Von Claudio Vittori, Associate Manager | Supply Chain & Technology Group | E-Mobility Components Research, S&P Global Mobility und Srikant Jayanthan, Senior Analyst | Supply Chain & Technology Group | S&P Global Mobility

AutoTechInsight von S&P Global

Die Automobilindustrie bewegt sich langsam, aber stetig in Richtung einer elektrischen Zukunft. Mehrere Faktoren spielen dabei eine Rolle, die das Tempo dieses Übergangs von Verbrennungsmotoren (ICEs) zu Elektrofahrzeugen bestimmen werden. Einer der Schlüsselfaktoren ist sicherlich die Leistung des Elektrofahrzeugs, insbesondere die Reichweite, die es unter realen Fahrbedingungen bieten wird.

Durch den Einbau einer größeren Batterie in das Elektrofahrzeug lässt sich zwar die Reichweite erhöhen, jedoch steigen dadurch auch die Kosten und das Gewicht des Fahrzeugs erheblich, sodass dies wahrscheinlich nicht den Ausschlag zugunsten von Elektrofahrzeugen geben wird. Die Lösung für dieses Problem liegt in der Verbesserung der Fahrzeugleistung durch optimale Nutzung der verfügbaren Energie. Eine Möglichkeit hierfür ist der Einsatz eines effizienten Traktionswechselrichters.

Wechselrichter sind eine wichtige leistungselektronische Komponente in einem Elektrofahrzeug, die die Stromübertragung von der Batterie zu den Fahrmotoren ermöglicht. Die Hauptfunktion dieser Hochspannungswechselrichter besteht darin, den von der Batterie gelieferten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln und an den Fahrmotor weiterzuleiten.

Mit dem Wachstum der Verkaufszahlen von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben ist auch die Nachfrage nach Hochspannungswechselrichtern deutlich gestiegen. Es wird erwartet, dass diese Nachfrage proportional zur Produktion von Elektrofahrzeugen weiter steigen wird.

Die Nachfrage nach Wechselrichtern aus dem Segment der elektrifizierten Leichtfahrzeuge, zu denen batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs), Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs), Vollhybride und Mildhybride gehören, lag 2021 bei rund 21,5 Millionen Einheiten. Nach unserer Prognose wird diese Nachfrage mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21 % auf rund 118,7 Millionen Einheiten im Jahr 2033 steigen.

Je nach Elektrifizierungsgrad und Fahrzeugverkaufssegment gibt es derzeit verschiedene Arten von Wechselrichtern, die in Elektrofahrzeugen mit unterschiedlicher Schalttechnologie und unterschiedlichen Halbleitermaterialien zum Einsatz kommen. Dazu gehören Wechselrichter mit Silizium-basierten Schaltbauelementen, wie Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), sowie Schaltbauelemente auf Basis von Materialien mit großer Bandlücke (Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN)).

Der Weg in die Zukunft für die Wechselrichtertechnologie im EV-Segment

MOSFETs auf Siliziumbasis (Si) gehören zu den ältesten Schalttechnologien, die in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Si-MOSFET-Wechselrichter werden hauptsächlich in Mild-Hybriden verwendet, finden aber auch in Niederspannungshybriden Verwendung. MOSFETs haben drei Anschlüsse: Source, Drain und Gate. MOSFETs sind in Niederspannungsanwendungen mit bis zu 100 V und einer Spitzenleistung von 20 kW effizienter. Dies liegt an ihrer Fähigkeit, bei hoher Frequenz mit geringeren Verlusten im eingeschalteten Zustand und niedrigen Spannungsabfällen zu arbeiten.

Allerdings sind Si-MOSFETs für ihre höheren Leitfähigkeitsverluste bekannt, wodurch Si-MOSFET-Wechselrichter mit steigender Systemspannung an Effizienz verlieren. Aufgrund dieses Nachteils dürften Si-MOSFETs bei Automobilherstellern, die zunehmend Hochspannungsfahrzeuge entwickeln, an Beliebtheit verlieren. Es wird erwartet, dass der Anteil der Hochspannungsfahrzeuge (450 V bis 1.000 V) im Jahr 2033 39 % aller Elektrofahrzeuge ausmachen wird, verglichen mit 23 % im Jahr 2021.

Si-IGBT-Wechselrichter sind mit einem Marktanteil von über 68 % die am häufigsten verwendeten Wechselrichter im Segment der Leichtfahrzeuge. Die Nachfrage nach IGBT-Wechselrichtern wird zwischen 2021 und 2033 um rund 12 % CAGR auf über 57 Millionen Einheiten steigen, von denen mehr als 52 % in BEVs verbaut werden.

Derzeit finden IGBT-Wechselrichter vor allem in Vollhybriden Verwendung, aber bis zum Ende des Jahrzehnts werden BEVs aufgrund der steigenden Nachfrage nach vollelektrischen Fahrzeugen das führende Segment für IGBT-Wechselrichter sein. IGBT hat sich in Vollhybriden und BEVs als wesentlich effizienter erwiesen, da sie für mehr als 1.200 V ausgelegt sind, verglichen mit 600 V bei MOSFETs.

IGBT-Wechselrichter eignen sich am besten für die Stromversorgung von Traktionsmotoren zwischen 35 kW und 85 kW und sind daher ideal für BEVs der Einstiegs- bis Mittelklasse. Im Vergleich zu Si-MOSFETs haben IGBTs eine niedrigere Schaltfrequenz, aber eine höhere Toleranz gegenüber elektrostatischer Entladung. IGBTs zeichnen sich außerdem durch geringere Leitungsverluste bei höheren Spannungen aus.

Obwohl IGBT-Wechselrichter für die aktuelle Generation von Elektrofahrzeugen ausreichend effizient sind, stehen sie aufgrund der Einschränkungen des Siliziummaterials vor Herausforderungen, da die Anforderungen an die Effizienz steigen. Infolgedessen tendiert die Automobilindustrie zunehmend zu Wechselrichtern auf SiC-Basis, die bessere Eigenschaften bieten. SiC ist ein Material mit großer Bandlücke, dessen Bandlücke 3 Elektronenvolt (eV) beträgt, verglichen mit 1,1 eV bei Silizium. Dies ermöglicht den Betrieb bei viel höheren Spannungen und höheren Temperaturen.

Allerdings sind SiC-Wechselrichter noch relativ teuer und werden eher für BEVs im Premiumsegment bevorzugt. Mit sinkenden Kosten wird jedoch auch ihre Verwendung in Hybridfahrzeugen aufgrund ihrer hohen Effizienz zunehmen. Bis 2033 werden mehr als 20 % der von Automobilherstellern verwendeten SiC-Wechselrichter in Vollhybridfahrzeugen zum Einsatz kommen. Die weltweite Nachfrage nach SiC-Wechselrichtern aus dem Leichtfahrzeugsegment wird zwischen 2021 und 2033 voraussichtlich um 32,6 % CAGR auf rund 45 Millionen Einheiten steigen.

GaN ist ein weiteres Material mit großer Bandlücke, das aufgrund seiner höheren Bandlücke von 3,4 eV im Automobilsektor in Betracht gezogen wird. GaN hat in bestimmten Spannungsarchitekturen sogar einen höheren Wirkungsgrad als SiC. GaN-Wechselrichter werden noch nicht in handelsüblichen Elektrofahrzeugen eingesetzt und werden voraussichtlich erst zu einem späteren Zeitpunkt auf den Markt kommen. Die GaN-Technologie steht hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in Hochspannungsanwendungen (~400 V+ Fahrzeugarchitekturen) noch vor einigen technischen Herausforderungen, die gelöst werden müssen, bevor sie sich als Mainstream-Technologie durchsetzen kann.

Der Einsatz von GaN in Elektrofahrzeugen wird voraussichtlich nicht vor 2027 beginnen. Bis 2033 werden GaN-Wechselrichter mehr als 3 % der Wechselrichternachfrage im Leichtfahrzeugsegment ausmachen. BEVs werden mit einem Anteil von weit über 98 % der größte Abnehmer von GaN-Wechselrichtern sein. Vollhybride werden den Rest der Nachfrage ausmachen.