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Es gibt zahlreiche Ansätze zur Entwicklung elektrischer Komponenten für kommerziell rentable mittlere und schwere Elektro-Nutzfahrzeuge (MHDVs). Die als MHDVs klassifizierten Fahrzeuge reichen von Lieferwagen über Linienbusse bis hin zu Langstrecken-Lkw. Die Leistungselektronik und Energiespeichertechnologien, die für MHDVs entwickelt werden, kommen auch anderen Anwendungsbereichen wie Smart Grids, Mikronetzen, erneuerbaren Energien, netzweiter Energiespeicherung, industriellen Systemen und sogar leichten Nutzfahrzeugen (LDVs) sowie Personenkraftwagen zugute. Schauen wir uns die Stromversorgungsoptionen für MHDVs an.

Die MHDV-Elektrifizierung steht noch am Anfang, und technische Performance-Ziele für MHDVs sind in der Entwicklung. Diese werden voraussichtlich ambitionierter sein als die derzeit für Personenkraftwagen festgelegten Ziele (Tabelle 1). Darüber hinaus müssen die MHDV-Ziele erweitert werden, um den unterschiedlichen Anforderungen der Flottenbesitzer an MHDVs Rechnung zu tragen. Dazu gehören u.a. eine höhere Zuverlässigkeit und eine größere Robustheit beim Betrieb unter rauen Bedingungen und über längere Zeiträume hinweg, z.B. über 1 Million Meilen auf der Straße.

Tabelle 1: Technische Ziele für die Elektrifizierung von leichten Nutzfahrzeugen (Quelle: USDrive)

Die Batteriespannungen für LDVs steigen bereits, von den heutigen 350 V und 700 V auf Stromschienen mit teilweise bis zu 900 V. Für MHDVs werden wohl höhere Spannungen von bis zu 1.200 V nötig sein. Stromschienen mit höheren Spannungen sind wichtig, um die Größe, das Gewicht und die Kosten von Komponenten wie Stromabnehmern, Induktivitäten und Motoren zu reduzieren.

Die höheren Spannungen sind erforderlich, um die neu aufkommende extreme Schnellladung (XFC) für LDVs zu unterstützen, und die noch höheren Spannungen von MHDVs werden schnelle (oder Flash-)Ladetechnologien unterstützen. Im Vergleich zu den derzeitigen XFC-Technologien für LDVs (350 kW) werden Schnellladebatterien wesentlich mehr Leistung benötigen, und zwar deutlich mehr als ein Megawatt. Dies bringt neue Herausforderungen mit sich und erfordert wesentlich leistungsstärkere Ladegeräte, Steckverbinder und Infrastrukturen als derzeit für LDVs in Betracht gezogen. Zudem wird das Wärmemanagement bei hohen Ladeströmen immer wichtiger und komplexer.

Die heutigen 600V- und 1.200V-Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) sind für 1.200V-Leistungsbusse nicht geeignet. Wegen der höheren Busspannung müssen 1.700V-SiC-MOSFETs entwickelt werden, die derzeit nicht verfügbar sind. Für 1 MW-Anwendungen, die für den direkten Anschluss an das 1.200-V-Netz vorgesehen sind, müssen möglicherweise sogar Geräte mit einer Nennspannung von mehr als 1.700 V entwickelt werden. Leistungshalbleiter für höhere Spannungen werden von modernen industriellen Prozessen und Smart Grid-, Mikronetz-, Energiespeicherungs- und erneuerbaren Energiesystemen profitieren.

Für eine breit angelegte Einführung von MHDVs sind auch Motoren erforderlich, die höhere Leistungsdichten zu geringeren Kosten liefern können. Die derzeitigen Permanentmagnetmotoren (PM) mit schweren Seltenen Erden (HRE) werden voraussichtlich weder die Leistungs- noch die Kostenanforderungen erfüllen. Selbst das Erreichen der oben genannten USDrive-Ziele für LDVs ist mit HRE-PMs wahrscheinlich nicht möglich. Derzeit wird an der Entwicklung von Motoren geforscht, bei denen keine HRE-PM-Technologie verwendet wird und die sogar auf Permanentmagnete verzichten können, während sie zugleich in rauen und anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden können. Zahlreiche industrielle Anwendungen sowie MHDVs und LDVs werden direkt von Motoren mit verbesserter Leistung und geringeren Kosten profitieren.

Aufgrund ihres Gewichts, ihrer Kosten und ihrer Zykluslebensdauer sind Batteriepakete auf Basis der aktuellen Batterietechnologie nicht für einen breiten Einsatz in MHDVs geeignet. Eine mögliche Lösung sind neuartige Solid-State-Batterien. Fortschrittliche Lithiumbatterien wie Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid(NMC)-Li-Ionen können möglicherweise eine Lebensdauer von 1 Million Meilen und 20 Jahren erreichen und wären eine weitere Option. Für die erfolgreiche Einführung von MHDVs sind deutliche Verbesserungen der Batterieleistung erforderlich. Andere Anwendungen, wie z.B. Mikronetze und netzweite Energiespeicherung, werden davon direkt profitieren.

Die Weiterentwicklung der verschiedenen Technologien zur kommerziellen Erschließung von MHDVs ist ein wichtiges Vorhaben. Der Erfolg dieser Weiterentwicklungen wird zu Spin-off-Vorteilen für andere Anwendungsbereiche wie Smart Grids, Mikronetze, erneuerbare Energien, netzweite Energiespeicherung, industrielle Systeme und sogar LDVs führen.