Einordnung des Verbrennungs- bzw. Elektroantriebs

Werden die Akkumulatoren nur über den eingebauten Generator geladen, wird des Hybrid als autark bezeichnet, werden die Akkus vor der Fahrt am Stromnetz geladen, ist dies ein Plug-In-Hybrid.

Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen drei verschiedenen Hybridisierungsstufen: Mikro-, Mild- und Vollhybrid. Da diese Einteilung mehr auf die elektrische Leistung zielt, wird in der Literatur zusätzlich eine Einteilung nach Parallel-, Seriell- und Mischhybriden unternommen.

Serieller Hybrid

Bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb hat der Verbrennungsmotor keinerlei mechanische Verbindung mehr zur eigentlichen Antriebsachse, er treibt lediglich einen elektrischen Generator an, der die E-Maschinen mit Strom versorgt oder die Traktionsakkus lädt. Es kann ein schwächerer Verbrennungsmotor eingesetzt werden, da die Akkus bei Leistungsbedarfsspitzen zusätzlichen Strom liefern, was aber die Dauer-Höchstgeschwindigkeit verringert. Der oder die Elektromotor(en) müssen das gesamte geforderte Drehmoment und die gesamte geforderte Leistung erbringen. Beispiele: Opel-Studie Flextreme, Mindset.

Die Darstellung mit einem Magnetisch-Elektrischen Getriebe-Automat wird auch Direkthybrid genannt.

Paralleler Hybrid

Anders als beim seriellen Hybridantrieb wirken beim parallelen Hybridantrieb der oder die Elektromotor(en) gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf den Antriebsstrang. In mindestens einem Betriebszustand sind die Kräfte oder Drehmomente der einzelnen Antriebe gleichzeitig verfügbar. Dies ermöglicht eine schwächere Auslegung des Elektromotors und des Verbrennungsmotors, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart, im falle des Verbrennungsmotors auch Kraftstoff (downsizing). Parallelhybride lassen sich vergleichsweise kostengünstig als Mildhybrid verwirklichen. Falls ein rein elektrischer Fahrbetrieb ermöglicht werden soll, muss der Elektromotor dementsprechend ausgelegt werden. Naunin schreibt dazu: Charakteristisch für den parallelen Hybrid ist, dass beide Antriebsaggregate aufgrund der Leistungsaddition bei gleichen Fahrleistungen im Vergleich zum konventionellen Antrieb kleiner dimensioniert werden können. Ein Beispiel ist der Honda Civic Hybrid. Durch Hybrid reduziert sich der CO2-Ausstoß beim Honda Civic Hybrid auf 103 g/km.

Leistungsverzweigender Hybrid

Mischhybride kombinieren den seriellen und den parallelen Hybridantrieb (oft variabel) während der Fahrt entsprechend den Fahrzuständen. Je nach Betriebsart und Fahrzustand kann entweder die Verbrennungskraftmaschine mit dem Generator nur den elektrischen Energiespeicher (Hybridbatterie) laden und den Elektromotor antreiben (serieller Hybridantrieb). Bei diesem kombinierten Hybridantrieb wird lediglich mittels einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet. Als Beispiel für Mischhybride sind der Chevrolet Volt und der Opel Ampera zu nennen.

Demgegenüber wird beim Leistungsverzweigten Hybridantrieb ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch, ein weiterer Teil über die als elektrisches Getriebe (serieller Hybridantrieb) arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen. Ein Beispiel für Leistungsverzweigung ist der Toyota Prius mit dem Hybrid Synergy Drive, in dem Leistungsverzweigung und somit die Drehzahl und die Übersetzung ausschließlich über die Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgt. Diese One-Mode-Getriebe werden bei Toyota, Lexus, Ford und anderen eingesetzt.

Im Gegensatz dazu bietet das Two-Mode-Getriebe von Allison Transmission verschiedene Betriebsmodi, die mit Lamellenkupplungen geschaltet werden. Das Getriebe besitzt zwei leistungsverzweigte Fahrbereiche. Dadurch kann gegenüber One-Mode-Getrieben der elektrische Leistungsanteil verringert werden, wodurch die Anforderungen an die elektrischen Maschinen verringert werden. Es ergibt sich zudem ein Wirkungsgradvorteil (höherer mechanischer Leistungsanteil). Neben den zwei Fahrbereichen stehen zusätzlich auch noch vier mechanische Übersetzungen bereit (zusätzlich feste Gänge), in denen das System als Parallelhybrid arbeiten kann. Mit diesem aufwändigeren Konzept sind weitergehende Anpassungen an verschiedene Fahrzustände, wie etwa hohe Geschwindigkeiten, möglich. Dieses Getriebe wird in einer Kooperation zwischen General Motors, Daimler AG und BMW entwickelt.

Mikro-, Mild- und Vollhybrid

Nach dem Anteil des elektrischen Antriebs und den möglichen Betriebszuständen werden drei Stufen unterschieden, es gibt zudem unterschiedlichste Zwischenformen. Darüber hinaus sind auch Fahrzeuge darstellbar, die überwiegend elektrisch angetrieben werden.

Mikrohybrid

Grundsätzlich kennzeichnet ein Hybridfahrzeug das Vorhandensein zweier unterschiedlicher Antriebsquellen, was beim sogenannten Mikrohybrid nicht der Fall ist. Mikrohybridfahrzeuge verfügen über eine Start-Stopp-Automatik und Bremsenergierückgewinnung zum Laden des kleinen Starterakkus. Die Elektro-Maschine wird aber nicht zum Antrieb des Fahrzeuges genutzt und hat nach Naunin eine Leistung von 2,7-4 kW/t (spezifisches Leistungsgewicht in Kilowatt Leistung des Elektroantriebs pro Tonne Fahrzeugmasse). Vorteil ist, wie bei allen Hybridautomobilen, eine Kraftstoffeinsparung.

Beispiel: Die BMW-1er-Baureihe ab Modelljahr 2007 mit Schaltgetriebe.

Nachteil der Start-Stopp-Funktion ist der durch das häufige Anlaufen bedingte höhere Verschleiß der Kurbelwelle, die mit einer reibungsarmen Lagerung auf eine andauernde Rotation ausgelegt ist. Wie groß diese Auswirkungen einer Start-Stopp-Funktion auf die Lebensdauer eines Motors sind, werden die nächsten Jahre zeigen.

Mildhybrid

Der Elektroantriebsteil unterstützt den Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung. Die Bremsenergie kann in einer Nutzbremse teilweise wiedergewonnen werden. Als elektromotorische Leistungen werden etwa 6-14 kW/t angegeben.

Parallel arbeitende Hybridantriebe werden oft als Mildhybrid ausgeführt.

Beispiel: Der Honda Civic Hybrid, der seit Modelljahr 2006 nahezu Vollhybridmerkmale aufweist, sowie der Honda Insight (ab 2009).

Vollhybrid

Vollhybridfahrzeuge sind mit ihrer elektromotorischen Leistung von mehr als 20 kW/t in der Lage, auch rein elektronisch zu fahren (einschließlich Anfahren und Beschleunigen) und stellen daher die Grundlage für einen Seriell-Hybrid dar.

Beispiele: Der BMW ActiveHybrid X6, der rein elektromotorisch etwa 60 km/h erreicht, der Toyota Prius, der etwa 70 km/h erreichen kann, siehe Toyota Hybrid Synergy Drive oder zum Beispiel der schweizerische Mindset, wobei Mindset die Entwicklung seines Elektroautoprojektes 2009 weitgehend eingestellt hat.

Eigenschaften der verschiedenen Konzepte

Der Hybridantrieb wird verwendet, um einen geringern Kraftstoffverbrauch zu erzielen oder um Leistung oder Fahrkomfort zu steigern. Bei ihm ergänzen sich die Leistungskennlinien eines Elektromotors mit seinem hohen Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eines Verbrennungsmotors, dessen Stärken im oberen Drehzahlbereich liegen. Zusätzlich kann durch eine Nutzbremse ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden.

Bei Voll-Hybrid, mit Einschränkung auch bei Mild-Hybriden, besonders ausgeprägt bei Leistungsverzweigung und stufenlosem Getriebe können ungünstige Motorbetriebspunkte weitgehend vermieden werden. Dieser Zusatznutzen ist bei Verwendung eines Dieselmotors nur in geringerem Ausmaß möglich, da der Dieselmotor ohnehin in den meisten Motorbetriebspunkten einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist. Weil sich aber das nötige Beschleunigungsdrehmoment des Verbrennungsmotors durch die Kombination mit dem Elektromotor verringert, kann beim Dieselmotor eine erhebliche Verringerung der Stickoxid-Emission (NOx) erreicht werden, wenn das Downsize-Potenzial nicht ausgenutzt wird. Der Diesel-Hybridantrieb hat also neben dem Verbrauchsnutzen auch einen Emissionsnutzen vorzuweisen.

Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern. Das kann jedoch durch Einsparungsmöglichkeiten an anderer Stelle (zum Beispiel vereinfachtes Getriebe, Entfallen der Lichtmaschine und des Anlassers) teilweise kompensiert werden. Es ist allerdings auch zu erwarten, dass moderne Akkumulatoren wie zum Beispiel Lithium-Polymer-Akkus oder auch Hochleistungskondensatoren diesen Nachteil noch weiter verringern.

Ein weiterer Nachteil ist die aufwändige Produktion des Hauptkomponenten Elektromotor und Akkumulator, die die Herstellungsbilanz belasten. Es fehlt bisher an unabhängigen Untersuchungen zur Klärung der Frage, wie viel mehr an Energie für die Herstellung von Hybridfahrzeugen aufgewendet werden muss bzw. mit welcher Kraftstoffmenge man dies im Vergleich zu einem Standardfahrzeug verrechen müsste.

Derzeit hat der Mild-Hybrid bei geringerem Aufwand ebenfalls ein gutes Einsparpotenzial. Diese Antriebsart ist mit wenig Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte zu integrieren, während für Voll-Hybride mehr Entwicklungsaufwand vonnöten ist. Der einfachste Ansatz des Mild-Hybrid ist der Starter-Generator, der den Anlasser und die Lichtmaschine in einem Elektromotor zusammenfasst und an den Antriebsstrang anbindet.

Plug-in-Hybride

Eine Erweiterung der Hybrid-Technik stellen die Plug-in-Hybride (PHEV) dar, die versuchen den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken, indem die Akkus nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch am Stromnetz aufgeladen werden können. Bei diesem Konzept wird gesteigerter Wert auf eine Vergrößerung der Akkukapazität gelegt, um auch größere Strecken ohne lokale Emissionen zurücklegen zu können. Bei ausreichender Kapazität (etwa 60 bis 80 Kilometer) können Kurzstrecken so ausschließlich im Elektroantrieb zurückgelegt werden, während der Verbrennungsmotor lediglich als Generator zum Nachladen der Batterie verwendet wird, um auch größere Strecken zu ermöglichen. Dieser Technologie wird im Rahmen der Diskussion um die Elektromobilität eine große Zukunft vorhergesagt, da über 80 Prozent aller im Alltag gefahrenen Strecken innerhalb dieser Batterien-Reichweite liegen.

Quelle:wikipedia
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