Vormarsch der E-Mobilität stellt hohe Anforderungen an Entwicklung

Vier von zehn neuen Fahrrädern sind bereits E-Bikes, Tendenz weiterhin steil steigend. Elektromobilität ist längst im Alltag angekommen, auch wenn es bei Autos noch länger dauern wird. AT&S trägt mit Leading-Edge-Innovation dazu bei, die Effizienz des elektrischen Antriebs zu steigen.

Bei der Transformation unserer Mobilität stehen die Zeichen klar auf „E“ — dem Elektroantrieb anstelle von Verbrennungsmotoren und, wie im Fall von Fahrrädern, reiner Muskelkraft. Das mag vielen in Anbetracht der Dieseldämmerung der Autoindustrie nicht rasch genug gehen. Noch ist in Österreich und Deutschland der E-Anteil bei neu zugelassenen PKWs im einstelligen Prozentbereich (zuletzt 4,4 Prozent in Österreich, 6,4 Prozent in Deutschland). Ein Blick in den Norden zeigt jedoch, dass der Wechsel rasant Fahrt aufnimmt: In Norwegen stellen E-Autos mit rund 60 Prozent bereits die Mehrheit neuer Autos dar, in Island sind es über 20 Prozent, in den Niederlanden 15 Prozent. Inzwischen spricht sogar Markus Söder, Ministerpräsident des BMW-Heimatlandes Bayern, davon ab 2035 keine Autos mit Verbrennungsmotoren neu zulassen zu wollen.

Auch wenn bei PKWs die Transformation aus vielen Gründen länger dauern wird — Autos stellen eine beträchtliche Investition dar, es fehlt an einem ausreichend dichten Netz an E-Zapfsäulen, der Anschaffungspreis liegt aufgrund teurer Akkus noch deutlich über dem Schnitt — zeigt ein Blick auf den Zweirad-Markt, wie rasch sich Elektromobilität im Alltag bereits durchsetzt.

In Österreich waren vier von zehn neu gekauften Fahrrädern im Vorjahr E-Bikes — eine Verdoppelung in vier Jahren. In Deutschland wurden 2019 rund 1,4 Millionen E-Räder verkauft, 40 Prozent mehr als im Jahr davor. Mit dem Corona-Lockdown hat der Trend zum Fahrrad, insbesondere zum E-Bike, einen weiteren kräftigen Schub erhalten. Das Geschäft mit Elektrorollern (E-Scooter) hat gleichfalls an Fahrt aufgenommen: 2019 wurde der weltweite Branchenumsatz auf satte 25 Milliarden Euro beziffert, in zehn Jahren soll er sich mit 55 Milliarden Euro mehr als verdoppeln.

Während sich die Aufmerksamkeit der Konsumenten bei der neuen E-Mobilität in erster Linie auf E-Motoren und Akkus richtet, kommt den elektronischen „Innereien“ eine ganz entscheidende Rolle bei der Entwicklung zu. Ein zentraler Bauteil für E-Bikes und alle anderen E-Fahrzeuge sind die Inverter, die den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom wandeln, um den Energiehunger der E-Motoren zu decken, erklärt Patrick Fleischhacker, Hardware Development Engineer bei AT&S.

Derzeit werden diese Inverter von den Herstellern von E-Bikes und anderer E-Fahrzeuge aus Bauteilen unterschiedlicher Lieferanten zusammengebaut, was zu schlecht abgestimmter Hard- und Software führt, sagt Fleischhacker. Das Entwicklungsziel von AT&S ist es, komplette Inverter-Module für die unterschiedlichen Anwender zu entwickeln. Dabei werden alle nötigen Komponenten zusammen mit der Leiterplatte produziert.

Statt den Transistor mit der Leiterplatte zu verlöten, was zu Schwachstellen führt, wird in diesen Modulen der Siliziumkern bereits in der Leiterplatte eingebettet. Ober- und unterhalb der Platine können weitere Bauteile platziert werden. „Unsere Embedding Technology, bei der der Chip bereits in der Leiterplatte integriert ist, macht die Platine um die Hälfte kleiner und leichter“, sagt Fleischhacker. Dank superleitender Verbindungen entsteht dabei auch wesentlich weniger Hitze, was die Kühlung der Bauteile vereinfacht.

In weiteren Versionen dieser integrierten Module soll durch den Einsatz von Galliumnitrid anstelle von Silizium Tempo und Energieeffizienz der Schaltung erhöht werden. Galliumnitrid hat einen höheren Bandabstand (“wide bandgap“) als Silizium. Dadurch fließt Strom mit weniger Widerstand durch, was höhere Spannungen erlaubt und zu geringeren Temperaturen führt.

„Das Design unserer Invertermodule wird jeweils eng mit potenziellen Kunden abgestimmt, da wir dadurch lernen, was ihre spezifischen Anforderungen sind“, beschreibt Fleischhacker. Im Automobilbereich kommen beispielsweise hohe Sicherheitsanforderungen hinzu, wenn sich die Spannung auf mehrere hundert Volt erhöht und damit bei falscher Handhabung zu einem lebensgefährlichen Risiko werden kann.

Die Entwicklung dieser Inverter, die hohe Anforderungen an Hardware- und Softwaredesign stellt, ist ein erfolgreiches Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen AT&S und der Fachhochschule Joanneum: Für Fleischhacker ist es die Basis seiner Masterarbeit.