Batterien : Elektroautos: Die entscheidenden Entwicklungen der nächsten Jahre

Auch wenn die derzeitigen Stromkosten den Elektromobilitäts-Boom drosseln könnten – der allgemeine Trend zum E-Auto wird nicht abreißen. Seit 2011 wächst der Absatz stetig.

Die Anzahl der Elektroautos hat in Österreich erstmals die 100.000er-Grenze überschritten, rechnete heute der VCÖ vor. Der Anteil am gesamten Pkw-Bestand betrage nun zwei Prozent, bei den in den ersten neun Monaten neuzugelassenen Pkw würden bereits 14,8 Prozent ausschließlich mit Strom fahren.

Doch auch die E-Mobilität entwickelt sich weiter – und muss dies tun. Erste Projekte gab es tatsächlich schon vor 100 Jahren. Seither ist viel passiert, doch verschiedene Aspekte – unter anderem Kosten und Umwelt – zwingen zur weiteren Optimierung.

Zwar verursachen E-Pkw inklusive Fahrzeug- und Batterieherstellung sowie Energiebereitstellung deutlich weniger klimaschädliches CO2 als Benzin- und Diesel-Pkw. Laut VCÖ werden sie aber in ihrer Energie- als auch Umweltbilanz mit zunehmender Größe schlechter.

In welchen Bereichen können wir uns auf Innovationen einstellen?

In der Kfz-Leistungselektronik (Wechselrichter, Ladegeräte, Gleichspannungswandler) wird daran gearbeitet, den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs zu verbessern, was entweder eine Verringerung der Batteriekapazität oder eine größere Reichweite ermöglicht. Einer der wichtigsten Wege zu mehr Effizienz ist der Übergang zu Siliziumkarbid-MOSFETs und Hochspannungsplattformen mit 800 V oder mehr. Renault, BYD, GM, Hyundai und andere haben 800-V-Fahrzeugplattformen angekündigt, die bis 2025 Siliziumkarbid-MOSFETs in ihrer Leistungselektronik einsetzen werden.

Die Umstellung stellt neue Herausforderungen an die Gehäusematerialien von Leistungsmodulen, da höhere Schaltfrequenzen, höhere Leistungsdichten und höhere Betriebstemperaturen gefordert sind, und das alles bei einer Lebensdauer von 15 Jahren. In den nächsten Jahren könnten 800-V-Plattformen und SiC-Wechselrichter auf zehn Prozent Marktanteil ansteigen. Da die Leistungsdichte von Halbleiterchips exponentiell zunimmt, werden neue doppelseitige Kühlungsdesigns, Kupferdrahtverbindungen und Leadframes diesen Trend ermöglichen.

Die Möglichkeiten für Brennstoffzellen auf dem Automobilmarkt sind begrenzt, auch wenn die Märkte weiterhin wachsen, unterstützt durch staatliche Förderung. Der Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen ist kein neues Konzept. Große OEMs wie Toyota, Ford, Honda, GM, Hyundai, Volkswagen, Daimler und BMW haben in den letzten 30 Jahren bereits große Summen in die Weiterentwicklung der Technologie investiert. Bei Personenkraftwagen wurden enorme Anstrengungen und Kosten in die Entwicklung von Brennstoffzellen gesteckt, aber im Jahr 2022 haben nur zwei große OEMs, Toyota und Hyundai, FCEV-Fahrzeuge in Produktion. 2021 wurden weniger als 20.000 FCEVs verkauft.

Die Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen steht vor großen Herausforderungen. Unter anderem sind die Systemkomponenten kostenintensiv und es bedarf einer ausreichenden Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung. Ebenfalls von entscheidender Bedeutung ist die Verfügbarkeit von preiswertem grünem Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von erneuerbarem Strom hergestellt wird.

Elektromotoren werden immer noch weiterentwickelt, mit neuen Designs, die die Leistungs- und Drehmomentdichte verbessern, und mit mehr Überlegungen zu den verwendeten Materialien. Dabei handelt es sich nicht nur um schrittweise Verbesserungen, sondern auch um Entwicklungen wie Axialflussmotoren und den vollständigen Verzicht verschiedener OEMs auf Seltene Erden.

Es gibt mehrere wichtige Leistungskennzahlen für Elektromotoren. Die Leistungs- und Drehmomentdichte ermöglicht eine verbesserte Fahrdynamik in einem kleineren und leichteren Paket, da Gewicht und Platz bei E-Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielen. Ein weiterer kritischer Bereich ist die Effizienz des Fahrzyklus. Eine Verbesserung des Wirkungsgrads bedeutet, dass beim Beschleunigen des Fahrzeugs weniger von der in der Batterie gespeicherten kostbaren Energie verschwendet wird, was zu einer größeren Reichweite bei gleicher Batteriekapazität führt. Aufgrund der vielen unterschiedlichen Überlegungen bei der Motorkonstruktion hat der Markt für Elektrofahrzeuge mehrere verschiedene Lösungen angenommen, darunter Permanentmagnet-, Induktions- und Wickelmotoren.

In den nächsten nächsten Jahre könnten magnetfreie Varianten – aufgrund von Kosten und Nachhaltigkeit – an Bedeutung gewinnen.

Autonomes Fahrzeug (AV) ist ein Oberbegriff für die sechs Stufen, die von der SAE definiert wurden. Heute werden die meisten Neuwagen mit der Option der Stufe 2-Funktionalität ausgeliefert, und die Industrie ist technisch bereit für Stufe 3, sobald die regulatorischen Hürden genommen sind.

In den letzten Jahren haben enorme Verbesserungen bei autonomen Fahrzeugtechnologien wie Radar, Lidar, HD-Kameras und Software die Robotaxis an die Schwelle zur Marktreife gebracht. In bestimmten Szenarien wird die autonome Stufe 4 bereits 2022 kommerzialisiert, wobei Cruise und Baidu erste Dienste in den USA bzw. China anbieten.

Das Marktforschungsunternehmen IDTechEx geht davon aus, dass der Markt in den nächsten 20 Jahren um bis zu 47 Prozent wachsen wird.