Im Jahr 2021 werden die weltweiten Verkäufe von Elektrofahrzeugen 9 % der gesamten Pkw-Verkäufe ausmachen.
Um diese Zahl zu steigern, investieren Automobilhersteller und Zulieferer nicht nur massiv in neue Geschäftsfelder, um die Entwicklung, Herstellung und Förderung der Elektrifizierung zu beschleunigen, sondern zerbrechen sich auch die Köpfe, um sich auf die nächste Generation von Fahrzeugkomponenten vorzubereiten.
Beispiele hierfür sind Festkörperbatterien, Axialflussmotoren und elektrische 800-Volt-Systeme, die eine Halbierung der Ladezeiten, eine drastische Reduzierung von Batteriegröße und -kosten sowie eine Verbesserung der Effizienz des Antriebsstrangs versprechen.
Bisher wurde nur in einer Handvoll neuer Autos ein 800-Volt-System anstelle der üblichen 400 Volt verwendet.
Modelle mit 800-Volt-Systemen sind bereits auf dem Markt: Porsche Taycan, Audi E-tron GT, Hyundai Ioniq 5 und Kia EV6. Die Lucid Air Limousine nutzt eine 900-Volt-Architektur, obwohl Branchenexperten davon ausgehen, dass es sich technisch gesehen um ein 800-Volt-System handelt.
Aus Sicht der Zulieferer von Komponenten für Elektrofahrzeuge wird die 800-Volt-Batteriearchitektur bis Ende der 2020er Jahre die dominierende Technologie sein, insbesondere da immer mehr dedizierte vollelektrische Plattformen mit 800-Volt-Architektur auf den Markt kommen, wie etwa die E-GMP von Hyundai und die PPE des Volkswagen-Konzerns.
Die modulare Elektroplattform E-GMP von Hyundai Motor wird von Vitesco Technologies bereitgestellt, einem aus der Continental AG ausgegliederten Antriebsstrangunternehmen, das 800-Volt-Wechselrichter liefert; die PPE der Volkswagen Group ist eine 800-Volt-Batteriearchitektur, die gemeinsam von Audi und Porsche entwickelt wurde. Modulare Plattform für Elektrofahrzeuge.
„Bis 2025 werden Modelle mit 800-Volt-Systemen immer häufiger zum Einsatz kommen“, sagte Dirk Kesselgruber, Präsident der Abteilung für elektrische Antriebsstränge bei GKN, einem Technologieentwicklungsunternehmen. GKN ist zudem einer von mehreren Tier-1-Zulieferern, die die Technologie nutzen und Komponenten wie 800-Volt-Elektroachsen liefern. Ziel ist die Massenproduktion im Jahr 2025.
Gegenüber Automotive News Europe erklärte er: „Wir glauben, dass sich das 800-Volt-System durchsetzen wird. Hyundai hat zudem bewiesen, dass es auch preislich konkurrenzfähig sein kann.“
In den USA beginnt der Hyundai IQNIQ 5 bei 43.650 US-Dollar, was günstiger ist als der Durchschnittspreis von 60.054 US-Dollar für Elektrofahrzeuge im Februar 2022 und für mehr Verbraucher attraktiv sein dürfte.
„800 Volt sind der logische nächste Schritt in der Entwicklung reiner Elektrofahrzeuge“, sagte Alexander Reich, Leiter für innovative Leistungselektronik bei Vitesco, in einem Interview.
Neben der Lieferung von 800-Volt-Wechselrichtern für Hyundais modulare Elektroplattform E-GMP hat Vitesco weitere Großaufträge abgeschlossen, darunter Wechselrichter für einen großen nordamerikanischen Automobilhersteller und zwei führende Elektroautohersteller in China und Japan. Der Lieferant liefert den Motor.
Das Segment der 800-Volt-Bordnetze wächst schneller als noch vor wenigen Jahren erwartet, und die Kunden zeigen zunehmendes Interesse, teilte Harry Husted, Technologiechef des US-Autozulieferers BorgWarner, per E-Mail mit. Der Zulieferer konnte zudem einige Aufträge gewinnen, darunter ein integriertes Antriebsmodul für eine chinesische Luxusmarke.
1. Warum sind 800 Volt der „logische nächste Schritt“?
Was sind die Besonderheiten des 800-Volt-Systems im Vergleich zum bestehenden 400-Volt-System?
Erstens können sie die gleiche Leistung bei niedrigerem Strom liefern. Bei gleicher Batteriegröße verlängert sich die Ladezeit um 50 %.
Dadurch kann die Batterie, die teuerste Komponente eines Elektrofahrzeugs, kleiner ausgelegt werden, was die Effizienz steigert und gleichzeitig das Gesamtgewicht reduziert.
Otmar Scharrer, Senior Vice President für elektrifizierte Antriebstechnologie bei ZF, sagte: „Die Kosten für Elektrofahrzeuge liegen noch nicht auf dem gleichen Niveau wie für Benzinfahrzeuge, und eine kleinere Batterie wäre eine gute Lösung. Außerdem ergibt eine sehr große Batterie in einem Mainstream-Kompaktmodell wie dem Ioniq 5 an sich keinen Sinn.“
„Durch die Verdoppelung der Spannung und die gleiche Stromstärke kann das Auto die doppelte Energiemenge gewinnen“, sagte Reich. „Wenn die Ladezeit schnell genug ist, muss das Elektroauto möglicherweise nicht mehr lange auf eine Reichweite von 1.000 Kilometern warten.“
Zweitens können Kabel und Leitungen kleiner und leichter gemacht werden, da höhere Spannungen die gleiche Leistung mit weniger Strom liefern, wodurch der Verbrauch von teurem und schwerem Kupfer reduziert wird.
Auch der Energieverlust wird entsprechend reduziert, was zu einer längeren Ausdauer und einer verbesserten Motorleistung führt. Und es ist kein komplexes Wärmemanagementsystem erforderlich, um sicherzustellen, dass die Batterie bei optimaler Temperatur arbeitet.
In Kombination mit der neuartigen Siliziumkarbid-Mikrochip-Technologie kann das 800-Volt-System die Effizienz des Antriebsstrangs um bis zu 5 Prozent steigern. Dieser Chip verliert beim Schalten nur wenig Energie und eignet sich besonders gut für die Rekuperation des Bremssystems.
Da die neuen Siliziumkarbid-Chips weniger reines Silizium verwenden, könnten die Kosten niedriger sein und mehr Chips an die Automobilindustrie geliefert werden, so die Zulieferer. Da andere Branchen eher auf reine Silizium-Chips setzen, konkurrieren sie mit den Automobilherstellern in der Halbleiterproduktion.
„Zusammenfassend ist die Entwicklung von 800-Volt-Systemen von entscheidender Bedeutung“, so Kessel Gruber von GKN.
2. 800-Volt-Ladestationsnetz-Layout
Noch eine Frage: Die meisten der bestehenden Ladestationen basieren auf dem 400-Volt-System. Haben Autos mit dem 800-Volt-System wirklich einen Vorteil?
Die Antwort der Branchenexperten lautet: Ja. Allerdings benötigt das Fahrzeug eine Ladeinfrastruktur auf 800-Volt-Basis.
„Der Großteil der bestehenden DC-Schnellladeinfrastruktur ist für 400-Volt-Fahrzeuge ausgelegt“, sagte Hursted. „Um 800-Volt-Schnellladen zu erreichen, benötigen wir die neueste Generation von Hochspannungs- und Hochleistungs-DC-Schnellladegeräten.“
Beim Laden zu Hause ist das kein Problem, doch die schnellsten öffentlichen Ladenetze in den USA sind bislang begrenzt. Reich glaubt, dass das Problem bei Ladestationen an Autobahnen noch größer ist.
In Europa hingegen sind Ladenetze mit 800-Volt-Systemen auf dem Vormarsch und Ionity verfügt in ganz Europa über eine Reihe von 800-Volt-Autobahnladestationen mit 350 Kilowatt.
Ionity EU ist ein herstellerübergreifendes Partnerschaftsprojekt für ein Netzwerk von Hochleistungsladestationen für Elektrofahrzeuge. Gegründet wurde es von der BMW Group, der Daimler AG, Ford Motor und Volkswagen. Im Jahr 2020 stieg Hyundai Motor als fünftgrößter Anteilseigner ein.
„Ein 800-Volt-Ladegerät mit 350 Kilowatt Leistung bedeutet eine Ladezeit von 5 bis 7 Minuten für 100 Kilometer“, sagt Schaller von ZF. „Das ist nur eine Tasse Kaffee.“
„Das ist wirklich eine bahnbrechende Technologie. Sie wird auch der Automobilindustrie helfen, mehr Menschen davon zu überzeugen, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen.“
Einem aktuellen Bericht von Porsche zufolge dauert es etwa 80 Minuten, um in einem typischen 50-kW-, 400-V-Kraftwerk eine Reichweite von 250 Meilen hinzuzufügen; 40 Minuten, wenn es 100 kW sind; wenn der Ladestecker gekühlt wird (Kosten, Gewicht und Komplexität), kann die Zeit weiter auf 30 Minuten reduziert werden.
„Daher ist im Streben nach schnellerem Laden ein Übergang zu höheren Spannungen unumgänglich“, heißt es in dem Bericht. Porsche geht davon aus, dass sich die Ladezeit bei einer 800-Volt-Ladespannung auf etwa 15 Minuten verkürzen würde.
Aufladen so einfach und schnell wie Tanken – die Chancen stehen gut, dass es klappt.
3. Pioniere in konservativen Branchen
Wenn die 800-Volt-Technologie tatsächlich so gut ist, stellt sich die Frage, warum mit Ausnahme der oben genannten Modelle fast alle Elektrofahrzeuge noch immer auf 400-Volt-Systemen basieren, selbst die Marktführer Tesla und Volkswagen.
Schaller und andere Experten führen die Gründe auf „Bequemlichkeit“ und „die Tatsache, dass wir in der Branche die erste Wahl sind“ zurück.
Ein typisches Haus verbraucht 380 Volt Dreiphasenwechselstrom (die Spannungsrate ist ein Bereich, kein fester Wert). Als die Automobilhersteller begannen, Plug-in-Hybride und reine Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen, war die Ladeinfrastruktur bereits vorhanden. Und die erste Welle von Elektrofahrzeugen basierte auf Komponenten, die für Plug-in-Hybride entwickelt wurden, welche wiederum auf 400-Volt-Systemen basierten.
„Wenn alle 400 Volt haben, bedeutet das, dass diese Spannung überall in der Infrastruktur verfügbar ist“, sagte Schaller. „Das ist am bequemsten, es ist sofort verfügbar. Die Leute müssen also nicht lange nachdenken. Sie entscheiden sofort.“
Kessel Gruber bezeichnet Porsche als Pionier des 800-Volt-Systems, da der Schwerpunkt eher auf der Leistung als auf der Zweckmäßigkeit lag.
Porsche wagt es, die Traditionen der Branche zu hinterfragen. Er fragt sich: „Ist das wirklich die beste Lösung?“ „Können wir sie von Grund auf neu entwickeln?“ Das ist das Schöne daran, ein Hersteller von Hochleistungsautos zu sein.
Branchenexperten sind sich einig, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis weitere 800-Volt-Elektrofahrzeuge auf den Markt kommen.
Es gibt nicht viele technische Herausforderungen, aber Teile müssen entwickelt und validiert werden. Die Kosten können ein Problem sein, aber mit der Skalierung, kleineren Zellen und weniger Kupfer werden die Kosten bald niedrig sein.
Volvo, Polestar, Stellantis und General Motors haben bereits erklärt, dass zukünftige Modelle die Technologie nutzen werden.
Der Volkswagen-Konzern plant die Einführung einer Reihe von Fahrzeugen auf seiner 800-Volt-PPE-Plattform, darunter einen neuen Macan und einen Kombi auf Basis des neuen A6 Avant E-tron-Konzepts.
Mehrere chinesische Autohersteller haben ebenfalls eine Umstellung auf eine 800-Volt-Architektur angekündigt, darunter Xpeng Motors, NIO, Li Auto, BYD und das zu Geely gehörende Unternehmen Lotus.
„Mit dem Taycan und dem E-tron GT verfügen wir über Fahrzeuge mit klassenbester Leistung. Der Ioniq 5 ist der Beweis, dass ein erschwingliches Familienauto möglich ist“, so Kessel Gruber. „Wenn diese wenigen Autos das können, dann kann es jedes Auto.“
Veröffentlichungszeit: 19. April 2022