Reichweite von Elektrofahrzeugen Weiter – aber wie?

Das Potenzial der E-Fahrzeuge

Die Forscher vom Fraunhofer-Institut ISI sind dennoch überzeugt, dass E-Fahrzeuge durchaus das Potenzial haben, »deutliche Wirtschaftlichkeitsvorteile gegenüber konventionellen PKWs zu erlangen. Viel hängt aber davon ab, ob die Kostensenkungspotenziale bei E-Fahrzeugen, insbesondere der Batterien, realisiert werden. Weiterhin hat die Politik der Steuern und Abgaben auf Kraftstoffe und Strom, die derzeit in Deutschland aus Sicht der E-Fahrzeuge ungünstig gestaltet ist, einen wichtigen Einfluss, ebenso wie die weitere Förderpolitik.«

Reichweite erhöhen – mit SiC

SiC (Siliziumkarbid) ist eine vieldiskutierte Technik, die im Vergleich zu siliziumbasierten Bausteinen einige Vorteile aufweist. So erreichen SiC-MOSFETs im Vergleich zur klassischen Siliziumvariante dank geringerer Verlustleistungen höhere Wirkungsgrade. Außerdem können SiC-Bausteine mit höheren Schaltgeschwindigkeiten arbeiten, was die Nutzung von kleineren Induktivitäten und Kondensatoren ermöglicht und damit kompaktere Systeme. Armin Derpmanns, Head of Semiconductor Marketing & Operations von Toshiba Electronics Europe, betont die Vorteile von SiC, weist aber auch auf noch bestehende Probleme hin: Kosten und Design. »Die Vorteile von SiC stehen nicht infrage; die Frage ist vielmehr, wie diese Komponenten in Systeme eingebaut werden müssen, um die Vorteile auch wirklich nutzen zu können«, so Derpmanns.

Und genau dieser Punkt hat aus seiner Sicht eine hohe Relevanz. Es gehe also nicht nur um Fragen nach Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit von hohen Volumina oder welche Applikationen nimmt die Volumina auf, sondern aus seiner Sicht müssen auch systemrelevante Themen diskutiert werden. »Damit müssen sich die Systementwickler beschäftigen, um die SiC-Komponenten richtig einsetzen zu können, denn SiC ist kein einfaches Plug-in Replacement für bestehende Leistungshalbleiter«, betont Derpmanns weiter. Und genau Letzteres, so seine Erfahrung, werde oft übersehen, viele seien sich überhaupt nicht bewusst, wie komplex der Einsatz von SiC ist.

STMicroelectronics ist ebenfalls ein großer Player am SiC-Markt, doch Claudio Valesani, Group Vice President und Head der EMEA Central Europa Sales Unit von STMicroelectronics, beurteilt die Lage etwas anders als Derpmanns: »SiC ist von der Design-Seite her sicherlich etwas schwierig, aber auch nicht viel kritischer als andere Technologien.«

Die Lernkurve muss durchlaufen werden

Laut Valesani arbeiten alle großen OEMs in diesem Bereich an dem Thema. Doch bei den einen Herstellern ist SiC noch in der Entwicklung, bei den anderen – bekanntermaßen beispielsweise bei Tesla – sind die Bausteine schon auf der Straße. Und das macht einen Unterschied, denn aus der Sicht von Hans Adlkofer, Vice President Head of Automotive Systems Group von Infineon Technologies, müssen alle Hersteller eine Lernkurve durchlaufen. Das ist mit allen neuen Technologien der Fall. Beispiel aus der Vergangenheit: Anfänglich stellten die IGBTs eine große Herausforderung für die Unternehmen dar, heute ist es Stand der Technik. »Jetzt durchlaufen wir dieselbe Entwicklung bei SiC.« Und dasselbe wird seiner Meinung nach später auch mit GaN passieren.

Die geringere Verlustleistung ist der Köder für SiC, die Kosten sind die Bremse, plus den Herausforderungen, solch eine Technologie so einzusetzen, ohne dass sie einem um die Ohren fliegt. Hinzu kommt noch die EMV-Problematik. Adlkofer ist überzeugt: »Die SiC-Bausteine werden auch morgen noch teurer sein, die GaN-Bausteine noch übermorgen.«

Welcher Hersteller die Lernkurve wie weit schon durchschritten hat, ist wie gesagt unterschiedlich. Die einen sind eher konservativ und warten ein bisschen ab, die anderen preschen vor. »Aber alle Probleme sind lösbar und jeder OEM wird die für ihn passende Geschwindigkeit definieren«, so Adlkofer weiter. Denn eines sei klar: Ein Autobauer kann kein Auto mit SiC-Bausteinen verkaufen, das interessiert keinen Kunden. Setzt er aber zu früh auf diese Technik, »verliert er seine Reputation, wenn die Autos liegen bleiben«, fährt Adlkofer fort und: »In zehn Jahren wird jeder das SiC-Portfolio beherrschen und die Produkte auch auf die Straße bringen.« Valesani sieht die Sache ähnlich wie Adlkofer; jeder OEM würde seine eigene Strategie bei der SiC-Einführung verfolgen, aber jeder wird SiC nutzen und auf die Straße bringen.

Aus der Sicht von Valesani beschäftigen derzeit die Kunden aber ganz andere Fragen: Die Verfügbarkeit der Komponenten, reicht die Versorgung aus, sind die Lieferanten in der Lage, die Nachfrage zu bedienen? Valesani: »Das sind die größeren Fragen, nicht die technischen. Der eine oder andere mag vielleicht noch über die Zuverlässigkeit grübeln, aber die weitaus größere Frage lautet: Schaffen es die Lieferanten, das große Wachstum zu unterstützen?«

Lassen sich die SiC-Vorteile im System darstellen?

Wenn Kunden überzeugt werden müssen, dass eine teurere Komponente die sinnvollere ist, dann müssen die Argumente stichhaltig sein. Inwieweit können die Halbleiterhersteller also belegen, dass der Einsatz von SiC auf der Systemebene Effizienzvorteile mit sich bringt? Laut Valesani lässt sich das für einzelne Modelle einfach durchführen. Adlkofer hält die Frage allerdings schon für sinnlos, allein aufgrund der Tatsache, dass IGBTs nicht einfach durch SiC-Komponenten ersetzt werden können. Denn nur den einen Baustein mit dem anderen zu ersetzen bringt keine Vorteile, das gesamte System muss angeschaut und zum Teil angepasst werden. Das fängt bei der Aufbau- und Verbindungstechnik an, geht über den Moduleinbau und endet bei der Optimierung des Elektromotors. »Jeder Schritt bringt einzelne Prozentpunkte, die aber in der Summe zu einem relativ hohen Prozentsatz führen.«