Hybridfahrzeuge

Aus: http://www.autos-hybrid.de
Definition Hybrid / Hybridantrieb
Der Hybridantrieb an sich ist keine neue Entwicklung, sondern schon fast seit dem Beginn der
Automobilisierung bekannt. Anfang des 20. Jahrhunderts spielten insbesondere in den
Vereinigten Staaten Elektrofahrzeuge eine große Rolle. Um die Jahrhundertwende waren dort
mehr Elektrofahrzeuge zugelassen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Im Vergleich zu
den damals noch nicht ausgereiften, unzuverlässigen Verbrennungskraftmaschinen - von
Hand zu starten und im Betrieb mit großer Lärm- und Abgasentwicklung verbunden- war die
einfache Handhabung der Elektrofahrzeuge ein entscheidender Vorteil. Auch damals gab es
schon die ersten Ansätze, die Vorteile elektrischer Maschinen (insbesondere ihre gute
Regelbarkeit) mit denen von Verbrennungsmotoren zu kombinieren. Als Beispiel sei der im
Jahr 1900 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellte, vom 25-jährigen Ferdinand Porsche
konstruierte Lohner-Porsche genannt. Bei diesem Fahrzeug war ein Generator an einen
Benzinmotor gekoppelt, der vier als Radnabenmotoren in den Rädern installierten
Elektromaschinen mit elektrischer Energie versorgte. Dieses war somit eines der ersten
Fahrzeuge mit Allradantrieb und im weiteren Sinne eines der ersten Hybridfahrzeuge. Im
Fortgang der schnell ansteigenden Automobilisierung führten jedoch die vielen
offensichtlichen Vorteile, die der Verbrennungsmotor im Laufe seiner Entwicklung mit sich
brachte dazu, dass heutige Krafftfahrzeuge weltweit fast ausschließlich von Otto- und
Dieselmotoren angetrieben werden. Die Energiekrisen-Diskussion in den 70er Jahren oder
besser gesagt die Erkenntnis der nicht unproblematischen Abhängigkeit des Kfz-Verkehrs
vom (Nahost-) Erdöl führte derzeit zu verstärkten Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
auf dem Gebiet der Hybridantriebe. Ansatzpunkt war hier die Möglichkeit der Kraftstoffbzw. Erdöleinsparung durch die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem
Elektroantrieb. In den 80er und 90er Jahren stand die Belastung der Umwelt durch
Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe im
Vordergrund. Auch die Möglichkeit der Verbrauchsreduktion und somit der Verringerung von
Kohlendioxidemissionen war und ist ein wichtiges Thema.
Aus Sicht der batteriegetriebenen Elektrofahrzeuge erscheint die Kombination von
Verbrennungsmotor und Elektromaschine zu einem Hybridantrieb sinnvoll, da so die Vorteile
beider Antriebsarten wie z.B.: hohe Reichweite, schnelles Nachtanken, Rückgewinnung der
Bremsenergie, Nutzung regenerativer Energiequellen sowie emissionsfreier Betrieb nutzbar
sind.
Aus Sicht der verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeuge erscheint die Kombination
mit einem Elektroantrieb sinnvoll, da ein entkoppelter Betrieb des Verbrennungsmotors vom
Fahrleistungsbedarf ermöglicht wird, und somit z.B. der Betrieb im wirkungsgradungünstigen
Teillastbereich vermieden werden kann. Ein Hybridantrieb kann jedoch nicht einfach die
Addition zweier Antriebe in einem Fahrzeug sein; vielmehr müssen durch geeignete
Kombination und Dimensionierung die Vorteile der einzelnen Antriebe genutzt und die
Schwachstellen vermieden werden. Hierdurch wird die Möglichkeit sowohl zu Verbrauchsund Emissionsreduktionen als auch zu lokal emissionsfreiem Fahren gegeben. Je nach
Einsatzzweck sind so unterschiedliche Lösungen denkbar.
Hybrid Strukturvarianten I
Zu differenzieren sind zwei Grundstrukturen für Hybridantriebe mit unterschiedlichen
Potentialen und Problemen: parallele und serielle Konzepte. Zudem ergeben sich auch
Mischformen aus beiden Grundstrukturen. Beim parallelen Hybrid sind Verbrennungsmotor
und Elektromotor mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt. Solche Konzepte beinhalten
neben den beiden Antriebsmotoren und Speichern ein oder auch mehrere Getriebe,
Kupplungen oder Freiläufe. Die beiden Antriebssysteme können sowohl jeweils einzeln als
auch gleichzeitig zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Aufgrund der
Leistungsaddition können beide Motoren relativ klein ausgelegt werden, ohne dass Einbußen
beim Beschleunigen oder an Steigungen vorhanden sind. Üblicherweise wird so der
elektrische Antriebszweig für den Stadtverkehr ausgelegt (begrenzter, emissionsfreier
Fahrbetrieb), während der leistungsstärkere Verbrennungsmotor für Überlandverkehr und auf
Autobahnen genutzt wird. Die abgegebenen Leistungen von Elektro- und Verbrennungsmotor
können mechanisch mittels Drehzahladdition (mit einem Planetengetriebe),
Momentenaddition (mit Stirnradgetriebe oder Kette) oder Zugkraftaddition (Elektromotor und
Verbrennungsmotor wirken auf unterschiedliche Antriebsachsen) überlagert werden. Bei der
Momentenaddition lässt sich das Verhältnis der Drehmomente der beiden Energiewandler frei
variieren, während die Drehzahlen in starrem Verhältnis zueinander stehen. Eine Entkopplung
der beiden Antriebssysteme kann über einen Freilauf oder eine Kupplung realisiert werden.
Bei der Drehzahladdition werden die Leistungen der Energiewandler mittels eines
Planetengetriebes zusammengeführt, wobei das Momentenverhältnis starr durch die
Übersetzung des Getriebes vorgegeben ist. Die Drehzahlen der Antriebssysteme könne frei
gewählt werden. Bei einem Hybrid mit Zugkraftaddition handelt es sich im physikalischen
Sinne ebenfalls um eine Momentenaddition, wobei die beiden Energiewandler auf
unterschiedliche Achsen des Fahrzeugs wirken (z.B. elektrischer Antrieb auf Vorderachse,
Verbrennungsmotor auf Hinterachse) Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung paralleler
Hybride besteht in der Anordnung der Energiewandler. Wirken beide Antriebssysteme
(Elektromotor und Verbrennungsmotor) auf die Getriebeeingangswelle, so spricht man von
einem Einwellenhybrid. Dagegen spricht man von einem Zweiwellenhybrid, wenn
Verbrennungs- und Elektromotor auf unterschiedlichen Getriebewellen (Getriebe- Ein- bzw. Ausgangswelle) angeordnet sind.
Kennzeichen serieller Hybridantriebe ist die "Reihenschaltung" der Energiewandler ohne
mechanische Anbindung des Verbrennungsmotors an die Antriebsräder. Der
Verbrennungsmotor treibt hierbei einen Generator an, der seinerseits den elektrischen
Fahrantrieb sowie einen im elektrischen Zwischenkreis angeordneten Speicher (in der Regel
Batterie) mit Energie versorgt. Es existieren sowohl Varianten mit einem Fahrmotor und
Differential als auch Konzepte mit zwei Fahrmotoren pro Achse unter Wegfall des
Differentials bis hin zu Radnabenmotoren. Die Dimensionierung der Generatoreinheit und des
Speichers richtet sich nach der Betriebs- und Ladestrategie, einer eventuell gewünschten
Netzunabhängigkeit (hohe Ladeleistung erforderlich), der Reichweite und den Fahrleistungen.
Der höhere Bauaufwand durch den zusätzlichen Generator wird weitgehend durch den
Wegfall des Schaltgetriebes kompensiert. Die nicht vorhandene mechanische Anbindung des
Verbrennungsmotors an die Antriebsräder ermöglicht eine hohe Flexibilität bei der
Anordnung der Komponenten. Im Vergleich zum Elektrofahrzeug kann die Batterie kleiner
dimensioniert werden und die Verfügbarkeit des Fahrzeugs durch die Nachladung on-board
oder reinen Generatorbetrieb erhöht werden. Für die Dimensionierung des elektrischen
Fahrantriebes ist zu beachten, dass dieser die gesamte Leistung bereitstellen muss, die für die
gewünschte Beschleunigung oder Steigfähigkeit benötigt wird. Dieser Zusammenhang
begründet auch die Tatsache, dass in den 70er und 80er Jahren vornehmlich parallel
Hybridantriebe realisiert wurden, da keine Elektromotoren mit entsprechen hoher
Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad verfügbar waren. Nachteilig bei seriellen
Hybridantrieben ist die doppelte Energiewandlung mechanisch, elektrisch und umgekehrt,
eventuell noch verbunden mit einer Speicherung, und die damit entsprechend ungünstige
"lange" Wirkungsgradkette. Häufig ergibt sich aus der begrenzten Leistungsfähigkeit der
Batterie der Zwang, den Verbrennungsmotor zumindest teilweise transient zu betreiben, um
Leistungsspitzen bei Steigungsfahrt oder Beschleunigungen abzudecken. Dies kann den
Emissions- und Verbrauchsvorteil einschränken und eine Anpassung des Motors an den
stationären Betrieb verhindern.
Eine Mischform zwischen parallelen und seriellen Strukturen ist der so genannte kombinierte
oder leistungsverzweigende Hybrid. Beim kombinierten Hybrid besteht die Möglichkeit durch
Schließen einer Kupplung direkt die Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch an die
Räder zu übertragen, was in bestimmten Betriebszuständen (z.B. hoher Leistungsbedarf bei
Autobahnfahrt) eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ermöglicht. Gleichzeitig
können beide Elektromotoren wie bei einem parallelen Hybrid noch zusätzlich ihre Leistung
abgeben und so kurzzeitig die Spitzenleistung erhöhen. Dem verbesserten Wirkungsgrad steht
der höhere Aufwand durch Kupplung und die komplexere Betriebsstrategie gegenüber.
Weiterhin kann die Anordnung von Verbrennungsmotor und Generator nicht mehr frei
gewählt werden, da eine direkte mechanische Ankopplung an den Antriebsstrang erfolgen
muss.
Eine weitere, allerdings sehr komplexe Möglichkeit stellen leistungsverzweigende
Hybridantriebe dar. Bei diesen Strukturen wird ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors
direkt mechanisch an die Antriebsräder übertragen; die restliche Leistung gelangt z.B. über
ein Planetengetriebe und zwei Elektromotoren an die Antriebsräder. Zur Energiespeicherung
wird zudem i.a. eine Batterie eingesetzt. Mit dieser Anordnung der Elektromotoren agiert das
System als stufenlosverstellbares Getriebe, so dass kein zusätzliches Getriebe für den
Verbrennungsmotor notwendig ist. Der Verbrennungsmotor kann prinzipiell drehzahl- und
leistungsunabhängig vom übrigen Antrieb betrieben werden. Der Wirkungsgrad kann
aufgrund der teilweise direkten mechanischen Leistungsübertragung besser sein als bei
seriellen Strukturen. Neben den grundsätzlichen Hybridstrukturen lässt sich noch zusätzlich
nach der Größe der installierten elektrischen Leistung sowie der gespeicherten Energie
unterscheiden.
Hybridantriebe, deren elektrischer Energiespeicher nicht aus dem Stromnetz aufgeladen
werden kann, bezeichnet man als autarke Hybride.
Hier unter der Vielzahl der Möglichkeiten die optimale Auslegung zu finden, um die Vorteile
beider Antriebsarten zu kombinieren, Synergieeffekte zu nutzen und das Problem des
doppelten Antriebes (Gewicht, Raumbedarf, Kosten, Komplexität) zu lösen, bedarf einer
genauen Analyse der Randbedingungen. Es liegt in der Komplexität der Materie, dass statt der
optimalen Nutzung und Kombination der Vorteile im Falle nicht umsichtiger Entwicklung
genau das Gegenteil die Summierung der Nachteile, erreicht werden kann.
Komponenten des Hybridantriebes
Aufgrund der vom konventionellen Fahrzeug abweichenden Einsatzbedingungen bedarf es bei
den Komponenten eines Hybridantriebes (Antriebs, Hilfs- und Komfortaggregate) einer
speziellen Anpassung.
Wie bei Elektrofahrzeugen müssen Aggregate wie z.B. Lenkhilfepumpen oder
Bremskraftverstärkung vom Antrieb entkoppelt, elektrisch betrieben werden. Auch für die
Klimatisierung eines Hybridfahrzeugs sind aufgrund der nicht kontinuierlichen Betriebsweise
der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Zusatzsysteme, z.B. elektrisch betriebene
Wärmepumpen, zu installieren.
Elektromaschinen
Je nach Hybridkonzept kommen verschiedene Bauarten von Elektromaschinen in Frage.
Aufgrund der besseren Wirkungsgrade werden heute fast ausschließlich Drehstrommotoren
sowohl in asynchroner als auch synchroner Bauart eingesetzt. Sehr hohe Wirkungsgrade
lassen sich mit permanent erregten Maschinenerzielen; die dort bisher eingesetzten
Dauermagneten sind allerdings noch sehr kostenintensiv. Weitere Sonderbauformen wie der
Transversalflussmotor oder auch der Reluktanzmotor befinden sich noch in der Entwicklung
und sind daher für eine kurzfristige (Serien-) Anwendung noch nicht verfügbar.
Je nach Konzept lassen sich die Elektromaschinen an unterschiedlichen Stellen im
Antriebsstrang anordnen. Möglichkeiten ergeben sich durch die einfache Ankopplung per
Getriebe, der direkten Integration in das Getriebe oder der Transaxle-Bauform. Eine spezielle
Bauform ist der Radnabenantrieb (Integration des Elektroantriebes direkt in die Radnabe).
Verbrennungsmotoren
Als Verbrennungsmotoren kommen insbesondere hochmoderne Otto- sowie sehr sparsame
Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Turboaufladung in Frage. Aufgrund der
besonderen Betriebsart sind die Verbrennungsmotoren in parallelen Hybridkonzepten in der
Regel vergleichbar klein dimensioniert. Bei seriellen Hybridantrieben entscheidet die
Dimensionierung des elektrischen Energiespeichers über die notwendige Leistung der
Verbrennungskraftmaschine. Der spezifisch schlechtere Kraftstoffverbrauch des Ottomotors
im Teillastbereich kann durch die besondere Betriebsweise im Hybridantrieb oftmals
vermieden werden.
Die mechanische Entkopplung von Verbrennungskraftmaschine und Fahrantrieb im seriellen
Hybrid ermöglicht auch den Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen mit schlechtem
Instationärverhalten, deren Einsatz in konventionellen Fahrzeugen normalerweise nicht
möglich ist. Stirlingmotoren und Gasturbinen bieten mit ihren aufgrund der kontinuierlichen
Verbrennung niedrigen Emissionen ein großes Potential, extrem schadstoffarme Fahrzeuge zu
realisieren. Der relativ hohe Teillastverbrauch von Gasturbinen kann durch die spezielle
Betriebsweise im seriellen Hybrid vermieden werden. Komfortansprüchen wird die
Gasturbine durch ihren schwingungsarmen Lauf gerecht. Durch die hohe spezifische
Leistungsdichte der Gasturbine kann der Bauraum relativ klein gehalten werden; die
Vielstoffähigkeit erlaubt darüber hinaus den Einsatz unterschiedlicher Kraftstoffe. Der
Stirlingmotor, der eine (kontinuierliche) äußere Verbrennung ermöglicht, kann ähnliche
Vorteile wie die Gasturbine bezüglichniedriger Emissionen, Laufgeräusch, Haltbarkeit und
Vielstoffähigkeit aufweisen. Darüber hinaus verfügt er allerdings über einen deutlich besseren
Wirkungsgrad. Durch die bisherigen Anwendungen des Stirlingmotors hauptsächlich im
stationären Bereich sind die Abmessungen der verfügbaren Maschinen für die
Kraftfahrzeuganwendung bisher jedoch eher ungeeignet.
Hybridgetriebe
Grundsätzlich können in Hybridantrieben alle bekannten Getriebearten eingesetzt werden.
Eine wesentliche Rolle spielen sie nur bei parallelen und Misch-Hybridstrukturen.
Konventionelle Automatikgetriebe sind aufgrund der Wandlerverluste kaum empfehlenswert.
Großes Interesse ist hingegen automatisierten Stufengetrieben entgegenzubringen. Bei bislang
realisierten Hybrid-Fahrzeugen kommen häufig halbautomatische Getriebe zum Einsatz, bei
denen die Kupplung automatisch ist und auch das Wechseln der Antriebsart (elektrisch,
verbrennungsmotorisch) über Kupplungen und Freiläufe automatisch erfolgt.
Eine weitere Möglichkeit stellen stufenlos verstellbare Getriebe (cvt: continuous veriable
transmission) dar, die es ermöglichen den Verbrennungsmotor weitgehend in optimalen
Betriebsbereichen bei niedriger Drehzahl und hoher Last zu betreiben. Für eine
leistungsverzweigende Antriebsstruktur eignen sich in erster Linie Planetengetriebe und auch
cvt-Getriebe.
Energiespeicher
Ähnlich wie bei Elektrofahrzeugen ist auch bei Hybridfahrzeugen der Energiespeicher von
besonderer Bedeutung. Auswahlkriterien sind auch hier Energiedichte, Leistungsdichte,
zyklische Lebensdauer, energetischer Wirkungsgrad, Selbstentladung, Umweltverträglichkeit,
Kosten und Verfügbarkeit. Hauptanforderungen für den Einsatz in Hybridantrieben ist eine
möglichst hohe Leistungsdichte, um mit einer möglichst kleinen und leichten Batterie die
hochdynamischen Entlade- /Ladevorgänge (insbesondere bei der
Bremsenergierückgewinnung) zu erreichen. Gleichzeitig muss die Batterie über eine
hinreichend große Energiedichte verfügen, um eine genügend emissionsfreie Reichweite,
sofern im Konzept vorgesehen, zu ermöglichen. Je nach Hybridkonzept (parallel, seriell),
geforderter emissionsfreier Reichweite (Anforderung an Energieinhalt) und installierter
elektrischer Leistung (Anforderung an Leistungsdichte) eignen sich unterschiedlichste
Systeme.
Den Forderungen nach hoher Leistungsdichte bei gleichzeitig hohem Energieinhalt kommen
derzeit Nickel-basierte Systeme wie z.B. Nickel-Cadmium oder Nickel-MetallhydridBatterien am ehesten entgegen. Letztere vermeiden das toxische Schwermetall Cadmium und
weisen bessere Leistungsdaten auf. .
Die Bleibatterie ist insbesondere aus Gründen wie Kosten und Verfügbarkeit weiterhin eine
ernstzunehmende Alternative. In bipolarer oder gewickelter Ausführung werden sehr hohe
Leistungsdichten erreicht.
Hochtemperatursysteme wie z.B. Natrium-Nickelchlorid-Batterien kommen, wenn überhaupt
für serielle Konzepte in Frage, wobei die im Vergleich zu Nickel-Cadmium oder NickelMetallhydrid niedrigere Leistungsdichte zu zwangsweise größeren Batteriesätzen führt. Für
Hybridsysteme, bei denen die Batterie nicht ständig genutzt wird, ist dieses System aufgrund
der Temperierungsverluste eher ungeeignet.
Lithium-Systeme (Li-Ion, Lithium-Polymer), die sich sowohl durch eine hohe Leistungs- als
auch Energiedichte auszeichnen, sind noch in der Entwicklungsphase, prinzipiell jedoch auch
für die Hybridanwendung geeignet. Eine notwendige elektrische als auch thermische
Einzellzellenüberwachung bei der Li-Ion-Technologie gestaltet das System technisch
aufwendig. .
Als weitere Energiespeicher sind elektrische Schwungräder und Superkondensatoren zu
nennen, die sich primär für Anwendungen mit hohem kurzzeitigem Leistungsbedarf eignen.
Während sich letztere für den Einsatz im Fahrzeug noch im Entwicklungsstadium befinden,
werden Schwungräder bereits mit Erfolg bei Standardlinienbusse eingesetzt (NEO96).
Hybridfahrzeug-Entwicklung
Neben den vielfältigen Forschungsaktivitäten aller Automobilhersteller auf dem Gebiet der
Hybridantriebe werden bereits wenige Systeme in Kleinserie gefertigt, die im Folgenden
erläutert werden sollen.
1989 hat Audi den Audi 100 quatro als Hybridfahrzeug auf den Markt gebracht. Die
Vorderachse wurde von einem herkömmlichen Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die
Hinterachse einen 60kg schweren 9,3 kW Gleichstrom-Elektromotor antrieb, welcher von
einer Nickel-Cadmium- Batterie mit Energie versorgt wurde.
Dann hat Audi auf Basis des A4 Avant einen parallelen Hybridantrieb realisiert, welcher auf
dem deutschen Markt für 60.000 DM seit Ende 1997 angeboten worden ist. Aufgrund einer
geringen Nachfrage wurde dieses Angebot nach kurzer Zeit wieder eingestellt.
Der Audi DUO der 3.Generation ist ein paralleler Hybrid, bei dem sowohl der
Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor auf die Vorderachse wirken. Als Motoren
kommen ein 1,9l Vierzylinder-Turbodieselmotor mit Direkteinspritzung (66KW) und ein sehr
kompakter, speziell für die Anwendung im Audi DUO entwickelter permanenterregter
Synchronmotor (21/35KW) zum Einsatz. Der TDI-Motor ist hierbei über eine konventionelle
Einscheiben-Trockenkupplung mit dem Fünfgang-Schaltgetriebe verbunden. Der
Elektromotor ist über ein zusätzlich in das Getriebe integriertes Vorgelege direkt mit der
Getriebeeingangswelle verbunden. Die Bleibatterie mit 10kWh Energieinhalt sowie weitere
Elektronikkomponenten sind unterhalb der Ladefläche anstelle der Reserveradmulde
untergebracht. Über einen Betriebsartenschalter kann der Fahrer die möglichen drei Modi
Diesel-, Elektro- oder Hybridbetrieb wählen. Im reinen Elektrobetrieb sind 50 km Reichweite
möglich; die Höchstgeschwindigkeit ist elektronisch auf 80 km/h begrenzt. Die Reichweite
beim Dieselbetrieb beträgt mehr als 700 km, wobei eine Höchstgeschwindigkeit von 170
km/h erreicht werden kann. Im Hybridbetrieb erfolgt der Wechsel der Antriebsarten
automatisch entsprechend den Anforderungen des Fahrbetriebs. Hierbei sind die beiden
Antriebsmaschinen allerdings nur wechselweise im Einsatz.
Honda hat im Jahr 2000 den Honda Insight auf den Markt gebracht. Bei diesem Fahrzeug mit
parallelem Hybridantrieb handelt es sich um einen Zweisitzer mit einer Alu-Karosserie. Das
Fahrzeuggewicht beträgt nur 835 kg und besitzt eine sehr windschlüpfige Form mit einem
niedrigen cw-Wert von nur 0,25. Als Antrieb kommt ein kompakter Dreizylinder-Ottomotor
mit 1,1 Liter Hubraum und 56 KW Leistung in Verbindung mit einem 10 KW starken
Elektromotor und einer nur 20 kg schweren Nickel-Metallhydrid-Batterie zum Einsatz.
Toyota hat im Frühjahr 1997 ein Hybridsystem vorgestellt, welches seit Dezember 1997 in
der Serienproduktion ist.
Serienreifes Hybridkonzept am Beispiel des Toyota Prius
Toyota hat mit dem Prius ein serienreifes Hybridsytem entwickelt das seit 1997 über 150000
mal verkauft wurde und seine Alltagstauglichkeit und sein Sparpotential dabei unter Beweis
gestellt.
Beschreibung:
Im Toyota Prius der neuen Generation kommt der Hybrid Synergy Drive (HSD) zum Einsatz,
der eine Weiterentwicklung des Toyota Hybrid System (THS) darstellt. Dieses HybridSystem verfügt über einen Antriebsstrang, der durch eine Kombination von zwei
Antriebsarten gebildet wird, einen Ottomotor und einen Elektromotor. Dieses System ist
dadurch Charakterisiert, dass es zwei Arten von Antriebskräften entsprechend den jeweiligen
Fahrbedingungen optimal einsetzt. Es nutzt die starken Seiten der Antriebsmethoden optimal
aus und kompensiert effektiv deren schwächen. Dadurch ist es möglich ein gut
ansprechendes, dynamisches Fahrverhalten zu erzielen und gleichzeitig den
Kraftstoffverbrauch sowie die Abgas-Emissionen deutlich zu reduzieren.
Aufbau
Der Hybrid Synergy Drive besteht aus einer Antriebseinheit, einer Batterie und den
dazugehörigen Steuergeräten. In der Antriebseinheit die unter der Motorhaube platz findet
sind Benzinmotor, Elektromotor, Generator und der Inverter mit Spanungswandler
untergebracht. Die Batterie befindet sich unter der Kofferraum.
Die einzelnen Komponenten:
Der Verbrennungsmotor:
Es handelt sich um einen 4-Zylinder Reihenmotor mit 1,5 Liter Hubraum und 16-VentilDOHC-Anordnung. Dieser Motor ist mit einer intelligenten adaptiven Ventilsteuerung
ausgestattet. Darüber Hinaus wird ein Atkinson Zyklus mit hohem Expansionsverhältnis
eingesetzt, um eine hohe Leistung, ruhigen Lauf, geringen Kraftstoffverbrauch und
schadstoffarme Abgase zu erreichen. Der Atkinson-Zyklus ermöglicht es den
Verdichtungstakt und den Expansionstakt des Mechanismus unabhängig voneinander
einzustellen. Dieses ermöglicht einen hohen thermischen Wirkungsgrad.
Technische Daten des Motors:
Max. Ausgangsleistung: 53kW @ 4500 min1
Max. Drehmoment 115Nm @ 4200 min1
Verdichtungsverhältnis: 13:1
Oktanzahl des Kraftstoffs ROZ 95 oder höher
Der Generator:
Der Generator hat die Aufgabe mechanische Energie des Verbrennungsmotors in elektrische
Energie zum Betreiben des Elektromotors, zum laden der Fahrbatterie und für das Bordnetz
umzuwandeln. Gleichzeitig dient er als Anlasser für den Verbrennungsmotor. Außerdem wird
über die Erzeugte Energiemenge und damit über die Drehzahl des Generators das
Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes geregelt. Der Generator ist ein DrehtsromSynchronmotor mit Dauermagneten. Er erzeugt eine Dreiphasen Wechselspannung von 500
Volt und kann mit einer Drehzahl von bis zu 10000 min1 betrieben werden
Der Elektromotor:
Der Elektromotor dient dazu die Kraft des Ottomotors zu unterstützen und Leistungsreserven
bereitzustellen um die Gesamtantriebskraft zu erhöhen. Des Weiteren erzeugt er beim
Bremsen oder im Schubbetrieb elektrische Energie um die Batterie zu laden (regeneratives
Bremsen). Der Aufbau ist das gleiche wie bei dem Generator, mit dem Unterschied das der
Elektromotor etwas größer ist um größere Leistungen abgeben zu können.
Technische Daten:
U= 500V~
Max Leistung: 50Kw bei 1200-1540 U/min
Max Moment : 400 Nm (0-1.200 U/min)
Das Planetengetriebe :
Das Plantetengetriebe verteilt die vom Verbrennungsmotor erzeugte Energie zu den Rädern
und zum Generator. Der Verbrennungsmotor ist dabei mit dem Planetenkranz verbunden, der
Generator mit dem Sonnenrad und der Elektromotor sowie die Verbindung zur Vorderachse
greifen am äußeren Ring an. Dies ermöglicht eine Stufenlose Regulierung von Motor- und
Generatordrehzahl und ein ruckfreies Beschleunigen.
Serienreifes Hybridkonzept am Beispiel des Toyota Prius
Toyota hat mit dem Prius ein serienreifes Hybridsytem entwickelt das seit 1997 über 150000
mal verkauft wurde und seine Alltagstauglichkeit und sein Sparpotential dabei unter Beweis
gestellt.
Beschreibung:
Im Toyota Prius der neuen Generation kommt der Hybrid Synergy Drive (HSD) zum Einsatz,
der eine Weiterentwicklung des Toyota Hybrid System (THS) darstellt. Dieses HybridSystem verfügt über einen Antriebsstrang, der durch eine Kombination von zwei
Antriebsarten gebildet wird, einen Ottomotor und einen Elektromotor. Dieses System ist
dadurch Charakterisiert, dass es zwei Arten von Antriebskräften entsprechend den jeweiligen
Fahrbedingungen optimal einsetzt. Es nutzt die starken Seiten der Antriebsmethoden optimal
aus und kompensiert effektiv deren schwächen. Dadurch ist es möglich ein gut
ansprechendes, dynamisches Fahrverhalten zu erzielen und gleichzeitig den
Kraftstoffverbrauch sowie die Abgas-Emissionen deutlich zu reduzieren.
Aufbau
Der Hybrid Synergy Drive besteht aus einer Antriebseinheit, einer Batterie und den
dazugehörigen Steuergeräten. In der Antriebseinheit die unter der Motorhaube platz findet
sind Benzinmotor, Elektromotor, Generator und der Inverter mit Spanungswandler
untergebracht. Die Batterie befindet sich unter der Kofferraum.
Die einzelnen Komponenten:
Der Verbrennungsmotor:
Es handelt sich um einen 4-Zylinder Reihenmotor mit 1,5 Liter Hubraum und 16-VentilDOHC-Anordnung. Dieser Motor ist mit einer intelligenten adaptiven Ventilsteuerung
ausgestattet. Darüber Hinaus wird ein Atkinson Zyklus mit hohem Expansionsverhältnis
eingesetzt, um eine hohe Leistung, ruhigen Lauf, geringen Kraftstoffverbrauch und
schadstoffarme Abgase zu erreichen. Der Atkinson-Zyklus ermöglicht es den
Verdichtungstakt und den Expansionstakt des Mechanismus unabhängig voneinander
einzustellen. Dieses ermöglicht einen hohen thermischen Wirkungsgrad.
Technische Daten des Motors:
Max. Ausgangsleistung: 53kW @ 4500 min1
Max. Drehmoment 115Nm @ 4200 min1
Verdichtungsverhältnis: 13:1
Oktanzahl des Kraftstoffs ROZ 95 oder höher
Der Generator:
Der Generator hat die Aufgabe mechanische Energie des Verbrennungsmotors in elektrische
Energie zum Betreiben des Elektromotors, zum laden der Fahrbatterie und für das Bordnetz
umzuwandeln. Gleichzeitig dient er als Anlasser für den Verbrennungsmotor. Außerdem wird
über die Erzeugte Energiemenge und damit über die Drehzahl des Generators das
Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes geregelt. Der Generator ist ein DrehtsromSynchronmotor mit Dauermagneten. Er erzeugt eine Dreiphasen Wechselspannung von 500
Volt und kann mit einer Drehzahl von bis zu 10000 min1 betrieben werden
Der Elektromotor:
Der Elektromotor dient dazu die Kraft des Ottomotors zu unterstützen und Leistungsreserven
bereitzustellen um die Gesamtantriebskraft zu erhöhen. Des Weiteren erzeugt er beim
Bremsen oder im Schubbetrieb elektrische Energie um die Batterie zu laden (regeneratives
Bremsen). Der Aufbau ist das gleiche wie bei dem Generator, mit dem Unterschied das der
Elektromotor etwas größer ist um größere Leistungen abgeben zu können.
Technische Daten:
U= 500V~
Max Leistung: 50Kw bei 1200-1540 U/min
Max Moment : 400 Nm (0-1.200 U/min)
Das Planetengetriebe :
Das Plantetengetriebe verteilt die vom Verbrennungsmotor erzeugte Energie zu den Rädern
und zum Generator. Der Verbrennungsmotor ist dabei mit dem Planetenkranz verbunden, der
Generator mit dem Sonnenrad und der Elektromotor sowie die Verbindung zur Vorderachse
greifen am äußeren Ring an. Dies ermöglicht eine Stufenlose Regulierung von Motor- und
Generatordrehzahl und ein ruckfreies Beschleunigen.
Power Control Unit:
Da der Generator und der Elektromotor mit 500V Dreiphasenwechselspanung, die Batterie
mit 202V Gleichspanung und das Bordnetz mit 12V Gleichspanung arbeiten, ist es nötig die
verschiedenen Spannungen umzuwandeln. Dies erledigt der Power Control Unit in dem zwei
Inverter und ein Spannungswandler untergebracht sind. Der Spannungswandler stellt dabei
die 12V gleichspannung für das Bordnetz bereit und der Inverter regelt den Energieaustausch
zwischen Elektromotor, Generator und Batterie.
Die Fahrbatterie:
Dient zur Speicherung von elektrischer Energie die beim verzögern oder durch den
Verbrennungsmotor gewonnen wurde. Diese wird dann zum Beschleunigen des Fahrzeugs
wieder eingesetzt. Die Batterie besteht aus 28 Modulen die aus jeweils sechs NickelMetallhydrit Zellen zu je 1,2V bestehen. Dies ergibt eine Gesamtspannung von 202V mit
einer Leistung von 21kW bei einer Arbeit von 1,3kWh. Das gewicht beträgt 22kg. Die
Steuergeräte: Das System besitzt ein eine Motor ECU, eine Batterie ECU und eine Bremsen
ECU die die jeweilige Komponente steuern. Die Regelung des Gesamtsystems erfolgt durch
die Hybridfahrzeug ECU die Informationen von allen Sensoren und ECUs erhält und auf
dieser Grundlage das erforderlich Drehmoment errechnet. Die Berechneten Werte werden
dann an die Stellglieder und ECUs gesandt.
Die verschiedenen Fahrzustände:
Anfahren und Fahren mit niedriger Last:
Hierbei ist der Ottomotor abgeschaltet und das Fahrzeug wird durch den Elektromotor der aus
der Batterie gespeist wird angetrieben. Dadurch kann der Betrieb des Verbrennungsmotors in
Beriechen mit schlechtem Wirkungsgrad vermieden werden. Sollte der Ladezustand der
Batterie einen Bestimmten Wert unterschreiten kann der Verbrennungsmotor trotzdem
anspringen und die Batterie aufladen.
Normalfahrt:
Die vom Ottomotor erzeugte Energie wird in zwei Komponenten geteilt: Ein Teil dient zum
direkten Antrieb der Räder, der andere Teile treibt den Generator an um mit der dadurch
erzeugten Energie den Elektromotor zu betreiben, der Ebenfalls auf die Räder wirkt. Die mag
sich im Ersten Moment verlustreich erscheinen da mechanische Energie in elektrische und
dann wieder in mechanische umgewandelt wird, ermöglicht aber den Verbrennungsmotor in
einem Bereich mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben, was im gesamten einen Zugewinn an
Gesamtwirkungsgrad bedeutet.
Volle Beschleunigung:
Zusätzlich zum Zwei-Wege-System bei der Normalfahrt wird die Antriebsleistung des
Elektromotors weiter durch die in der Fahrbatterie gespeicherte Energie ergänzt, wodurch
man eine kraftvolle und gleichmäßige Beschleunigung erhält.
Verzögerung oder Bremsen:
Die Räder treiben den Elektromotor an, der in diesem Fall als Generator fungiert und zur
Energie-Rückgewinnung dient. Die gewonnene Energie wird in der Fahrbatterie gespeichert
und kann später wieder abgerufen werden.
Stillstand:
Wenn das Fahrzeug steht, schaltet sich der Ottomotor automatisch ab. Sollte es jedoch
erforderlich sein die Fahrbatterie zu laden oder den Klimakompressor zu betreiben dann läuft
der Motor weiter.
Gesamtdaten Verbrauch: 4.3 l/100 km
CO2-Ausstoß: 104g/km
Beschleunigung
von 0 - 100 km/h: 10.9 sec
Höchstgeschwindigkeit: 170 km/h
Leergewicht: 1375 kg
Kofferraumvolumen: 408 l / 1210 l
Preis: ab 23900 €
Honda Civic Ima
Der Honda Civic Ima ist seit 2004 im Handel. Es handelt sich hierbei um ein Hybridsystem
das mehr auf einem konventionellen Antrieb aufbaut. Es besteht aus einem Benzinmotor und
einem Schaltgetriebe oder einem Stufenlosen Getriebe zwischen die ein Elektromotor
geschaltet ist. Zur Speicherung der elektrischen Energie wird wie beim Toyota Prius eine
Nickelmetallhydrid Batterie verwendet. Aufgrund dieses Konzepts ist nur eine Unterstützung
beim Anfahren und eine Energierückgewinnung beim Verzögern und Bremsen möglich. Der
Motor bewegt sich in den gleichen (teils sehr Wirkungsgradschlechten) Drehzahlbereichen
wie in einem konventionellen Fahrzeug. Ein Vorteil des IMA Systems ist das geringe
Mehrgewicht von gerade einmal 50kg in Vergleich zu einem herkömmlichen Antrieb.
Technische Daten der einzelnen Komponenten:
Verbrennungsmotor:
Vierzylinder-Benziner mit einem Hubraum von 1339 ccm und einer Variablen
Ventilsteuerung.
Leistung: 83 PS/61 kW @ 5700
Drehmoment: 119Nm @ 3300 min-1
Elektromotor:
Leistung Elektromotor: 10 kW/ 13 PS @ 3000 min-1
Drehmoment: 62Nm @ 1000 min-1
Spannung 144 V
Fahrbatterie:
Typ: Nickel-Metall Hydride
Spannung: 144V (120 Zellen á 1,2V)
Kapazität: 6 Ah
Arbeit: 0,864 kWh
Gewicht: 28,5kg
Gesamtleistung:
Leistung: 68kW (93PS) @ 5700 min-1
Drehmoment: 159 Nm @ 1000 min-1
Von 0 auf 100 km/h 12 s
Höchstgeschwindigkeit 177 km/h
Durchschnittsverbrauch 4,9 Liter
Kofferraumvolumen 341 Liter
Preis 21.900 Euro
Vergleich Toyota - Honda
Beide Systeme bieten eine hohe Elastizität beim Beschleunigen gepaart mit einem niedrigen
Verbrauch. Das System von Toyota bietet dabei die ausgefeiltere Variante an, da der
Benzinmotor sehr selektiv betrieben werden kann, was einen sehr wirkungsgradgünstigen
Einsatz ergibt. Es ist dabei aber auch das teurere und schwerere System, kann aber trotz des
Gewichts einen sehr geringen Verbrauch erzielen, was für den hohen technischen Einsatz
spricht.
Das System von Honda eignet sich durch den geringeren technischen Aufwand eher dazu es
parallel zu bestehenden Antriebssystemen optional Anzubieten, was im Massenmarkt
wohlmöglich größere Chancen hat in einer breiten Modellpalette Einsatz zu finden. Trotz des
relativ geringen technischen Aufwands bietet es dabei jedoch eine hohe Benzineinsparung.
Hybrid Autos Zukunftsaussichten
Nach einer Studie der Unternehmensberatung Frost & Sullivan werden bis 2010
voraussichtlich alle größeren Hersteller Hybridmodelle anbieten. Der Anteil an den
europäischen PKW-Verkäufen soll dann bei ca. drei Prozent liegen.
Einsatz der Hybrid Technologie nicht nur für kleine und mittlere Fahrzeuge mit sehr geringem
Verbrauch, sonder auch für größere Fahrzeuge wie SUVs und Pickups um Abgasgrenzwerte
einzuhalten und um den Benzinverbrauch in Grenzen zu halten.