahrzeuge nochmals deutlich erhöhen, was wiederum das Problem der Reichweitenangst löst.

Belastung der Stromnetze reduzieren

Die Einführung von Elektrofahrzeugen in großem Maßstab wird jedoch auch erhebliche Auswirkungen auf die bestehenden Stromverteilungsnetze haben. Die Europäische Union (EU) geht davon aus, dass bis 2030 mehr als 30 Millionen E-Fahrzeuge auf den Straßen aller Mitgliedsstaaten unterwegs sein werden. Dies kann zu erheblichen Belastungen der Stromnetze führen. Um Angebot und Nachfrage auszubalancieren, wird der Bedarf an intelligenter Messtechnik steigen, die durch fortschrittliche Konnektivität unterstützt wird, um schlussendlich das Risiko von Stromausfällen zu vermeiden.

Auch die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien vor Ort wird eine wichtige Rolle bei der Lösung dieses Problems spielen. Es scheint sicher, dass in Zukunft Photovoltaikanlagen oder Windturbinen sowie auch Speichersysteme an den Ladestationen stehen werden, um so den direkt aus dem Netz bezogenen Strom durch lokal bezogene regenerative Quellen zu ergänzen. Außerdem wird auch ein großer Teil der Haushalte über solche Mikrokraftwerke verfügen.

Fahrzeugbatterien als Energiespeicher nutzen

Es ist inzwischen anerkannt, dass dezentrale Energiespeicher in Zeiten des höchsten Verbrauchs für die Aufrechterhaltung der Netzstabilität sorgen werden. Die Einführung intelligenter Ladegeräte wird zudem die kontinuierliche Kommunikation mit dem Netz ermöglichen, so dass Belastungen des Netzes besser gesteuert und Ausfälle vermieden werden können. Durch die Einführung bidirektional kommunizierender Ladesysteme besteht sogar die Aussicht, dass der in stationären Batterien gespeicherte Strom zum Lastausgleich in das Netz zurückgespeist werden kann. Infolge könnte das in der Summe verfügbare Angebot in Spitzenzeiten noch filigraner auf den tatsächlichen Bedarf abgestimmt werden. Dies könnte schlussendlich sogar dazu führen, dass die Besitzer von E-Fahrzeugen sogar Einspeisevergütungen von den Energieversorgern erhalten, um einen Teil ihrer beim Fahrzeugkauf getätigten Investitionen zu kompensieren.

Höherer Bedienkomfort mindert Frustrationspotenzial

Ein gut definiertes Layout für die Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs), die in Ladestationen und heimischen DC-Wallboxen verwendet werden, ist ebenfalls von größter Bedeutung. Sie müssen jedoch extrem intuitiv und reaktionsschnell sein, um jegliches Frustrationspotenzial zu vermeiden.

Die Umstellung auf E-Fahrzeuge als vorherrschende Fahrzeugart auf unseren Straßen ist die Summe vielfältigster technologischer Innovationen. Lösungen, die heute hierfür zum Einsatz kommen, werden schon morgen durch neue Lösungen erweitert oder gar substituiert. Dies gilt sowohl für Ladeinfrastrukturen, Ladezeiten und Ladezyklen als auch für das zunehmend smarte Netz mit seinen dezentralen Energieerzeugern und Speichersystemen und sein Managementsystem zur Ausbalancierung von Angebot und Nachfrage.

Technologietransfer für OEMs

Unternehmen, die als OEM die Lösungen für die Elektromobilität bereitstellen – in Bezug auf Leistungselektronik, drahtlose Konnektivität, Mikrocontroller, HMIs, Powerline-Kommunikation, Webdienste und Sicherheit – haben noch viele weitere, äußerst kreative Ideen, die die Verbreitung von Elektroautos vorantreiben werden. Halbleiterspezialisten wie Avnet Silica unterstützen sie dabei durch umfassende Anwendungsunterstützung, Mehrwertdienste und Logistiklösungen für die gesamte Bandbreite der in der Elektromobilität zum Einsatz kommenden Basistechnologien. Sie sind zudem auch ihr Impulsgeber, indem ihre Field Application Engineers (FAE) die Funktion des verlängerten Sprachrohrs der Halbleiterhersteller übernehmen und so neue technologische Ansätze schnell, punktgenau – aber auch reflektiert und kundenzentriert – ins Feld führen können. Nicht zuletzt liefern sie auch Informationen zu dem, was heute bei den Halbleiterherstellern in Vorbereitung ist – diese sind schließlich entscheidend für die Entwicklungen der Lösungen von morgen. Die Einbindung der Branchenexperten der umfassend aufgestellten Avnet Silica kann deshalb so manchen Evaluierungsprozess deutlich verkürzen, denn sie kann OEMs herstellerübergreifend entsprechenden Überblick verschaffen.

* Harvey Wilson ist Systems Engineer Technical Marketing bei Avnet Silica.

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