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Kostenstruktur des Antriebs bei batteriebetriebenen Fahrzeugen

Erstellt am: 03.09.2010 | Stand des Wissens: 01.12.2023
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Die Komponenten des Antriebsstranges eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeuges unterscheiden sich maßgeblich von denen des konventionell angetriebenen Verbrenner-Fahrzeugs. Durch den Wegfall von Verbrennungsmotor, Abgasanlage, Kraftstoffversorgung, Kupplung und Getriebe ergibt sich eine neue Zusammensetzung der Kostenstruktur des Elektroantriebs. Als Hauptkomponenten der neuen Kostenstruktur sind der Elektromotor mit Leistungselektronik sowie die Traktionsbatterie zu nennen [WaFr11a, S.138 f.]. Die Traktionsbatterie ist der Energiespeicher und zentrale sowie teuerste Komponente des Antriebsstranges. Ihre Kosten können bis zu einem Drittel der gesamten Fahrzeugkosten ausmachen. Derzeit sind die Kosten für ein batteriebetriebenes Elektroauto noch wesentlich höher als die eines konventionellen Verbrenners. Bis zum Jahr 2030 soll der Preisunterschied auf nur 9 Prozent gesenkt werden [KöNi21].
Das Herzstück des Elektroantriebs bilden der Elektromotor und die Leistungselektronik. Die Leistungselektronik wandelt den von der Batterie bereitgestellten Gleichstrom in die im aktuellen Lastpunkt vom Motor benötigte Form um. Dabei ergeben sich für verschiedene Motortypen unterschiedliche Anforderungen [WaFr11a, S. 71 ff.]. Bei Gleichstrommotoren (auf Englisch: Direct Current, DC) wird hierzu lediglich ein Gleichstromwandler benötigt, der Strom und Spannung an den Betriebspunkt des Motors anpasst. Drehstrommotoren, welche sich in Asynchron- und Synchronmaschinen unterscheiden und aufgrund ihrer hohen spezifischen Leistung bei sehr guten Wirkungsgraden eine große Verbreitung gefunden haben, werden dagegen mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben, dessen Frequenz zur Drehzahlstellung angepasst wird. Die zur Bereitstellung des Wechselstroms notwendige Leistungselektronik ist deutlich komplexer als die der Gleichstrommotoren, wodurch diese Bauteile im Vergleich höhere Kosten mit sich bringen [WaFr11a, S. 118]. Insgesamt unterscheiden sich die verschiedenen Motoren nicht nur in ihrer Funktionsweise, sondern auch die mit ihnen verbundenen Kosten weichen ab. Momentan etabliert sich die Asynchronmaschine als kostengünstigere Antriebsvariante [WaFr11a, S. 120; FrKe17, S.13]. Die Kosten für einen mittleren Motor mit 90 Kilowatt Nennleistung liegen bei etwa 900 Euro für einen (permanent erregten) Synchronmotor und bei etwa 720 Euro für einen Asynchronmotor. Diese Kosten beziehen sich nur auf den Motor ohne die Leistungselektronik aber inklusive Getriebe [FrKe17, S.13]. Die Leistungselektronik umfasst insbesondere den Wechselrichter, dessen Kosten je nach Art in unterschiedlicher Höhe ausfallen können. Die Kosten eines Silizium-basierten Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (Si-IGBT) Wechselrichters liegen bei etwa 707 Dollar (entspricht etwa 640 Euro), die Kosten eines effizienteren Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren aus Siliziumkarbid (SiC-MOSFET) Wechselrichters bei etwa 1370 Dollar (entspricht etwa 1240 Euro). Letztere gelten als nächster Evolutionsschritt für zukünftige elektrische Antriebe. [ShRa23]
Energiewandler in einem batteriebetriebenen Elektrofahrzeug sind das Ladegerät und der Gleichspannungswandler. Das Ladegerät wird zum Aufladen der Batterie an einer Wechselstromquelle, wie zum Beispiel dem im Haushalt verfügbaren Netzstrom, benötigt und dient somit als Gleichrichter [Shel23]. Gemäß Fries et al. sollen die Preise für das Ladegerät von 500 Euro im Jahr 2017 auf 300 Euro im Jahr 2030 sinken [FrKe17]. Der Gleichspannungswandler ermöglicht die Energieversorgung der Nebenverbraucher im Niederspannungsnetz, indem er die hohe Batteriespannung herabsetzt. Dies ist notwendig, da in Elektrofahrzeugen Batteriesysteme mit Spannungen von 300 Volt und mehr eingesetzt werden. Eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug sind allerdings auf eine heute übliche Bordnetzspannung von 12 Volt ausgelegt, wie zum Beispiel das Lichtsystem, elektrische Fensterheber oder Infotainment. Die Kosten für den Gleichspannungswandler liegen bei etwa 190 Euro [FrKe17]. Eine Differenzierung nach Fahrzeugklassen ist bei diesen Komponenten nicht notwendig, da sie nicht direkt mit dem Antrieb verknüpft sind [WaFr11a, S. 123 f.].
Insgesamt lagen die Kosten für den Antriebsstrang im Jahr 2020 für ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug deutlich über denen eines klassischen Verbrennerfahrzeuges [NeAn20].
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Grundlagen der Elektromobilität (Stand des Wissens: 08.12.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?426933
Literatur
[FrKe17] Michael Fries, Mathias Kerler, Stephan Rohr, Michael Sinning, Stephan Schickram, Markus Lienkamp, Robert Kochhan, Stephan Fuchs, Benjamin Reuter, Peter Burda, Stephan Matz An Overview of Costs for Vehicle Components, Fuels, Greenhouse Gas Emissions and Total Cost of Ownership - Update 2017, 2017/08, Online-Referenz http://rgdoi.net/10.13140/RG.2.2.11685.40164
[KöNi21] Adrian König, Lorenzo Nicoletti, Daniel Schröder, Sebastian Wolff, Adam Waclaw, Markus Lienkamp An Overview of Parameter and Cost for Battery Electric Vehicles, 2021/02/03, Online-Referenz doi:10.3390/wevj12010021
[NeAn20] Jörn Neuhausen, Felix Andre, Jörg Assmann, Christoph Stürmer Staying profitable in the new era of electrification (Powertrain Study 2020), 2020/08
[Shel23] Shell EV Charging Solutions (Hrsg.) Aufladen mit Wechselstrom oder Gleichstrom
, 2023
[ShRa23] Bufan Shi, Anna Isabel Ramones, Yingxu Liu, Haoran Wang, Yu Li, Stefan Pischinger, Jakob Andert A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development, 2023/05/17, Online-Referenz doi:10.1049/pel2.12524
[WaFr11a] Wallentowitz, Henning, Freialdenhoven, Arndt Strategien zur Elektrifizierung des Antriebstranges: Technologien, Märkte und Implikationen , Ausgabe/Auflage 2. Auflage, Vieweg+Teubner, 2011, ISBN/ISSN 3834814121
Glossar
DC
Gleichstrom (englisch: Direct Current)
AC
Wechselstrom
Infotainment
Unter Infotainment (Kofferwort aus Information und Entertainment = Unterhaltung) wird ein Teil eines Medienangebotes verstanden, bei welchem der Zuschauer bzw. Empfänger sowohl informiert, als auch unterhalten wird.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?330575

Gedruckt am Montag, 29. April 2024 18:04:41