„Ohne Chips keine Elektroautos“


Hans Adlkofer von Infineon

Hans Adlkofer von Infineon

Die Welt braucht Chips in rauen Mengen, zunehmend auch im Automobil. Hans Adlkofer, Vice President im Geschäftsbereich Automobilelektronik, und Joachim Weitzel, Business Intelligence & Development von Infineon, erklären warum. Und weshalb ein intelligentes Zellmanagement für Batterien von Elektroautos so wichtig ist

Elektroautos wurden in den 90er-Jahren schon einmal politisch forciert. Nach den Ergebnissen des Feldversuches von Rügen wurde das Thema aber schnell wieder begraben. Was hat sich technisch seitdem verändert?
Adlkofer: In den vergangenen 15 bis 20 Jahren haben sich die Halbleiter wesentlich weiterentwickelt. Heutige Chips können z. B. viel höhere Ströme verkraften. Für den Elektroantrieb sind Halbleiter essenziell: ohne Chips kein Elektroauto. Chips tragen dazu bei, dass die Kosten für Antrieb und Elektronik sinken und die Reichweite der Batterie steigt. In heutigen Autos stecken Halbleiter im Wert von ungefähr 330 US Dollar, im Elektroauto etwa doppelt soviel. Einerseits braucht man mehr Chips für Steuerung und Stromversorgung des Elektromotors, denn sie müssen den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom wandeln, der den Elektromotor antreibt, und sie übernehmen die Wandlung des aus Bremsenergie gewonnenen Wechselstroms in Gleichstrom für die Batterieladung. Andererseits bleibt die heutige Elektronik bestehen: sowohl für die Sicherheit, wie Airbags und ABS, als auch für den Komfort, wie elektrische Sitzverstellung oder Fensterheber.

Das Herzstück eines Elektroautos ist aber die Batterie. Und im Batteriesektor ist Infineon nicht unterwegs, oder?
Weitzel: Wir sind keine Chemiker und bieten keine Batteriezellen oder Batterien an. Wir bieten die Halbleiter, die die Steuerung und die Regelung der Batterie übernehmen. Ohne Chips wird die E-Mobilität nicht funktionieren.

Wer sind Ihre Kunden?
Weitzel: Innovationen im Auto sind ohne Elektronik nicht mehr denkbar. Ob Lenken, Bremsen, Beschleunigen, Beleuchten, Heizen oder Kühlen, das sind heute alles elektronisch gesteuerte Funktionen; rein mechanische gibt’s kaum noch im Auto. Unsere Kunden sind Automobilzulieferer wie Bosch oder Continental. An die liefern wir eigentlich alles, was heute im Auto an Halbleitern verbaut wird. Unsere Chips verbessern die Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen, verringern ihren Schadstoffausstoß und erhöhen ihre Sicherheit.

Was ist der Rohstoff für einen Halbleiter?
Beide: Silizium.

Bei Silizium gibt’s keine Engpässe und keine Kostenfalle?
Adlkofer: Kein Problem. Silizium wird aus Sand gewonnen und den gibt’s noch genügend.

Für diese Platine hier vor uns, mit all den Steuerungsmechanismen, liefern Sie also nur Chips, diese winzigen schwarzen Käfer …
Adlkofer: Genau. Vergleicht man die Kfz-Elektronik mit dem Bau eines Hauses – um es mit einem Bild zu erklären – arbeiten wir am Bauplan mit und liefern die Ziegel und zu einem gewissen Teil auch den Mörtel; den muss unser Kunde jedoch noch anrühren.
Weitzel: Machen wir es konkret am Beispiel ABS: Da brauchen Sie Sensor-Chips an den Rädern, um die Radgeschwindigkeit zu messen, Mikrocontroller, die die Signale der vier Räder zeitgleich verarbeiten, erkennen, ob ein Rad blockiert, und diese Information dann an Leistungs-Chips weitergeben, die die Hydraulik der Bremse betätigen. Auch beim Motor tragen Halbleiter – also Sensor-Chip, Mikrocontroller und Leistungs-Chip – dazu bei, möglichst wenig Kraftstoff zu verbrauchen und die Abgaswerte niedrig zu halten. Wie schon gesagt: Fast alle Innovationen im Fahrzeug haben heute mit Elektronik und Halbleitern zu tun. Infineon ist der weltweit zweitgrößte Chiphersteller fürs Auto, mit einem Marktanteil von knapp zehn Prozent. Und wir wollen wachsen.

Was steuert nun diese kleine Platine hier vor uns?
Adlkofer: Das ist ein sogenanntes Leistungsmodul für ein Elektroauto. Hier fließen Spitzenströme von bis zu 800 Ampere. Das war mit Halbleitertechnik vor 20 Jahren noch nicht möglich.

Ist dies ein prototypisches Bauteil?
Adlkofer: Nein, das fährt schon auf der Straße im Hybridfahrzeug. Zum Beispiel in einem Hyundai Sonata oder einem Kia Optima.

Im E-Auto fließt Strom von bis zu 800 Ampere. Moderne Halbleiter halten das aus. Foto: Infineon

Im E-Auto fließt Strom von bis zu 800 Ampere. Moderne Halbleiter halten das aus. Foto: Infineon

Hat Infineon ein spezifisches Produkt für das reine Elektroauto?
Adlkofer: Unsere Chips sind für die Anforderungen der Automobilindustrie optimiert. Dreh- und Angelpunkt beim Elektroauto sind seine Reichweite und der Preis der Batterie. Dafür entwickeln wir spezielle Chips. Um genügend Energie speichern zu können, verwendet man im Elektroauto Lithium-Ionen-Batterien. Eine Batterie besteht aus mehr als 100 einzelnen Zellen und diese Lithium-Ionen-Zellen sind sehr temperaturempfindlich. Ihre „Wohlfühltemperatur“ liegt bei ca. 30 Grad, arbeiten muss sie aber zwischen -40 Grad und Wüstentemperaturen. Unsere Chips helfen hier auf zweierlei Weise. Sie regeln die Temperatur und sorgen für das optimale Auf- und Entladen der Batterie. Für zweiteres haben wir das sogenannte Cell-Balancing-Verfahren entwickelt. Das sorgt dafür, dass die Batterie weder überladen noch zu stark entladen wird und damit nicht vorzeitig kaputtgeht.
Ohne Cell-Balancing bestimmt das schwächste Zellenglied, wie lange die Batterie geladen oder entladen wird. Ihre Speicherkapazität lässt sich also nicht vollständig nutzen. Um das zu vermeiden, muss man zwischen den Batteriezellen Ladungen austauschen. Das heißt, die schwächste wird gestützt und die stärkste kann, wenn sie voll geladen ist, andere Zellen unterstützen. Wir können damit der vorzeitigen Alterung der Batterie vorbeugen. Ihr Energiegehalt wird besser genutzt.

Kann man sagen, um wie viel Prozent effizienter eine Batterie ist mit dem Balancing?
Adlkofer: Das hängt vom Alter ab. Fabrikneu ist sie am effizientesten. Mit der Zeit wird sie schwächer. Jeder kennt das von Laptop-Batterien. Für das E-Auto bedeutet eine schwächere Batterie sinkende Reichweite. Unser Cell-Balancing-Verfahren verzögert diese Entwicklung und hält die Batterie länger effizient: Kapazität, Reichweite und Lebensdauer heutiger Batterien können mit unseren Chips und diesem Verfahren um mehr als 10 Prozent steigen.

Hersteller müssen dafür Sorge tragen, dass die Batterie nach einem Crash ganz schnell entladen wird. Sonst ist die Bergung von Verletzten gefährlich. Aber es kann auch nach Wochen noch zu einem Feuer kommen, wie wir beim Chevrolet Volt gelernt haben. Wie ist das technisch zu lösen?
Adlkofer: Aus heutiger Sicht kann die Batterie nicht schnell entladen werden. Deshalb arbeitet die Industrie intensiv am Beschädigungsschutz der Batterie – auch in Unfall-Situationen.

Was kann Infineon dazu beitragen, das Gesamtsystem Elektroauto energieeffizienter zu machen?
Adlkofer: Heutige Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor gehen mit Energie noch sehr verschwenderisch um und holen sie sich aus dem Kraftstoff. Bei einem Elektrofahrzeug kommt die Energie aus der Batterie und jede Energieverschwendung verkürzt seine Reichweite. Die Steuerung eines elektrischen Fensterhebers zum Beispiel steht heutzutage immer unter Strom. Das müsste nicht sein, denn der Fensterheber benötigt nur dann Strom, wenn er betätigt wird. Das Steuergerät für die Sitzheizung läuft selbst im Sommer mit, auch wenn die Sitzheizung ausgeschaltet ist. Beim E-Auto ist das zu berücksichtigen, um möglichst viel Energie einzusparen und für den Antrieb zur Verfügung zu haben. Chips können unnötige Verbraucher steuern und deutliche Einsparungen ermöglichen.

Beschäftigen Sie sich auch mit der Rückgewinnung von Bremsenergie, der Rekuperation?
Adlkofer: Ja, das ist ein sehr wichtiges Thema für uns. Unsere Halbleiter sorgen dafür, dass beim Bremsen möglichst viel Energie über den Elektromotor in die Batterie zurückgespeist wird. Hybrid- und Elektrofahrzeuge können dann mit einer Batterieladung längere Strecken fahren.

Das große Problem bei der Rekuperation ist, dass die Lithium-Ionen-Batterie die Energie nicht so schnell aufnehmen kann.
Adlkofer: Genau. Um die Batterie nicht zu sehr zu belasten, wird heute nur ein Teil der Bremsenergie zurückgespeist. Mehr Bremsenergie ließe sich in einem sogenannten Supercab zwischenspeichern. Das ist quasi ein großer Kondensator. Supercabs können die Energie viel schneller aufnehmen. Sie sind nur momentan so teuer, dass ihr Einbau in Pkws nicht sinnvoll ist. In Hybrid-Bussen werden Supercaps aber bereits verwendet.

Welches sind die größten technischen Herausforderungen der nächsten drei bis fünf Jahre für Infineon?
Adlkofer: Die Herausforderungen stellen sich der gesamten Automobilbranche. Wir alle müssen den Elektroantrieb im Auto technisch robust und bezahlbar machen.
Weitzel: Heute haben wie bei relativ kleinen Stückzahlen eine extreme Variantenvielfalt bei den elektrischen Antrieben. Zum Beispiel gibt es unterschiedliche Spannungen bei Batterie und Elektromotor; und diese wiederum haben Auswirkungen auf den Querschnitt der Verbindungskabel zwischen Ladegerät, Batterie und Motor. Entsprechend verschieden sind dann auch deren Stecker. Und die mechanischen Abmessungen für den Inverter, also den Stromrichter für den Elektromotor, sind auch noch nicht vereinheitlicht. Da gibt es noch einiges zu tun.

Das setzt aber voraus, dass die Autohersteller sich irgendwie einigen.
Adlkofer: Richtig. Bleiben wir bei der Frage, mit welcher Spannung ein Fahrzeug betrieben wird. Elektromotoren verwenden 400 Volt, 650 Volt oder 700 Volt. Und es gibt europäische Hersteller, die mit 1200 Volt fahren wollen. Für uns ist das technisch kein Problem. Kostenreduktion schafft die Branche aber nur mit hohen Stückzahlen.

Reden Sie über dieses Thema mit den Autoherstellern?
Adlkofer: Klar, von der ersten Minute an.

Wie ist die Reaktion?
Adlkofer: Am Anfang dachten die Hersteller, beim Elektroantrieb müsse jeder etwas Anderes machen, um sich vom Wettbewerber zu unterscheiden. In den vergangenen zwei Jahren ist aber die Erkenntnis gereift, dass das Spannungsniveau des Elektroantriebs kein Differenzierungsmerkmal ist.

Also ist es aus technischer Sicht egal, ob Sie sich auf 400 oder 1000 Volt einigen?
Weitzel: Für uns sind die Unterschiede gering. Wir beherrschen die Chip-Technologie auf allen Ebenen.

Sind Sie zuversichtlich, dass die Hersteller sich einigen?
Adlkofer: Die Autohersteller sind es traditionell nicht gewohnt so zu denken. Bei der Elektromobilität gehen sie jedoch neue Wege.

Aber nehmen wir das berühmte Beispiel des Steckers für das Elektroauto, da hat die Einigung bis heute nicht funktioniert.
Weitzel: Elektromobilität ist eine der komplexesten Neuerungen seit der Erfindung des Autos. Hier müssen nicht nur die Energie-, Chemie- und Automobilbranche zusammenarbeiten, sondern auch die unterschiedlichen Auto-Nationen. Um alle Belange unter einen Hut zu bringen, braucht es an der einen oder anderen Stelle seine Zeit.

Infineon ist Teilnehmer in Arbeitsgruppen der Nationalen Plattform Elektromobilität. Geht’s da vorwärts mit Enigungen?
Adlkofer: Ja, Infineon arbeitet in zwei wichtigen Gruppen mit, der für den elektrischen Antrieb und der für die Batterie. Bezahlbare Elektromobilität ist für beide Gruppen das vorrangige Ziel und beide Gruppen machen hier Fortschritte.
Weitzel: Die NPE will Deutschland zum Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität machen. Sie bringt alle notwendigen Branchen und Interessengruppen aus Wirtschaft, Forschung und Politik an einen Tisch. Zusammen arbeitet man an der Umsetzung der gemeinsam definierten Ziele. Das ist meines Erachtens einmalig in der jüngeren deutschen Wirtschaftsgeschichte.

Interview: Wolfgang Rudschies

2 Antworten zu “„Ohne Chips keine Elektroautos“

  1. Für alle Technik interessierten kann ich das Dokument (http://www.power-mag.com/pdf/feature_pdf/1222952166_PEE_Issue_3_2008_Battery_Management-Active_Charge_Balancing_for_Li-ion_Battery_Stacks.pdf) von Infineon empfehlen. Diesen Ansatz für ein Active-Cell-Balancing finde ich genial.

    Gruß
    Andreas

  2. Pingback: electrive.net » VW, BASF, Toyota, Dortmund, KFE Lippstadt, Starcar.

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