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Jul 02, 2023

Patentanmeldungen geben Hinweise auf die Zukunft von Elektrofahrzeugbatterien

Wir befinden uns in der Anfangsphase eines historischen Übergangs von innen

Wir befinden uns in der Anfangsphase eines historischen Übergangs von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) zu batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV). Der Übergang wird in vielerlei Hinsicht teuer und schwierig sein. Innovationen sollten diesen Übergang erleichtern. Kürzlich eingereichte Patentanmeldungen könnten Hinweise auf die Richtung der BEV-Innovation geben.

KOMMENTAR

Die meisten US-Patentanmeldungen werden kurz nach ihrer Einreichung vom US-Patent- und Markenamt (USPTO) veröffentlicht. Dieser Artikel konzentriert sich nur auf USPTO-Patentanmeldungen, die ebenso wie bei anderen Patentämtern auf der Welt angemeldete Patente auch BEV-Innovationen widerspiegeln.

Ein US-Patent gewährt seinem Inhaber das Recht, andere daran zu hindern, in den USA Produkte herzustellen, zu verwenden, zu verkaufen oder zu importieren, die unter das Patent fallen. Gegen ein Konkurrenzprodukt kann ein Patent unabhängig davon geltend gemacht werden, ob das Produkt ohne Kenntnis des Patents entstanden ist. Ein Patent kann äußerst wertvoll sein und von seinem Inhaber durch Rechtsstreitigkeiten, Lizenzierung an Dritte oder auf andere Weise ausgenutzt werden.

BEVs werden vollständig mit Strom betrieben. Ein BEV-Antriebsstrang umfasst typischerweise einen Traktionswechselrichter, der elektrisch zwischen einer wiederaufladbaren Batterie und einem Elektromotor verbunden ist. Die Batterie liefert Gleichstrom. Der Elektromotor benötigt zum Betrieb Wechselstrom. Der Traktionswechselrichter wandelt Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Elektromotor um. Der Traktionswechselrichter steuert außerdem die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors.

Batterien sind die wichtigste und teuerste Komponente des BEV-Antriebsstrangs. Batterien zeichnen sich durch viele Faktoren aus, darunter Kosten, Wiederaufladezeit, Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer. Kleinere und leichtere Batterien reduzieren die Kosten und das Gewicht von BEVs. Allerdings fehlt kleineren Batterien die erforderliche Kapazität, um die Reichweitenangst des Fahrers zu lindern.

Derzeit werden Lithium-Ionen-Batterien für BEVs bevorzugt. Im Jahr 2022 kündigten zahlreiche Pressemitteilungen Pläne an, in den USA neue Fabriken zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu errichten. Solche Ankündigungen nahmen kurz nach der Verabschiedung des US-amerikanischen Inflation Reduction Act zu, der den Schwerpunkt auf im Inland bezogene BEV-Batterien legt.

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einem Elektrolyten, einer Anode und einer Kathode. Im Elektrolyten findet der Ionenaustausch zwischen Anode und Kathode statt, während die Batterie geladen oder entladen wird. Für den Elektrolyten und die Elektroden (Anode und Kathode) können verschiedene Materialien verwendet werden, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Diese beinhalten:

Aus der USPTO-Datenbank geht hervor, dass insgesamt 4.301 US-Patentanmeldungen eingereicht wurden, die sich auf Lithium-Ionen-Batterien beziehen. Eine Reihe dieser Patentanmeldungen können sich auf periphere Aspekte von Lithium-Ionen-Batterien beziehen, einschließlich Recycling- und Überwachungsmethoden usw. Die meisten der 4.301 Patente beziehen sich jedoch auf die Zusammensetzung, Struktur und Methoden zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien.

Fast 40 % der 4.301 Patentanmeldungen wurden in den letzten fünf Jahren eingereicht, was darauf hindeutet, dass die Innovation in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie rasant voranschreitet. Dies deutet auch darauf hin, dass Lithium-Ionen-Batterien auf absehbare Zeit eine wichtige Rolle in BEVs spielen werden. Die folgende Grafik zeigt eine geografische Aufschlüsselung nach Anmeldeland der in den letzten fünf Jahren in den USA eingereichten Patentanmeldungen für Lithium-Ionen-Batterien. Es scheint, dass Japan seit 2017 eine führende Rolle bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien einnimmt.

Ungeachtet der Bedeutung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie verzeichnet das USPTO einen Anstieg der Zahl der eingereichten US-Patentanmeldungen, die sich auf alternative Batterietechnologien wie Festkörperbatterien beziehen. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien nutzen Festkörperbatterien Festkörperelektrolyte zur Übertragung von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode. Festkörperelektrolyte verleihen Batterien eine höhere Energiedichte, eine längere Lebensdauer und eine bessere Sicherheit. Es gibt jedoch einige Bedenken hinsichtlich des Preises und der Komplexität der Herstellung von Festkörperbatterien in großem Maßstab.

Aus der USPTO-Datenbank geht hervor, dass insgesamt 1.302 US-Patentanmeldungen im Zusammenhang mit Festkörperbatterien eingereicht wurden, wobei fast 74 % davon in den letzten fünf Jahren eingereicht wurden. Die folgende Grafik zeigt eine Aufschlüsselung der Patentanmeldungen für Festkörperbatterien in den letzten fünf Jahren nach Anmeldeland. Auch hier ist Japan führend bei der Entwicklung von Festkörperbatterien.

Der Traktionswechselrichter ist eine weitere wichtige und teure Komponente des BEV-Antriebsstrangs. Traktionswechselrichter wandeln, wie oben erwähnt, Gleichstrom in Wechselstrom um, um einen Elektromotor zu betreiben. Ein Traktionswechselrichter umfasst typischerweise drei Phasen oder Zweige, von denen jede einen High-Side-Schalter enthält, der mit einem Low-Side-Schalter verbunden ist, dessen Kombination in Reihe zwischen den positiven und negativen Anschlüssen einer Batterie geschaltet ist. Die Schalter leiten im eingeschalteten Zustand Strom. Die Schalter erhalten Aktivierungssignale von einem Mikroprozessor oder einem ähnlichen Gerät. Durch die koordinierte Aktivierung von High-Side- und Low-Side-Schaltern fließt Strom in den Statorwicklungen jeder Phase, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das mit einem Rotor interagiert. Der Rotor wiederum erzeugt ein Drehmoment auf einer Antriebswelle.

Die Schalter haben großen Einfluss auf Kosten, Größe, Gewicht, Leistungsdichte und Effizienz eines Traktionswechselrichters. Silizium-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sind derzeit die bevorzugten Schalter für Traktionswechselrichter. Silizium-IGBTs sind günstig und in großen Mengen erhältlich, was sie zur bevorzugten Alternative für den Einsatz in Traktionswechselrichtern macht. Bei niedrigen Schaltgeschwindigkeiten bieten Silizium-IGBTs auch einen guten Wirkungsgrad. Allerdings werden Traktionswechselrichter mittlerweile für den Betrieb mit höheren Schaltgeschwindigkeiten entwickelt, bei denen Silizium-IGBTs weniger effizient sind. Dies wiederum verringert den Gesamtwirkungsgrad der Traktionswechselrichter, in denen Silizium-IGBTs eingesetzt werden. Möglicherweise ist auch ein größeres Wärmemanagementsystem erforderlich, um Silizium-IGBTs zu kühlen, die mit höheren Schaltgeschwindigkeiten arbeiten, was wiederum die Kosten, das Gewicht und die Größe des Traktionswechselrichters erhöht.

Die USPTO-Datenbank weist insgesamt 586 US-Patentanmeldungen im Zusammenhang mit IGBTs aus, von denen 31 % in den letzten fünf Jahren eingereicht wurden. Die folgende Grafik zeigt eine Aufschlüsselung der zuletzt eingereichten IGBT-Patentanmeldungen nach Anmeldeland. China und die USA scheinen in den letzten fünf Jahren die führenden Innovatoren zu sein.

Bisher haben sich Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) als bevorzugte Alternativtechnologien zu Silizium-IGBTs herausgestellt. Diese Halbleiterbauelemente können mit höheren Schaltgeschwindigkeiten (auch bei hohen Spannungen) und geringeren Schaltverlusten betrieben werden, was eine geringere Wärmeentwicklung bedeutet und somit die Anforderungen sowie die Größe und Kosten von Wärmemanagementsystemen reduziert.

Aus der USPTO-Datenbank geht hervor, dass insgesamt 1.412 US-Patentanmeldungen eingereicht wurden, die sich auf SiC-Transistoren beziehen. Fast 35 % dieser Patentanmeldungen wurden in den letzten fünf Jahren eingereicht. Während die USA und China bei Innovationen im Zusammenhang mit IGBTs führend sind, scheinen japanische Unternehmen einen größeren Fokus auf SiC-Transistoren zu legen, da in den letzten fünf Jahren 59 % der entsprechenden Patentanmeldungen eingereicht wurden.

US-Unternehmen hingegen scheinen ihre Bemühungen stärker auf die GaN-Transistortechnologie konzentriert zu haben. Aus der USPTO-Datenbank geht hervor, dass insgesamt 1.043 US-Patentanmeldungen im Zusammenhang mit GaN-Transistoren eingereicht wurden, von denen jedoch nur 17 % in den letzten fünf Jahren eingereicht wurden. Dies deutet darauf hin, dass SiC-Transistoren gegenüber GaN-Transistoren als Alternativen zu IGBTs in Traktionswechselrichtern bevorzugt werden könnten. Wie die folgende Grafik zeigt, denken US-Anmelder möglicherweise anders, da amerikanische Anmelder in den letzten fünf Jahren mehr als die Hälfte der US-Patentanmeldungen für GaN-Transistoren eingereicht haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in den USA kürzlich eine beträchtliche Anzahl von Patentanmeldungen eingereicht wurde, die sich auf Innovationen im BEV-Antriebsstrang beziehen. Während Lithium-Ionen-Batterien in naher Zukunft die Batterie der Wahl für BEVs zu sein scheinen, deutet die relativ hohe Zahl kürzlich eingereichter Patentanmeldungen darauf hin, dass Festkörperbatterien eine praktikable Alternative sein könnten. Silizium-IGBTs sind derzeit der Leistungstransistor der Wahl für den Einsatz in Traktionswechselrichtern. Allerdings deutet die relativ hohe Zahl kürzlich eingereichter Patentanmeldungen stark darauf hin, dass SiC- und GaN-MOSFETs gegenüber IGBTs auf dem Vormarsch sind.

—Sam Campbell,Christopher Kent, UndEric Stephensonsind Mitglieder des Energieteams von Womble Bond Dickinson.

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