DC-Ladelösungen für intelligente BEV-Infrastruktur

Um der globalen Erwärmung und dem Klimawandel entgegenzuwirken, haben sich viele Länder das Ziel gesetzt, bis 2050 Netto-Null-Kohlenstoffdioxidemissionen zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es entscheidend, die Emissionen aus dem Transportsektor zu reduzieren, der äußerst energieintensiv ist. Der Übergang zu Elektrofahrzeugen (EVs) spielt eine entscheidende Rolle in diesem Bemühen. Dieser Artikel stellt die Entwicklungstrends der EV-Industrie und die DC-Ladelösungen für die intelligente Infrastruktur von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) vor, die von Murata angeboten werden. 

Um das Ziel der Netto-Null-Kohlenstoffemissionen bis 2050 zu erreichen, haben viele Länder und Regionen politische Ziele gesetzt, um den Verkauf neuer Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) bis 2035 zu beenden. Solche politischen Änderungen führen dazu, dass die gesamte Automobilindustrie ihre Bemühungen zur Verringerung von Verkehrsemissionen verstärkt. Darüber hinaus wird laut der Internationalen Energieagentur (IEA) erwartet, dass bis 2050 nahezu alle Personen- und Nutzfahrzeuge auf der Straße elektrisch oder Brennstoffzellenfahrzeuge sein werden.

Darüber hinaus strebt die Automobilindustrie an, an der Science-Based Targets-Initiative teilzunehmen, die darauf abzielt, einen klaren Weg zur Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit zu bieten. Solche Initiativen helfen, gemeinsame Emissionsreduktionsziele nicht nur innerhalb einzelner Unternehmen, sondern in der gesamten Branche festzulegen.

Getrieben durch gesellschaftliche Anforderungen und Brancheninitiativen, die von Original Equipment Manufacturers (OEMs) angeführt werden, schreitet die Entwicklung neuer Infrastrukturen ebenfalls voran. Mit der zunehmenden Verbreitung von Batterie-Elektrofahrzeugen (BEVs) und emissionsfreien Fahrzeugen (ZEVs) steigt die Nachfrage nach Gleichstrom-Ladegeräten zur Unterstützung dieser Fahrzeuge. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend fortsetzt, was vielfältige Ladelösungen und Infrastrukturentwicklungen erfordert.

Hochleistungs-DC-Schnellladetechnologie spielt eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der weit verbreiteten Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs). Derzeit können einige DC-Schnelllader über 350 kW liefern, was es vielen BEVs ermöglicht, in ungefähr 30–45 Minuten bis zu 80 % aufzuladen. Diese Schnellladefähigkeit erhöht die Bequemlichkeit erheblich, insbesondere für Langstreckenreisen, und verringert die "Reichweitenangst" - Bedenken hinsichtlich der Reichweite - was es den Verbrauchern erleichtert, sich für EVs zu entscheiden. Darüber hinaus wird prognostiziert, dass bis 2030 etwa 50 % der produzierten BEVs über die Kapazität für 200 kW Schnellladung verfügen werden. Es wird erwartet, dass dieser Fortschritt die Nachfrage nach Hochleistungs-Ladeinfrastruktur steigern und damit die Gesamtannahme von EVs auf dem Markt erhöhen wird.

Darüber hinaus werden einige Premiummodelle in der Lage sein, mit einer Spitzenleistung von über 300 kW zu laden, was effizientes und schnelles Laden ermöglicht und die Kundenerwartungen an eine hohe Leistung erfüllt. Diese technologischen Trends unterstreichen den erheblichen Einfluss und die Entwicklung von Hochleistungs-Gleichstrom-Schnellladegeräten auf den breiteren EV-Markt.

Beim Design von Ladestationen verlagert sich der Trend dahin, die zentrale Leistungskonvertierungseinheit von den Ladestationen zu entfernen. Diese Vorgehensweise trennt die Leistungskonvertierungseinheit von der Ladestation, was die Flexibilität der Stromverteilung verbessert und den gesamten Installationsbedarf verringert.

Multipoint-DC-Ladegeräte können die verfügbare Ausgangsleistung zwischen mehreren Ladegeräten aufteilen, sodass ein einzelnes Ladegerät zwei oder mehr Fahrzeuge gleichzeitig laden kann. Kürzlich haben viele Hersteller begonnen, DC-Ladegeräte mit zwei oder mehr DC-Ausgängen anzubieten. Dieser Trend gewinnt aufgrund seiner Vorteile in kommerziellen Anwendungen, wie Mietwagen, Taxis und Bussen, bei denen die Nachfrage steigt, an Beliebtheit. Die gleichzeitige Aufladung von zwei Fahrzeugen (Leistungsteilungstechnologie) ermöglicht eine effiziente Leistungsverteilung zur Deckung hoher Nachfrage. Darüber hinaus wird erwartet, dass solche technologischen Fortschritte hochpräzise, hochgeschwindigkeitsdrahtlose Kommunikationstechnologie erfordern.

Um eine nachhaltige dekarbonisierte Gesellschaft aufzubauen und die gesamte Industrie dazu zu ermutigen, mit Dringlichkeit und Verantwortung zu reagieren, hat Murata die "Schaffung einer dekarbonisierten Gesellschaft" als zentrales Thema festgelegt und Ziele zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen (GHG) für seine Geschäftstätigkeiten gesetzt.

Zusätzlich beschleunigt Murata die Dekarbonisierungsbemühungen in der gesamten Wertschöpfungskette mit dem Ziel, bis 2050 Klimaneutralität in der Lieferkette zu erreichen und bis 2035 RE100. Murata arbeitet auch mit Interessengruppen zusammen, um aktiv zur globalen Klimaschutzbemühungen beizutragen. Insbesondere im Mobilitätssektor, der 25 % des Umsatzes ausmacht, wird die Förderung von emissionsfreien Fahrzeugen, die auf BEVs ausgerichtet sind, als entscheidend angesehen. Murata konzentriert sich auf Schnellladesysteme als Schlüsselbereich und treibt technologische Innovationen und Wertschöpfung voran, um den Übergang zu dekarbonisierten Geschäftsmodellen zu unterstützen.

Murata geht aktiv soziale Probleme in seinen Geschäftsprozessen auf Basis von Wesentlichkeit an, wobei der Fokus auf Miniaturisierungstechnologie und umweltfreundlicher Produktentwicklung liegt. Insbesondere die Entwicklung von Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) wurde dafür anerkannt, die Benutzerfreundlichkeit von Kundenprodukten zu verbessern und die nachhaltige Ressourcennutzung durch leichte und kompakte Technologie zu fördern. Darüber hinaus hat Murata umweltfreundliche Verpackungen und Recyclingsysteme eingeführt und multifunktionale Maßnahmen zur Reduzierung der Umweltbelastung umgesetzt.

Da DC-Ladegeräte eine höhere Ausgangsleistung benötigen, um den Anforderungen des Schnellladens gerecht zu werden, sind MLCCs für Schnelllade-Schaltkreise unerlässlich. Murata bietet eine Reihe von MLCCs an, die in der Lage sind, hohe Ausgangsleistungen zu bewältigen, mit besonderen Stärken in AC-DC- und DC-DC-Schaltkreisen.

Der Markt für EV-Gleichstromladegeräte befindet sich aufgrund des Wechsels zu Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN) Technologien in einem bedeutenden Wandel. Im Jahr 2023 wurde der Markt für EV-Gleichstromladegerätegeräte, einschließlich diskreter Bauteile und Module, auf 330 Millionen USD geschätzt und soll bis 2029 auf 810 Millionen USD anwachsen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 17,8 %.

Insbesondere die SiC-Technologie gewinnt schnell an Bedeutung und positioniert die EV-Gleichstromladeinfrastruktur als eine Schlüsselanwendung, die die Nachfrage nach SiC-Wafern in den kommenden Jahren vorantreibt. Der SiC-MOSFET-Gerätemarkt wird voraussichtlich mit einer hohen CAGR von 40,3 % von 2023 bis 2029 wachsen und eine Marktgröße von 295 Millionen Dollar erreichen. Dieses Wachstum wird durch die steigende Nachfrage im Segment der ultraschnellen Ladegeräte (350 kW und mehr) angetrieben, wo hohe Leistung und effiziente Energiewandlung entscheidend sind. Darüber hinaus entwickeln viele Hersteller modulare Designs mit 30–40 kW-Modulen weiter, die auch in groß angelegten ultraschnellen Ladestationen eingesetzt werden.

In der Zwischenzeit zieht die GaN-Technologie aufgrund ihrer hohen Schaltgeschwindigkeiten und Effizienz Aufmerksamkeit auf sich, was sie für bestimmte Niedrigleistungs-DC-Ladegeräte und spezialisierte Anwendungen vielversprechend macht. Die GaN-Technologie befindet sich jedoch noch in den Anfängen, und Herausforderungen wie Kostensenkung und Zuverlässigkeitsverbesserung müssen angegangen werden, um eine weit verbreitete Akzeptanz zu erreichen. Dennoch wird erwartet, dass zukünftige F&E weiteres Wachstum in diesem Bereich vorantreiben wird.

Die in aktuellen EV-DC-Ladegeräten verwendeten Leistungshalbleiter wechseln von Si-MOSFET/Si-IGBT zu SiC-MOSFET/GaN, angetrieben durch die Nachfrage nach schnellerer und höherer Ausgangsleistung. Dieser Wandel ist auf die überlegene Leistungswandlungseffizienz von SiC und GaN zurückzuführen, die den Energieverlust reduziert, die Ladezeit verkürzt und die Kosten senkt. Diese Materialien können auch in Hochtemperaturumgebungen arbeiten, wodurch der Kühlungsbedarf sinkt und Miniaturisierung sowie Kosteneinsparungen ermöglicht werden. Darüber hinaus unterstützen sie eine schnellere Leistungswandlung, was die Leistung von Schnellladesystemen verbessert, und ihre Hochgeschwindigkeitsschaltfähigkeiten ermöglichen kompaktere und leichtere Designs, die zu platzsparenden Lösungen beitragen. Die Komponenten entwickeln sich auch in Richtung höherer Spannung, kleinerer Größe und besserer Hitzebeständigkeit.

Während sich die Halbleiterspezifikationen von Si MOSFET/Si IGBT zu SiC MOSFET/GaN verschieben, werden MLCCs in Bereichen eingesetzt, in denen sie zuvor nicht verwendet wurden. Muratas MLCC-Produktpalette trägt zu hoher Spannung, Miniaturisierung und Hitzebeständigkeit bei. Wie bei traditionellen Designs (Si MOSFET/Si IGBT) liegen Muratas Stärken weiterhin in AC-DC und DC-DC Schaltungen.

Zu den gängigen Architekturen von DC-DC-Wandlern gehören drei Typen: Vollbrückenwandler, Halbbrückenwandler und Resonanzwandler. Die Lösungen von Murata richten sich nach diesen Schaltungsdesigns und bieten ein Produktangebot, das hohe Spannungen unterstützt, wobei eine kontinuierliche Erweiterung im Gange ist. Dazu gehören Snubber-Kondensatoren (Klasse 2) wie die GRM-Serie (bis zu 1.250 V ausgelegt), die GR3-Serie (hohe Rauschstromtoleranz), die KRM-Serie (metall-seitige Ausführung mit GRM), die KR3-Serie (metall-seitige Ausführung mit GR3) und die RDE-Serie (epoxidbeschichtet mit Anschlussdrähten), sowie Snubber- und Resonanzkondensatoren wie die GRM-Serie (bis zu 1 kV mit C0G- und U2J-Eigenschaften ausgelegt) und die KRM-Serie (bis zu 1 kV mit C0G- und U2J-Eigenschaften ausgelegt). Um beispielsweise Kompaktheit in platzbeschränkten DC-Ladegerätemodulen zu erreichen, werden manchmal MLCCs als Resonanzkondensatoren anstelle von Folienkondensatoren verwendet (Resonanzkondensatoren werden in LLC-Schaltungen empfohlen).

Um die schnelle Fernüberwachung des Betriebs von Schnellladestationen zu ermöglichen, ist es essenziell geworden, Ladegeräte mit Konnektivitätsmodulen auszustatten. Die am häufigsten verwendeten Technologien sind Wi-Fi™ und Bluetooth®, die es Geräten ermöglichen, sich direkt mit dem Internet zu verbinden und somit die flexibelsten drahtlosen Lösungen für IoT-Produkte darstellen. Diese Technologien bieten Vorteile wie eine schnellere Markteinführung, hohe Leistung und Zuverlässigkeit, lokale und globale FAE-Unterstützung, Langzeitgarantien sowie RF- und Zertifizierungsunterstützung.

Die Wireless-Konnektivitätsmodule von Murata unterstützen Wi-Fi4, Wi-Fi5 und Wi-Fi6/Bluetooth, sind von der FCC/ISED und Japan zertifiziert und bieten CE-Testberichte. Sie können in Linux- oder RTOS-Plattformen integriert werden und werden in DC-Ladeanwendungen für die Überwachung des Ladezustands in Echtzeit, Software-Updates, die Integration von Smartphone-Apps und die Fernfehlersuche verwendet.

Um die Reichweite und Übertragungsdistanz von Wi-Fi™ zu erweitern, wurde die Wi-Fi HaLow™-Technologie entwickelt. Wi-Fi HaLow™ ist ein Langstrecken-Funkkommunikationsstandard, der auf Wi-Fi/IP basiert und als "IEEE 802.11ah" standardisiert ist, fähig zur Kommunikation über ein Gebiet von mehr als 1 Kilometer. Mit einer Bandbreite von 4 MHz (SISO) erreicht Wi-Fi HaLow™ theoretisch Datenübertragungsgeschwindigkeiten von mehreren Mbps, was es für Video- und Audiostreaming geeignet macht.

Wi-Fi HaLow ist für IoT- und Smart-Geräte optimiert und bietet eine Langstreckenkommunikation sowie einen niedrigen Energieverbrauch, der für den Batteriebetrieb geeignet ist. Es arbeitet im 900-MHz-Band und bietet eine Kommunikationsreichweite von mehreren hundert Metern - weit über die 2,4-GHz- oder 5-GHz-Bänder des traditionellen Wi-Fi hinaus - und eliminiert die Notwendigkeit von Telekommunikationsdienstleistungen, wodurch die Kosten gesenkt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen LPWA liefert Wi-Fi HaLow eine höhere Durchsatzrate und unterstützt die Übertragung von Daten mit hoher Kapazität bei Geschwindigkeiten von bis zu mehreren Mbps (4 MHz Bandbreite, SISO). Es bietet auch native IP-Unterstützung, die eine direkte Verbindung zu IP-Netzwerken wie bei traditionellem Wi-Fi ermöglicht, und unterstützt die neuesten Sicherheitsprotokolle wie WPA3. Anwendungen umfassen IoT-Geräte, Smart Buildings, Smart Agriculture und Smart Factories.

Murata hat zwei Wi-Fi HaLow-Module entwickelt: Typ 2HL mit geringer Sendeleistung für globale SKU und Typ 2HK für höhere Sendeleistung, die in NA und APAC außer Japan erlaubt ist, die im Sub-1-GHz-Frequenzbereich (unlizenziertes Band) mit mehreren stromsparenden Modus betrieben werden und Unterstützung für die neuesten Wi-Fi-Sicherheitsmechanismen bieten. In DC-Ladeanwendungen, wie der Installation von Ladegeräten auf großen Parkplätzen, wo die Reichweite des traditionellen Wi-Fi nicht ausreicht, kann Wi-Fi HaLow als Alternative dienen.

Mit der schnellen Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen wird der Bau intelligenter Infrastrukturen der Schlüssel zur Förderung einer hochwertigen industriellen Entwicklung. DC-Ladelösungen, mit ihren Vorteilen von hoher Effizienz, schneller Reaktion und Intelligenz, werden zunehmend zu einem wesentlichen Bestandteil des zukünftigen Transportsystems. DC-Ladesysteme für intelligente Infrastrukturen verbessern nicht nur das Ladeerlebnis und die Betriebseffizienz, sondern integrieren sich auch tief in das Energiemanagement und in intelligente Planungstechnologien, was Städte dabei unterstützt, eine grüne, kohlenstoffarme und nachhaltige Entwicklung zu erreichen. Muratas MLCC- und Wi-Fi HaLow-Verbindungslinien werden bedeutende Rollen in DC-Ladelösungen spielen und die intelligente und digitale Transformation der Elektromobilität weiter vorantreiben.