Entwicklungstrends und Lösungen für Elektroautos und elektrische Zweiräder

Die Entwicklung der Elektrifizierung in Automobilen hat sich rasant entwickelt. Dieser Trend betrifft nicht nur vierrädrige Fahrzeuge, sondern setzt sich auch aktiv in der Elektrifizierung von zweirädrigen Motorrädern fort, um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Dieser Trend ist insbesondere in Südasien und Südostasien verbreitet. Dieser Artikel wird den aktuellen Stand und die Trends von Elektroautos und elektrischen Zweirädern sowie damit verbundene Lösungen, die von Arrow Electronics, NXP und STMicroelectronics eingeführt wurden, vorstellen.

Die Entwicklung von Elektroautos schreitet in vielen entwickelten Ländern wie Europa und Amerika schnell voran. In China wird sie sowohl von der Regierung als auch von Unternehmen erheblich gefördert. Es wird geschätzt, dass die Durchdringungsrate von Neufahrzeugen mit alternativen Antrieben in China bis 2025 50% erreichen wird. Das ursprüngliche Ziel, bis 2035 eine Durchdringungsrate von über 50% für Neufahrzeuge mit alternativen Antrieben zu erreichen, könnte zehn Jahre früher als geplant verwirklicht werden.

In vielen Entwicklungsländern in Südasien und Südostasien sind die ikonischen Tuk-Tuks jedoch seit langem das primäre Fortbewegungsmittel. Diese Zwei- und Dreiradfahrzeuge werden häufig für Kurzstrecken innerhalb von Städten genutzt und bieten eine erschwingliche und flexible Möglichkeit zu reisen. Jetzt erstreckt sich der Trend zur Elektrifizierung auch auf Zweiräder und Dreiräder in diesen Regionen.

Laut Berichten stieg im Februar 2024 die Registrierung von elektrischen Zweirädern in Indien signifikant an und verzeichnete im Vergleich zum gleichen Zeitraum des Vorjahres einen Anstieg von 24 %. Die Durchdringungsrate für elektrische Zweiräder erreichte im Februar 2024 5,7 %, was leicht von 5,6 % im Januar anstieg und das anhaltende Wachstum des Marktes für elektrische Zweiräder verdeutlicht. Marktanalysen legen nahe, dass bis 2030 80 % der Zweiräder elektrifiziert sein könnten. Dies liegt hauptsächlich daran, dass elektrische Zweiräder voraussichtlich 20-70 % der Besitzkosten im Vergleich zu benzinbetriebenen Fahrzeugen einsparen könnten und die niedrigeren Markteintrittsbarrieren in der Fertigung eine große Anzahl von Unternehmen angezogen haben, in diesen Markt zu investieren.

Darüber hinaus bleibt die Nachfrage nach Motorrädern in der thailändischen Motorradindustrie stark, und die Branche hat die drittbeste Leistung im vergangenen Jahrzehnt erzielt, mit einem kontinuierlichen Marktwachstum im Jahr 2023. Der Gesamtabsatz von Motorrädern hat 1,87 Millionen Einheiten erreicht (+4,4%), wobei auch das Segment der Elektromotorräder ein starkes Wachstum in den unteren und mittleren Preisklassen verzeichnet (+117,2%).

Prognosen zufolge werden die Märkte für elektrische Zweiräder und elektrische Dreiräder in Asien in den kommenden Jahren eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von über 30 % bzw. 11 % verzeichnen. Diese elektrische Revolution wird nicht nur Asien beeinflussen, sondern auch weltweit neue Transformationen im städtischen Verkehr mit sich bringen.

Aufgrund der Markttrends bei Elektroautos (elektrische Fahrzeuge mit vier Rädern) werden Traktionswechselrichter als das wertvollste Merkmal angesehen. Die Designs entwickeln sich weiter, da die Spannungen der Batteriepakete von 400V bis 800V oder sogar höher reichen, und Effizienz und Leistung sind Schlüsselfaktoren, die die Marktentwicklung vorantreiben.

Die technologischen Trends bei Elektroautos umfassen auch die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und anderen neuen Batterietechnologien zur Verbesserung der Energieeffizienz. Die autonome Fahrtechnologie wird im Bereich der Elektroautos aktiv entwickelt, und die Integration intelligenter Konnektivitätstechnologie ermöglicht es Elektrofahrzeugen, mit anderen Fahrzeugen, Infrastrukturen und den intelligenten Geräten der Benutzer zu interagieren und Informationen und Daten auszutauschen, wodurch das Intelligenzniveau von Elektroautos weiter verbessert wird.

Darüber hinaus kann der Einsatz von leichten Materialien das Gesamtgewicht von Elektroautos reduzieren und die Energieausnutzungseffizienz verbessern. Daher besteht der zukünftige Trend darin, mehr leichte Materialien wie Kohlefaser und Aluminiumlegierungen zu erforschen und anzuwenden. Die Entwicklung effizienter Energiemanagementsysteme kann die Nutzung der Energie von Elektrofahrzeugen maximieren, die Reichweite erhöhen und Energiemanagementsysteme durch Innovationen in Software- und Hardwaretechnologien optimieren. Diese technologischen Trends treiben gemeinsam die Entwicklung von Elektroautos voran und ermöglichen kontinuierliche Fortschritte in Energieeinsparung, Intelligenz und Sicherheit.

Andererseits sind im Markt für Elektromotorräder (elektrische Zweiräder) Traktionsumrichter und Faktoren wie hohe Geschwindigkeit und Langstreckenreisen zentrale Determinanten für die Rangordnung der elektrischen Zweiräder im Markt. Regierungen in südasiatischen Ländern konzentrieren sich besonders auf die Entwicklung von elektrischen Zweirädern, um den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren.

Ähnlich wie bei Elektroautos ist die Batterietechnologie auch bei elektrischen Zweirädern entscheidend. Zukünftige Trends umfassen die Entwicklung von Batterien mit höherer Kapazität, geringerem Gewicht, schnelleren Ladegeschwindigkeiten und längerer Lebensdauer. Elektrische Zweiräder haben strengere Anforderungen an Gewicht und Fahrzeugstruktur im Vergleich zu Autos, daher ist Leichtbau ein wichtiger Entwicklungsansatz. Dies wird die Verwendung von leichten Materialien und die Optimierung der Fahrzeugstruktur beinhalten, um das Gesamtgewicht zu reduzieren und die Energieausnutzungseffizienz zu verbessern.

Intelligente Technologie wird auch in großem Umfang bei elektrischen Zweirädern eingesetzt, einschließlich intelligenter Konnektivität, autonomer Fahrassistenzsysteme, Fahrzeugfernsteuerung usw. Die Weiterentwicklung intelligenter Technologie wird die Fahrsicherheit und den Komfort erhöhen. Darüber hinaus sind der Bau und die Verbreitung von Ladeinfrastruktur wichtige Entwicklungsrichtungen. Die Verbesserung der Energieeffizienz elektrischer Zweiräder, die Optimierung des Elektromotorsystems, des Steuersystems und die Erhöhung der Energieausnutzungseffizienz zur Verlängerung der Reichweite sind Schlüsselaspekte.

Sicherheitstechnik für elektrische Zweiräder entwickelt sich ebenfalls kontinuierlich weiter. Zukünftige Trends umfassen die Einführung fortschrittlicherer Systeme wie Antiblockiersysteme, elektronische Stabilitätskontrollsysteme, Kollisionswarnsysteme usw. Diese technologischen Trends treiben gemeinsam die Entwicklung elektrischer Zweiräder voran, machen kontinuierliche Fortschritte bei der Energieeinsparung, Intelligenz und Sicherheit und gewinnen dadurch zunehmend die Gunst der Verbraucher.

Der Markt für Elektrofahrzeuge erlebt derzeit eine rasante Entwicklung, begleitet von einer steigenden Nachfrage nach der Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen. Designer und Automobilhersteller müssen die Geschwindigkeit der Produkteinführungen beschleunigen, während sie die Verbesserung der Effizienz und der Endnutzererfahrung priorisieren. Darüber hinaus müssen sie geeignete Lösungen finden, um eine breite Palette von Anwendungen zu entwickeln, einschließlich Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge, was zweifellos eine Herausforderung darstellt.

Der S32K39-Mikrocontroller, eingeführt von NXP, ist ein neues Mitglied der S32K-Serie und eignet sich hervorragend für die Elektrifizierung in Anwendungen sowohl im Automobilbereich als auch für Zweiräder. Er kann bei Funktionen wie Batteriemanagement, effizientem Motorantrieb, schnellem Laden und Lastverteilung über das gesamte elektrische Netz unterstützen.

Die S32K39 MCU-Serie wurde speziell entwickelt, um die Anforderungen an die Steuerung von Traktionswechselrichtern in Elektrofahrzeugen zu erfüllen. Sie bietet mehrere Vorteile, darunter robuste Leistung, umfangreiche Integration, zuverlässige Konnektivitätsmerkmale, fortschrittliche Sicherheit und funktionale Sicherheitsfunktionen. Daher kann sie Traktionswechselrichter präzise steuern, die eine entscheidende Rolle im normalen Betrieb von Elektrofahrzeugen, der Batterieleistung und dem Fahrerlebnis spielen.

Die S32K39 MCU-Serie hat eine breite Anwendbarkeit und kann in verschiedenen Anwendungen für Elektrofahrzeuge über die Traktionswechselrichtersteuerung hinaus eingesetzt werden, einschließlich des Batteriemanagementsystems (BMS), des Bordladegeräts (OBC) und der DC/DC-Wandlung. Ihre Informationssicherheits- und funktionalen Sicherheitsfähigkeiten übertreffen herkömmliche Automotive-MCUs, und sie unterstützen auch Technologien wie Hardware-Isolierung, zeitkritische Netzwerke (TSN) und fortschrittliche Kryptografie, wodurch sie mit zonalen Fahrzeug-E/E-Architekturen und softwaredefinierten Fahrzeugen kompatibel sind.

Das S32K39 MCU verfügt über unverwechselbare Merkmale, die in der Lage sind, zwei Traktionswechselrichter zu steuern. Sie sind mit vier in Lockstep angeordneten 320MHz Arm® Cortex®-M7 Kernen ausgestattet, zwei Split-Lock-Kernen, zwei Co-Prozessor-Einheiten für Motorsteuerung und einem digitalen Signalprozessor (DSP). Sie können zwei 200kHz Regelkreise unterstützen, die in Verbindung mit IGBTs sowie SiC- und GaN-Leistungsschaltern arbeiten, um die Effizienz zu erhöhen und höhere Schaltfrequenzen zu erreichen. Dies trägt dazu bei, Größe, Gewicht und Kosten von Motoren zu verringern und die Reichweite zu erweitern. Darüber hinaus verfügen sie über bis zu 6MB eingebauten Flash-Speicher und 800KB SRAM. Das MCU verfügt über nach ISO/SAE 21434-zertifizierte Cybersecurity und Entwicklungsprozesse, die den ISO 26262-Standards für funktionale Sicherheit entsprechen.

In Kombination mit dem NXP FS26 Safety System Basis Chip (SBC) und dem NXP GD3162 High-Voltage Isolated Gate Driver kann ein S32K39 MCU als Dual-Traction-Inverter-Lösung für ASIL-D-Anwendungen dienen. Der FS26 SBC versorgt das System mit Strom und sorgt für eine isolierte Sicherheitsüberwachung, während der GD3162 Gate-Treiber eine einstellbare dynamische Gate-Stärke bietet, um sich an unterschiedliche Fahrbedingungen und die Durchsetzung der PWM-Totzeit anzupassen, was Schaltverluste reduziert und die Effizienz verbessert. Zusätzlich gibt es reaktionsfähige Fehlermechanismen, und NXP bietet Muster für Ingenieure, Evaluationsboards und ein umfassendes Angebot an Softwareunterstützung und -werkzeugen an.

Die FS26-Serie der Automotive Safety System Basis Chips bietet mehrere Stromversorgungsoptionen und unterstützt Sicherheits-Mikrocontroller der Einstiegs- und Mittelklasse wie die S32K3-Serie. Die FS26-Geräte unterstützen auch andere Mikrocontroller, die für Anwendungen zur Elektrifizierung im Automobilbereich vorgesehen sind, einschließlich Antriebsstrang, Fahrwerk, funktionale Sicherheit und kostengünstige Gateway-Anwendungen.

Der FS26 verfügt über mehrere Schaltregler und LDO-Spannungsregler zur Versorgung von Mikrocontrollern, Sensoren, Peripherie-ICs und Kommunikationsschnittstellen. Er bietet hochpräzise Spannungsreferenzen für das System und Referenzspannungen für zwei unabhängige Spannungsnachführregler. Zusätzlich stehen verschiedene Funktionen für die Systemsteuerung und Diagnostik zur Verfügung, wie z.B. analoge Multiplexer, GPIO, auswählbare I/O-Aufweckereignisse, Langzeit-Timer oder SPI-Kommunikation.

Der FS26 entspricht dem ISO 26262 Standard und deckt die Sicherheitsintegritätsstufen ASIL B und ASIL D ab. Er verfügt über mehrere ausfallsichere Ausgänge und ist ein integraler Bestandteil der sicherheitsorientierten Systempartitionierung, mit der neuesten latenten Fehlerüberwachung auf Abruf.

Die von ST eingeführte SPC560-Familie ist eine 32-Bit System-on-Chip (SoC) Serie von Automobil-Mikrocontrollern, die den neuesten Fortschritt in der integrierten Steuerung von Automobilanwendungen darstellt. Sie gehört zu der wachsenden Palette von automobilzentrierten Produkten, die darauf abzielen, Fahrwerksanwendungen zu adressieren, insbesondere elektrische hydraulische Servolenkung (EHPS) und elektrische Servolenkung (EPS) Systeme, sowie Sicherheitssysteme für Airbag-Anwendungen.

Der STDRIVE601 ist ein Hochspannungsgerät, das mit der BCD6s-Offline-Technologie hergestellt wird. Es ist eine Einzelchip-Lösung mit drei Halbbrücken-Gatetreibern, geeignet für N-Kanal-Leistungs-MOSFETs oder IGBTs in dreiphasigen Anwendungen. Alle Ausgangseinheiten des Geräts können Ströme von 350 mA aufnehmen und 200 mA liefern, mit Verriegelungs- und Totzeitfunktionen zur Vermeidung von Kreuzleitung.

Das Gerät verfügt über dedizierte Eingangspins für jeden Ausgang und einen Shutdown-Pin. Seine Logikeingänge sind mit CMOS/TTL kompatibel und arbeiten bei Spannungen von nur 3,3 V, was eine einfache Verbindung mit Steuergeräten ermöglicht. Angepasste Verzögerungen zwischen den Low-Side- und High-Side-Abschnitten gewährleisten keine Zyklusverzerrung und ermöglichen einen Hochfrequenzbetrieb.

Im STDRIVE601 ist ein Komparator mit fortschrittlicher Smart Shutdown (SmartSD) Funktionalität direkt in das Gerät integriert. Diese Funktion gewährleistet eine schnelle und effektive Verhinderung von Fehlerereignissen wie Überstrom und Übertemperatur. Eine spezielle UVLO-Schutzfunktion für sowohl den Low-Side- als auch jeden High-Side-Treiberabschnitt verhindert, dass die Leistungsschalter in ineffizienten oder gefährlichen Bedingungen arbeiten. Der STDRIVE601 integriert eine Bootstrap-Diode, und alle eingebauten Funktionen dieses ICs machen das Design von Anwendungs-Leiterplatten einfacher, kompakter und unkomplizierter, wodurch die Gesamtkosten der Materialrechnung reduziert werden. Das Gerät ist im SO-28-Gehäuse verpackt und eignet sich für Anwendungen wie dreiphasige Motorantriebe und Wechselrichter.

Software-Implementierung: Die feldorientierte Regelung (FOC), oder Vektorregelung, ist eine Technik zur variablen Frequenzregelung des Stators in einem dreiphasigen BLDC-Motorantrieb mit Hilfe von zwei orthogonalen Komponenten. Eine davon definiert den durch den Stator erzeugten magnetischen Fluss, während die andere dem Drehmoment entspricht, das durch die Geschwindigkeit des Motors bestimmt wird, die durch die Rotorposition bestimmt wird.

Elektrische Fahrzeuge, einschließlich Autos und Zweiräder, suchen kontinuierlich nach Batterietechnologien mit höherer Kapazität, schnellerem Laden und längerer Lebensdauer, um Reichweite und Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Sie entwickeln sich auch in Richtung größerer Intelligenz und Sicherheit weiter, wobei der Schwerpunkt auf fortlaufenden technologischen Innovationen in Energieeffizienz und Reduzierung von Kohlenstoffemissionen liegt. Diese Fortschritte bieten bedeutende Entwicklungsmöglichkeiten auf dem Markt. Die in diesem Artikel besprochenen Elektrifizierungslösungen können Herstellern dabei helfen, die Entwicklung verwandter Produkte zu beschleunigen. Für weitere Informationen können Sie sich gerne direkt an Arrow Electronics wenden.