Wichtige Vorteile und Herausforderungen der Elektromobilitätsrevolution

Mit der zunehmenden Popularität von Elektrofahrzeugen (EV) schreitet auch die Entwicklung der Technologien für den elektrischen Antriebsstrang schnell voran und wird in anderen Elektromobilitätsanwendungen zum Standard. Elektrische Antriebsstränge finden sich beispielsweise in Rollstühlen, Motorrollern und Aufsitzspielzeug. Die zunehmende Vielfalt der Lösungen für den elektrischen Antriebsstrang eröffnet neue Anwendungsbereiche und den Ersatz herkömmlicher Verbrennungsmotoren (ICE) in vielen Mobilitätsprodukten für Verbraucher und Industrie, darunter Motorroller, E-Bikes, fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV) und Maschinen wie Gabelstapler für den leichten Industrieeinsatz.

Dieser Wandel hin zu elektrischen Antriebssträngen wird als Revolution der Elektromobilität bezeichnet. Die neuen Anwendungen bringen Herausforderungen mit sich, die von den Technikern sorgfältig abgewogen werden müssen, um Sicherheit und Funktionalität dieser Lösungen zu gewährleisten. Dieser Artikel befasst sich mit den Vor- und Nachteilen der Elektromobilität und elektrischer Antriebsstränge in diesen Anwendungen.

Was ist Elektromobilität?

E-Mobilität, die Abkürzung für „Elektromobilität“, bezeichnet einen transformativen Wandel hin zur Elektrifizierung von Transport- und Industrieanwendungen. E-Mobilität erfreut sich wachsender Beliebtheit, da sie gegenüber herkömmlichen Mobilitätslösungen Nachhaltigkeit, Effizienz, Sicherheit und technologische Vorteile bietet. Lösungen im Bereich der E-Mobilität können so klein wie ein elektrisches Skateboard/Hoverboard und so groß wie Schiffe und Industrieanlagen sein.

Das Konzept der Mobilität geht über einzelne Fahrzeuge hinaus und umfasst auch die erforderliche Infrastruktur wie Ladenetze, die Integration erneuerbarer Energien, Smart-Grid-Technologie und Recyclinginfrastruktur. Verbraucher, Industrie und Regierungen auf der ganzen Welt fördern die Elektromobilität zunehmend als Schlüsselstrategie zur Bekämpfung des Klimawandels, zur Reduzierung der Luftverschmutzung und zur Revolutionierung des Energiesektors.

Nutzen und Vorteile der Elektromobilität

Unmittelbar verfügbares Drehmoment und rasantes Ansprechverhalten

Elektrische Antriebsstränge sind eine Schlüsselkomponente der Lösungen im Bereich der E-Mobilität. Sie liefern hohes Drehmoment mit überlegener Beschleunigung und hervorragendem Ansprechverhalten. Während das unmittelbar verfügbare Drehmoment üblicherweise mit höherer Beschleunigung in Verbindung gebracht wird, ist es auch für eine bessere Traktionskontrolle äußerst vorteilhaft. Diese Vorteile steigern Leistung und Sicherheit bei Anwendungen wie Gabelstaplern, Fahrrädern und AGV.

Weniger Lärmemissionen

Fahrzeuge mit herkömmlichem Verbrennungsmotor erzeugen erheblich mehr Lärm als Elektromobilitätslösungen vergleichbarer Leistung. So erzeugen Fahrzeuge der Formel 1 bei Rennen etwa 134 dB. Diese Lautstärke kann Gehörschäden verursachen. Vergleichbare Fahrzeuge der Formel E entwickeln dagegen nur 80 dB, was etwa einem Wecker oder Staubsauger entspricht. Elektromobilitätsanwendungen bieten sich also gerade in sensiblen oder regulierten Umgebungen wie Baustellen, Stadtgebieten und im maritimen Bereich an.

Energieeffizienz

Elektrische Antriebsstränge weisen eine deutlich höhere Energieeffizienz als ihre Gegenstücke mit Verbrennungsmotor auf. Elektromotoren können mehr als 85 % der elektrischen Energie in mechanische Energie umwandeln, während Verbrennungsmotoren weniger als 40 % der chemischen Energie in mechanische Energie umwandeln. Diese Energieeffizienz ist insbesondere in Sektoren wie der Fertigungs- und der Transportbranche von Vorteil, in denen die Energiekosten einen großen Teil der Betriebskosten ausmachen. Bei Anwendungen wie dem Fahrzeugsharing – etwa von Rollern – ist Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung, um die Kundenbedürfnisse zu erfüllen und den Beförderungsbedarf eines ganzen Tages mit einer Batterieladung zu ermöglichen.

Nachhaltigkeit

Elektromobilitätslösungen sind eine nachhaltige Alternative zu Verbrennungsmotoren. Herkömmliche Zweitaktmotoren stoßen mit fast 5500 ppm im Vergleich zu den Emissionen von 850 ppm bei Viertaktautos sehr viel Kohlenwasserstoff aus. Aufgrund dieser Diskrepanz erließ die US-Umweltschutzbehörde EPA vor fast 20 Jahren strenge Beschränkungen in Bezug auf die Emissionen von Zweitaktmotoren.

Dirtbikes, ATV, UTV, Jetskis, Mopeds, Gartengeräte und andere Mobilitätslösungen für den privaten Gebrauch enthalten aufgrund des hohen Leistungsgewichts und der niedrigen Kosten üblicherweise Zweitaktmotoren. Infolgedessen kommt es in Entwicklungsländern, in denen diese Geräte besonders verbreitet sind, häufig zu großen Problemen mit der Umweltverschmutzung.

Bild: Sichtbare Luftverschmutzung in der „blauen Stadt“ Jodhpur aufgrund der Vielzahl an Zweitaktfahrzeugen

Elektromotoren verursachen keine Emissionen, sind also eine Sofortlösung des Problems. Elektromobilitätslösungen können die Zahl der durch Schadstoffe verursachten Todesfälle unmittelbar senken und die Treibhausgasemissionen durch diese Anwendungen drastisch reduzieren. Das macht sie zu einem geeigneten Beitrag zur ökologischen Nachhaltigkeit auf der ganzen Welt.

Herausforderungen von Elektromobilitätslösungen

Beschränkungen der Infrastruktur

Elektromobilitätslösungen sind auf eine umfangreiche elektrische Infrastruktur angewiesen, die den Strombedarf der jeweiligen Anwendung decken kann. Bei kleinen Elektromobilitätslösungen für Privathaushalte kann dieser Bedarf größtenteils über die herkömmliche Strominfrastruktur gedeckt werden. Aber in Anwendungen mit großem Strombedarf wie Fertigung und Bergbau muss die Ladeinfrastruktur für Elektromobilitätslösungen groß und leistungsstark sein, um auch industrielle Bedarfe erfüllen zu können.

Begrenzte Reichweite und Batterielaufzeit

Ungeachtet der Fortschritte in der Batterie- und Energiemanagementtechnologie ist die Reichweite von Elektromobilitätslösungen im Vergleich zu herkömmlichen Energiequellen geringer. Bei Geräten wie Schiffen und Maschinen kann ein häufigeres Laden oder eine höhere Batteriekapazität erforderlich sein, um den betrieblichen Anforderungen gerecht zu werden. Bei kleineren Motoren wie denen von Motorrollern, Rollstühlen und E-Bikes werden oft Ersatzbatterien mitgeführt.

Glücklicherweise kann die Auswahl der geeigneten Batteriespannung und -chemie dazu beitragen, die Leistung und Effizienz von Lösungen im Bereich der Elektromobilität zu optimieren. Jede Batteriechemie weist unterschiedliche Parameter wie Energiedichte, Leistungsabgabe, Lebenszyklen, thermische Stabilität, spezifische Energie und spezifisches Gewicht auf, die beim anwendungsorientierten Festlegen des Systemdesigns berücksichtigt werden müssen. Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Typen von Lithium-Ionen-Batterien.

Isolierter DC/DC-Wandler

NCA-Lithiumbatterien (also Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid) können beispielsweise für bestimmte Arten von Elektrofahrzeugen verwendet werden, die über einen längeren Zeitraum hohe Stromlasten benötigen. Andere Elektrofahrzeuge können Lithiumeisenphosphat (LiFePO4 oder LFP) für außergewöhnliche thermische Stabilität und lange Lebensdauer verwenden. Lithiumtitanatbatterien (Li2TiO3) bzw. LTO-Batterien sind thermisch stabil und haben eine noch längere Lebensdauer, weshalb sie vor allem in kleineren elektrischen Antriebssträngen zum Einsatz kommen.

Darüber hinaus kann die Leistung der Elektromobilitätslösung durch die richtige Auswahl von Batteriespannung und Steuerhardware für die jeweilige Anwendung optimiert werden.

Isolierter DC/DC-Wandler

Durch den Einsatz hocheffizienter Hochleistungs-MOSFET wie NTMFS5C404N von onsemi oder IPT012N08NF2SATMA1 von Infineon kann die Palette der Elektromobilitätslösung erweitert werden, da sie Effizienz und Leistungsdichte gegenüber herkömmlichen Komponenten auf Siliziumbasis erhöhen. Mit SiC-MOSFET können Spannungsversorgungssysteme mit höherer Spannung realisiert werden. Das steigert die Leistung und die Effizienz des Gesamtsystems, erhöht die Gerätereichweite sowie die Nutzungsdauer.

Anschaffungskosten

Für eine vollständige Umstellung auf Elektromobilität sind einschließlich der jeweiligen Geräte und der Ladeinfrastruktur im Vergleich zu Systemen mit Verbrennungsmotor erhebliche Anfangsinvestitionen erforderlich. Langfristige Einsparungen für den Betrieb können die Ausgaben zwar rechtfertigen, die höheren Vorlaufkosten erschweren aber die Einführung bei beschränkten Budgets, wie etwa in Branchen mit niedrigen Margen und in Entwicklungsländern.

In einzelnen Geräten kann die Verwendung effizienterer Komponenten wie der neuesten MOSFET mit niedrigem RDSon und LTO-Lithium-Ionen-Batterien zu noch höheren Vorlaufkosten führen. Diesen Ausgaben steht jedoch eine verbesserte langfristige Kostenstabilität und die längere Lebensdauer gegenüber.

Sicherheit und Wärmemanagement

Im Dezember 2015 identifizierte die US-Verbraucherschutzbehörde CPSC (Consumer Product Safety Commission) zwölf Vorfälle im Zusammenhang mit Elektromobilitätsgeräten, die erheblichen Schaden anrichteten. Alle zwölf Vorfälle standen im Zusammenhang mit den damals beliebten „Hoverboards“, einem selbstbalancierenden zweirädrigen Spielzeug im Bereich der Elektromobilität für Verbraucher.

Die Hoverboards wurden schnell mit der spontanen Brandentwicklung in Verbindung gebracht. Bis Juli 2016 wurden über sechzig Brände im Zusammenhang mit Hoverboards dokumentiert, die einen Sachschaden von über 2 Millionen USD verursachten. Überraschenderweise waren die Hoverboard-Brände nicht auf eine bestimmte Art unsachgemäßer Verwendung zurückzuführen. Sie brannten bei Nichtgebrauch, entzündeten sich beim Laden oder überhitzten im Gebrauch und fingen dann Feuer.

Deshalb wurde der Standard UL 2272 für die Sicherheit persönlicher Elektromobilitätsgeräte geschaffen, um die Einhaltung strikter Sicherheitsstandards bei Elektromobilitätsgeräten sicherzustellen. Lithium-Ionen-Batterien enthalten leicht entzündliche flüssige Elektrolyte. Elektromobilitätsgeräte müssen über ein geeignetes Wärmemanagement und eine Kurzschlussverhinderung verfügen, um Gerätebrände zu verhindern. Thermische Überwachung, Kühlsysteme und Schutzschaltungen sind zwingend erforderlich, damit die Betriebstemperaturen im sicheren Bereich gehalten werden und es nicht zu katastrophalem Versagen wie bei den Hoverboard-Bränden kommt.

Auch hier ist die Auswahl der richtigen Batteriechemie und Komponenten zwingend erforderlich, um die Gerätesicherheit zu gewährleisten. Einige Batterietypen sind aufgrund ihrer Chemie thermisch stabiler als andere, oft auf Kosten der Leistung oder Lebensdauer. Darüber hinaus ermöglichen hocheffiziente Geräte wie SiC-MOSFET niedrigere Wandler-Betriebstemperaturen. Das reduziert die Gefahr einer Geräteüberhitzung weiter.

Der globale Wandel zur Elektromobilität

Die Weiterentwicklung der elektrischen Antriebsstränge für unterschiedliche Sensoren befeuert die Revolution der Elektromobilität. Elektrische Antriebsstränge wurden üblicherweise für kleinere Geräte verwendet. Unter Verbraucher- und Umweltschutzgesichtspunkten stellen sie eine moderne Lösung für unterschiedlichste Märkte der Elektromobilität bereit, darunter Verbrauchermobilität, Industriemaschinen und Transport.

Obwohl Elektromobilitätslösungen mehr Leistung, Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit bieten, wird die umfassende Nutzung durch die bestehenden Probleme beschränkt. Sorgfältiges Design und die Zusammenarbeit zwischen Technikern, Verbrauchern und Regierungen können die Einführung der Elektromobilität vorantreiben und die Umweltauswirkungen traditioneller Geräte mit toxischen Emissionen begrenzen. Durch die Umsetzung der Fortschritte bei Batteriechemie, Halbleitertechnologie und Systemintegration können Verbraucher und Industrie den Übergang zu einer saubereren, nachhaltigeren Zukunft der Mobilität auf globaler Ebene beschleunigen.

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