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  Alternative Antriebe

Was versteht man unter Hybrid Technik?

Bei der Entwicklung von Hybridfahrzeugen sind die Japaner den Europäern immer noch voraus. Mit dem Honda Civic IMA, dem Toyota Prius 3 und auch einigen Lexus-Modellen gibt es bereits mehrere Großserienhybriden, die seit Jahren hierzulande gekauft werden können. Sie unterscheiden sich von Ihrer Technik grundsätzlich. So zählt der Civic IMA (Integrated Motor Assist) zum Beispiel zur Gattung der milden Hybriden, der Prius hingegen ist ein Vollhybrid.

Nachdem die Japaner es beispielhaft vorgemacht haben, springen nun auch die Europäer auf den fahrenden Zug auf, der da Hybridtechnologie heißt. Der folgende Beitrag soll grundsätzlich die grundlegende Technik des Hybridsystems darstellen. 

Bedeutung von Hybrid

Hybrid ist lateinisch und bedeutet "von zweierlei Herkunft".

Damit ist das Wesen des Hybridantriebs schon beschrieben. Er besteht aus einer Kombination von zwei verschiedenen Antrieben, meistens aus Verbrennungs- und Elektromotor oder neuerdings auch mit Druckluftenergie.

Serieller und paralleler Hybrid

Gerne wird zwischen seriellem und parallelem Hybrid unterschieden. In der Praxis findet man reine serielle oder parallele Hybride aber kaum.

Beim seriellen Hybriden werden Verbrennungs- und Elektromotor in Reihe geschaltet. Die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wandelt der Verbrennungsmotor in thermische und weiter in mechanische Energie um, die daraufhin vom Generator in elektrische und anschließend wieder über E-Motoren in mechanische Energie zum Antreiben der Räder gewandelt wird. Ein Prozess, der keine neuen Rekorde in Sachen Wirkungsgrad verspricht. Vorteilhaft ist lediglich, dass der Verbrennungsmotor stets im optimalen Drehzahlbereich laufen kann, ähnlich wie ein Stationärmotor. Er hat keine direkte Koppelung zur Antriebsachse, sondern wirkt nur auf den Generator. Durch den konstanten Betrieb des Verbrennungsmotors lassen sich Schadstoffemissionen mit geringem Regelaufwand reduzieren. 

Der Opel Ampera wird als Elektrofahrzeug mit Range Extender angeboten. Strenggennommen handelt es sich bei ihm um einen seriellen  Hybrid.

Kennzeichen des seriellen Hybrids sind:

  • Das Fahrzeug wird ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben.

  • Der Verbrennungsmotor treibt (im optimalen Drehzahl- und Lastbereich) einen Generator an, der die Batterie nachlädt.

Zukunftsträchtiger erscheint der parallele Hybrid, bei dem Verbrennungs- und E-Motor einzeln oder durch mechanische Kopplung auch gemeinsam arbeiten können.

Beim parallelen Hybrid (auch leistungsverzweigter Hybrid) arbeiten der Verbrennungsmotor und die E-Maschine auf ein Getriebe und werden je nach Bedarf eingesetzt. Auf diese Weise kann rein elektrisch, nur mit Verbrennungsmotor und auch kombiniert gefahren werden.

Das jeweils nicht aktive Antriebsaggregat wird vom Getriebe entkoppelt. Im Parallelbetrieb addieren sich Leistung und Drehmoment beider Motoren. Dadurch kann der Verbrennungsmotor wesentlich kleiner und damit sparsamer ausfallen (Downsizing).
Beim Bremsen kann die frei werdende kinetische Energie über den jetzt als Generator wirkenden E-Motor zum Laden der Batterie verwendet werden.



Kennzeichen des parallelen Hybrids sind:
  • Das Fahrzeug verfügt über einen Verbrennungsmotor und Elektromotor.
  • Das passive Antriebsaggregat wird vom Antriebsstrang entkoppelt.
  • Beim VW Touareg sitzt die E-Maschine vor dem Getriebe. Sie läuft im reinen Verbrennungsmotorbetrieb als Generator und dient im Brems- oder Schubbetrieb der Rekupertation. Im reinen E-Betrieb ist der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang abgekoppelt.

Beispiele für parallele (leistungsverzweigte) Hybride sind der Toyota Prius und Lexus RX 400h.

 

Der Toyota Prius ist ein kompromissloser Vollhybrid.

Weiteres Beispiel für den Parallel-Hybrid:

Beim BMW X6 Active Hybrid ist die E-Maschine im Getriebe integriert. Die Entkoppelung oder Zuschaltung der Elektromotoren erfolgt über die Kupplungen im Getriebe. Im Boostbetrieb liefert die E-Maschine zusätzliche 180 Nm und 53 kW, abgeschaltet dient sie wiederum zur Rekuperation. Die 1,4 kWh nutzbare Energie aus der NiMH-Batterie kann drei Sekunden lang die maximalen 53 kW abgeben. Bei vorsichtiger Fahrweise beträgt die Reichweite im Elektrobetrieb 2,5 Kilometer, danach wird mit 4,4 Litern Hubraum und 300 kW die E-Maschine als Generator betrieben um die Batterie wieder zu laden. Die Philosophie des Herstellers ist dabei eine reine, kurzzeitige Leistungssteigerung in der Beschleunigungsphase.
Quelle: Akademiebericht Dillingen

Unterscheidung Hybride

Man unterscheidet mittlerweile mehrere Varianten des Hybridantriebs:

  • Micro Hybrids mit Start/Stopp-Funktion
  • Mild Hybrids mit Boost-Effekt und
  • Vollhybriden (seriell, parallel) oder Strong Hybrids, die das Fahren über kurze Strecken mit Elektroantrieb ermöglichen.
  • Plugin Hybrid

Plugin Hybrid

Unter Plug-in-Hybrid versteht man alle Hybridfahrzeuge, egal welcher Auslegung, die an der Steckdose nachgeladen werden können. Aktuelle Beispiele sind der Opel Ampera und der Toyota Prius Plug in.

Micro Hybrid

Der Micro-Hybrid ist im Grunde genommen gar kein Hybride. Hochvolttechnisch ist er eine Mogelpackung, das Fahren mit Elektroantrieb ist nicht möglich. Im konventionellen 12V-Bordnetz arbeitet ein leistungsstärkerer Generator mit einer zyklenfesteren Batterie zusammen. Im Schiebebetrieb rekuperiert der Generator die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in die Batterie zurück. Bei Fahrzeugstillstand schaltet sich der Verbrennungsmotor automatisch ab und springt mit der Start-Stopp-Automatik wieder an, sobald der Fahrer das Gaspedal drückt. Dazu muss das Getriebesteuergerät am Automatikgetriebe mit dem Abstellen des Verbrennungsmotors auf Stellung N schalten bzw. am Schaltgetriebe der Kupplungsaktuator angesteuert werden, damit beim Neustart der Kraftfluss unterbrochen ist. Quelle: Akademiebericht Dillingen

Micro Hybrid von Ford

Ein Beispiel von Bosch zum Micro Hybrid:

Micro Hybrids mit Start/Stopp-System

In der Klasse der Micro Hybrids sieht Bosch hauptsächlich das kostengünstige Smart Electronic Start/Stop System (SES). Es arbeitet mit einem verstärkten Starter. Dieses System erfordert den geringsten Änderungsaufwand bei bestehenden Fahrzeugen und hat somit die Chance, in naher Zukunft große Stückzahlen zu erreichen. Gerade im Stadtverkehr stehen die Fahrzeuge häufig an roten Ampeln oder einfach aufgrund des dichten Verkehrs. Dann stoppt das Micro-Hybrid-System von Bosch selbsttätig den Motor. Möchte der Fahrer wieder starten und drückt die Kupplung, bringt das System den Motor komfortabel und schnell wieder zum Laufen. Der Einsatz dieses Start/Stopp-Systems kann den Kraftstoffverbrauch um bis zu acht Prozent im Stadtzyklus (ECE) senken. Für 2006 plant Bosch eine erste Serienanwendung des Micro Hybrids "Smart Electronic Start/Stop System".

Smart Elektronik start/Stop System SES für Hybridfahrzeuge von Bosch

Smart Electronic Start/Stop System (SES) für Hybridfahrzeuge von Bosch

 

Milder Hybrid = Die Kombination von Verbrennungsmotor und kleinem Elektromotor

Honda Civic IMA

Beim Milden Hybrid wird der Verbrennungsmotor durch einen Integrierten Starter - Generator (ISG) ergänzt also einem Elektromotor auf der Kurbelwelle, zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe, der ausreichend elektrische Energie für das Bordnetz zur Verfügung stellt und diese auch in mechanische Antriebsleistung umwandeln kann. Der Startergenerator oder die E-Maschine ersetzt den Startermotor und Generator. Sie kann auch kurzzeitig als Elektromotor betrieben werden und unterstützt das Fahrzeug im Boost-Modus beim Beschleunigen und beim Anfahren. Quelle: Akademiebericht Dillingen

Neuere Mild-Hybride können auch kurze Strecken rein elektrisch fahren. Die Grenzen zum Vollhybrid verschwimmen dabei immer mehr. Die Reichweite im Elektrobetrieb wird noch von den Batteriekapazitäten eingeschränkt. Das Angebot an Fahrzeugen dieser Kategorie nimmt zu.

Hierzu können Sie übrigens auch viele Infos auf der Seite "Starter-Generator-Systeme - die Zukunft des Stromnetzes" finden.

Beipiel Mild Hybrid Honda Civic IMA

Honda Civic IMA (ISG)

Honda kombiniert im Civic einen drehfreudigen 1,3-liter-61-kW-Benzinmotor mit einem 6,5-kW-E-Motor.

Der Elektromotor ersetzt Schwungrad, Generator und Anlasser und befindet sich zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe. Damit die Nickel-Metallhydridbatterie stets ausreichend geladen sind, polt sich im Schiebe betrieb der Elektromotor zum Generator um und wandelt die ansonsten nicht nutzbare kinetische Energie in elektrische Energie um. Bei Überlandfahrten zweigt der Generator so viel Energie vom Verbrennungsmotor ab, dass der Ladezustand der Batterie hoch bleibt.

Hybridantrieb von Honda

Hybridantrieb von Honda 

 

Die zusätzliche Leistung des E-Motors steht dann zur Verfügung, wenn bei niedriger Motordrehzahl besonders viel Drehmoment benötigt wird, zum Beispiel beim

  • Anfahren und Beschleunigen

Dadurch kann der Verbrennungsmotor kleiner dimensioniert werden.

Weil der Verbrennungsmotor per ISG in sehr kurzer Zeit - etwa einer Drittel Sekunde - gestartet werden kann, lässt sich ohne hohen Zusatzaufwand eine

  • Start-Stopp-Automatik

realisieren. Wenn das Auto anhält, wird der Verbrennungsmotor umgehend abgestellt - auch das spart wertvollen Kraftstoff. Erst wenn der Fahrer den Fuß von der Bremse nimmt, bringt der ISG den Verbrennungsmotor wieder auf Touren.

  • Im Schiebe- und Bremsbetrieb

kommt das Zylinderleerlaufsystem zum Einsatz. Die Ventile von drei der vier Zylinder werden über VTEC so angesteuert, dass die Kompression stark sinkt. Dadurch hat der Motor selbst nur noch eine sehr geringe Bremswirkung. Trotzdem ist davon beim Fahren kaum etwas zu merken, weil der Generator einen Teil der Verzögerungsarbeit übernimmt und die kinetische in elektrische Energie umwandelt. Normalerweise wird die Energie beim Bremsen in Wärme umgewandelt, durch den ISG - Einsatz wird sie in elektrische Energie umgewandelt und anschließend gespeichert = Rekuperation.

Alle diese Maßnahmen verhelfen dem Civic IMA zu einem sehr niedrigen Benzinnormverbrauch von 4,9 l/ 100 km und einem CO2-Ausstoß von 116 g/km. 

Mild und Strong Hybrids enthalten die Vorteile der Micro-Hybrid-Systeme. 

Mild Hybrids haben eine Elektromaschine mit einer Leistung von bis zu 25 Kilowatt. Dieser relativ kleine Elektromotor bietet zusätzliche Kraft beim Überholen, also einen "Boost"-Effekt", und erlaubt im Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor und Energierückgewinnung eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 15 Prozent im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFC). 

Beides offeriert auch der Strong Hybrid. Er hat eine stärkere Elektromaschine bis zu 75 Kilowatt, in einigen Anwendungen sogar darüber hinaus. Damit ergibt sich eine Drehmomentunterstützung von bis zu 400 Newtonmetern aus dem Stillstand heraus, sowie eine Kraftstoffeinsparung von mehr als 20 Prozent im Mittel im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFC). Darüber hinaus ermöglicht es das System, kürzere Strecken nur mit Elektroantrieb und damit lokal emissionsfrei zu fahren. 

Bei diesen Hochleistungs-Elektroantrieben setzt Bosch auf selbst gefertigte, permanent erregte Synchronmaschinen, die von einer Hochvoltbatterie gespeist werden. Die Leistung der Antriebe wird mit der Batteriespannung skaliert. Nach heutiger Einschätzung erwartet Bosch beim Strong Hybrid ein Fahrzeug-Mehrgewicht von etwa 100 Kilogramm gegenüber einem konventionellen Benzinfahrzeug.

  

Hybridtechnik für "Mild Hybrids" und "Strong Hybrids" von Bosch

Allen Hybridklassen gemeinsam ist die intelligente Kommunikation zwischen den elektronischen Regelsystemen und ihrer Sensorsignale. Der Fahrerwunsch nach Beschleunigung oder Verzögerung, der Batterieladezustand und weitere Einflussgrößen werden für das optimale Zusammenspiel der Komponenten verwendet. So können die einzelnen Ziele - Reduktion von Emission und Kraftstoffverbrauch, emissionsfreies Fahren, Erhöhung des Fahrspaßes - oder Kombinationen davon erreicht werden.

Toyota Prius - Einzelheiten in einem extra Bericht.

Funktionsweise der Hybridtechnik von BOSCH

Am Beispiel des BOSCH Strong Hybrids soll die Funktionsweise in typischen Verkehrssituationen erläutert werden.

1) Das Fahrzeug steht. Zum Anfahren ist der Elektromotor die ideale Antriebsquelle, da er sein maximales Drehmoment bereits aus dem Stand entwickelt. Der Verbrennungsmotor springt bedarfsgerecht automatisch an, wenn darüber hinaus mehr Leistung gefordert ist.

2) Dynamisch beschleunigt das Fahrzeug mit der kombinierten Kraft beider Antriebsquellen, die gleichzeitig ihr maximales Moment liefern können.

3) Bei konstanter Fahrt kommt die Antriebskraft vom Verbrennungsmotor. Gleichzeitig kann der Elektromotor als Generator arbeiten und mit dem erzeugten Strom die elektrischen Verbraucher des Bordnetzes sowie die Batterie versorgen.

4) Wenn der Fahrer bremst, wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die zum Aufladen der Batterie genutzt wird. Bei konventionellen Fahrzeugen geht diese Energie als Abwärme der Bremsen verloren (= Rekuperation).

5) Sobald das Fahrzeug anhält, stellt sich der Verbrennungsmotor automatisch ab. Dies spart Kraftstoff, reduziert Emissionen und wird wegen der Geräuschverminderung oft auch als Komfortgewinn empfunden.

 

Elektromotor für Hybridantriebe von Bosch

Bosch entwickelt Elektromotoren für Hybridantriebe, die sich direkt in den Antriebstrang integrieren lassen. Mit Leistungen von bis zu 75 Kilowatt lassen sich damit auch kurze Strecken völlig emissionsfrei zurücklegen.

Vorteile:

Nachgewiesen wurden im Neuen Europäischen Fahr-Zyklus (NEFZ) 30 Prozent und mehr Kraftstoffeinsparung bzw. Kohlendioxid-Reduzierung (CO2). Trotzdem bleibt der Fahrspaß nicht auf der Strecke, wovon ich mich überzeugt habe.  Kürzere Entfernungen lassen sich mit reinem Elektroantrieb sogar ohne Kraftstoff und Abgasemissionen zurücklegen. 

Weltweit ebnen Umwelt- und Verkehrsgesetze den Weg für Hybridfahrzeuge durch Vorgaben, die mit Hilfe dieser Technik erfüllt werden können. In den USA gelten Quotenregelungen zur Emissionsreduzierung. Bei uns hat sich der Dachverband der europäischen Automobilindustrie (ACEA) verpflichtet, bis 2008 den CO2-Ausstoß der zugelassenen Neufahrzeuge im Flotten- Schnitt auf 140 Gramm pro Kilometer zu reduzieren, im Gespräch sind langfristig 120 Gramm pro Kilometer. Auch China räumt in einem Förderprogramm zum schonenden Umgang von Energieressourcen und einem Reduzieren der Luftverschmutzung der Hybridtechnologie einen besonderen Stellenwert ein.

Wirtschaftliche Aspekte des Hybridantriebs


Der Hybridantrieb ermöglicht gegenüber gleichstarken Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eine Reduktion von Kohlendioxid und anderen Emissionen, aber mit höherem technischen Aufwand. Der Hybridantrieb spielt seine spezifischen Vorteile hauptsächlich im gemischten Fahrzyklus aus, zum Beispiel im innerstädtischen Verkehr und im Überlandverkehr mit hoher Verkehrsdichte. Im Vergleich zu einem SUV mit Benzinmotor konventioneller Technologie, der 170 Kilowatt leistet, und Automatikgetriebe konnten im Mittel mehr als 20 Prozent Kraftstoffeinsparung beziehungsweise Kohlendioxid-Reduzierung (C02) nachgewiesen werden. Dabei wurde die gleiche maximale Gesamtleistung durch Kombination eines kleineren Verbrennungsmotors mit einem zusätzlichen E-Motor zum Boosten vorausgesetzt. 

Bei Autobahnfahrt allerdings ist ein moderner Dieselantrieb im Vergleich zum Benzin-Hybrid verbrauchsgünstiger. Auch gegenüber einem hinsichtlich Kraftstoffverbrauch optimierten Ottomotor mit Direkteinspritzung verringert sich der Vorteil des Hybridantriebs. Diesel-Hybride bilden eine realistische Alternative, wenn es gelingt, die zweifachen Zusatzkosten zum Benzinantrieb (erstens für den Dieselantrieb, zweitens für den Elektroantrieb) durch Kostensenkung im Gesamtsystem, beispielsweise bei der Abgasnachbehandlung, teilweise zu kompensieren. Das Potenzial zur Verbrauchsreduzierung eines Diesel-Hybridfahrzeugs gegenüber einem Fahrzeug mit reinem Dieselmotor-Antrieb und Automatikgetriebe beträgt bis zu 15 Prozent im gemischten Fahrbetrieb. 

Die Aussagen basieren auf Simulationsrechnungen, denen ein Fahrzeug gleicher maximaler Fahrleistung jeweils mit konventionellem und mit Hybridantrieb zugrunde liegt.

Die Marktchancen des Hybrids

Bisherige Marktschätzungen gehen für 2015 von einem Marktanteil von acht Prozent in Japan, sechs Prozent in USA und zwei Prozent in Westeuropa aus. Schätzungen unabhängiger Marktforschungsunternehmen und einiger Fahrzeughersteller gehen sogar von wesentlich höheren Marktanteilen aus. Bosch geht davon aus, dass im Jahr 2010 etwa 50 verschiedene Hybridmodelle weltweit auf dem Markt sein werden. Das größte Marktwachstum erwartet Bosch in Nordamerika.


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Quellen

Audi, Bosch, Technikprofi, Honda, Toyota, Akadmiebericht Dillingen Hochvolt Lehrgang

 

 


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redaktionell bearbeitet: Johannes Wiesinger

geändert: 04.05.2016