Schwere Nutzfahrzeuge - wie werden sie energieeffizient?

Schwere Nutz-, Bau- und Landwirtschaftsfahrzeuge wie Lastwagen, Kipper, Busse, Erntemaschinen, Raupenfahrzeuge und Gabelstapler müssen besondere Anforderungen erfüllen: Neben Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Rentabilität sollen sie auch umweltfreundlich und energieeffizient sein. Obwohl es viel mehr Pkw auf den Straßen gibt, sind schwere Nutzfahrzeuge wie Lkw und Busse für rund 27 % der CO₂-Emissionen im Straßenverkehr verantwortlich, was etwa 6 % der gesamten CO₂-Emissionen in der EU entspricht.

Der Anstieg von CO₂-Emissionen und des Energieverbrauchs ist in erster Linie auf die zunehmende Wirtschaftstätigkeit und die steigende Nachfrage nach Gütern zurückzuführen, die zu mehr Transporten und Lieferungen und damit zu mehr Lkw-Verkehr führen. Der Europäische Rat hat die ersten europäischen CO₂-Emissionsnormen für Lkw und andere schwere Nutzfahrzeuge angenommen, um den steigenden CO₂-Emissionen entgegenzuwirken. Nach den neuen Vorschriften müssen die Hersteller die CO₂-Emissionen neuer Lkw bis 2025 um durchschnittlich 15 % und bis 2030 um 30 % gegenüber den Werten von 2019 senken. Spätestens ab 2025 werden Lkws auf europäischen Straßen also immer umweltfreundlicher werden.

Warum die Elektrifizierung von schweren Nutzfahrzeugen ein wichtiges Thema ist

Die Kombination aus steigenden Emissionen und dem dringenden Handlungsbedarf beim Klimaschutz sind die Hauptgründe, warum die Elektrifizierung von schweren Nutzfahrzeugen in den letzten Jahren zu einem drängenden Thema für Hersteller und Nutzer geworden ist. Die Fahrzeuge werden zunehmend auf elektrische Antriebe umgestellt, um die neuesten Emissions- und Energievorschriften zu erfüllen. Auch bei Nutzfahrzeugen, die im städtischen Umfeld eingesetzt werden, schreitet die Elektrifizierung schnell voran, vor allem bei großen Fahrzeugflotten und Logistikdiensten. Viele globale Logistikunternehmen haben sich verpflichtet, ihre Elektroflotten durch Nachrüstungen oder Neuanschaffungen zu erweitern. In Europa kommt der Wandel gerade erst in Schwung: Im Jahr 2019 hat sich die Zahl der zugelassenen batterie- und plug-in-elektrischen Lkw im Vergleich zum Vorjahr mehr als verdoppelt. Und das ist sicherlich erst der Anfang: Für das Jahr 2030 schätzen die europäischen Lkw-Hersteller, dass rund 200.000 emissionsfreie Lkw - einschließlich E-Lkw (BEV) und Brennstoffzellen-Lkw (FCEV) - benötigt werden, um die CO2-Ziele für schwere Lkw zu erreichen.

Umrichter für den Antriebsstrang und Hilfsantriebsanwendungen

Die Elektrifizierung erstreckt sich auf verschiedene technologische Teilbereiche, wie Motoren und Antriebe, Datenverarbeitung, sowie Sensorik und Kommunikation. Die Komplexität eines schweren Nutzfahrzeugs ist in der Regel viel höher als die eines Pkw, was auf die Anzahl von Sensoren, Leistungshalbleitern, Mikrocontrollern und Speicher zurückzuführen ist. Aus Sicht der Halbleiterindustrie umfasst die Elektrifizierung von schweren Nutzfahrzeugen vor allem Lösungen im Bereich der Umrichter für den Antriebsstrang und der Hilfsantriebsanwendungen, also  für Maschinen wie Ballenpressen, Sägen, Mähmaschinen, rotierende Bürsten und Erntemaschinen. In vollelektrischen Antriebssträngen ersetzen elektrische Geräte, die von leistungselektronischen Wechselrichtern gesteuert werden, mechanische Komponenten und machen schwere Nutzfahrzeuge energieeffizienter und zuverlässiger. Gemeinsam mit Sicherheit und Robustheit sind dies die bestimmenden Faktoren bei der Konstruktion von Bussen, Lkw und landwirtschaftlichen Fahrzeugen, die sich als emissionsfreie Alternativen zum heutigen Transport mit fossilen Brennstoffen etablieren. 

Applikations-Seite: Nutz-, Bau- und landwirtschaftliche Fahrzeuge

Höhere Energieeffizienz mit neuen Technologien wie Siliziumkarbid (SiC)

Halbleiterlösungen von Infineon tragen dazu bei, die neuesten Emissions- und Energievorschriften in elektrischen Antriebssträngen einzuhalten. An Bord eines Lastwagens helfen sie beispielsweise, die Schaltvorgänge in elektrischen Antriebssträngen zu optimieren. Sie bieten elektronikbasierte und kraftstoffsparende Lösungen und ermöglichen eine effiziente Batterieladung. Siliziumkarbid ist eine Technologie für Leistungshalbleiter, die für elektrifizierte Anwendungen im Bereich schwerer Nutzfahrzeuge an Bedeutung gewinnt. SiC-basierte Leistungshalbleiter bieten ähnliche Leitungsspezifikationen wie IGBTs, können aber bei viel höheren Frequenzen schalten, was die Verwendung kleinerer passiver Komponenten ermöglicht. Selbst beim Schalten mit niedrigeren Frequenzen können SiC-basierte Leistungshalbleiter die Summe der Leistungsverluste im Vergleich zu IGBTs um bis zu 80 % reduzieren. Ein Beispiel dafür ist die Infineon 1200 V CoolSiC™-Familie, deren Produkte sowohl als Modul, als auch als diskrete Bauteile erhältlich sind.

Applikations-Seite: Hybrid- und Elektrolösungen für Lkw und landwirtschaftliche Fahrzeuge

Mehr Information: Whitepaper, Podcast4Engineers

Halbleiterlösungen für zahlreiche Anwendungen an Bord

Halbleiterlösungen von Infineon ermöglichen eine effiziente Energienutzung in Nutz-, Bau- und Landwirtschaftsfahrzeugen wie Mähdreschern oder Traktoren, sowie in Bussen, Lkw und Bergbaufahrzeugen. Anwendungen sind vor allem der elektrische Antriebsstrang und die Hilfsstromversorgung, aber auch On-Board-Ladegeräte, DC-DC-Wandler, elektrische Pumpen und Kompressoren.

Weitere relevante Anwendungen, bei denen Infineon-Halbleiter zum Einsatz kommen, sind das Batteriemanagementsystem, Sicherheitsfunktionen wie die Fahrzeugstabilitätskontrolle, oder "Steer-by-wire - Brake-by-wire", sowie Radar- und Kameraanwendungen. Um das gesamte Spektrum der Elektrifizierungsanwendungen abzudecken, umfassen die Produkte von Infineon Silizium-basierte IGBTs und CoolSiC™ MOSFETs, Leistungsmodule wie EconoDUAL™ und HybridPACK™ Drive, sowie die passenden Gate-Treiber, Mikrocontroller und Sensoren. Die bekanntesten IGBTs von Infineon sind die kosteneffizienten EconoDUALTM 3-Halbbrücken, die für bis zu 900 A und 1700 V ausgelegt sind.

In diesen Bereichen kann die Energieeffizienz gesteigert werden: