AUTOMOBIL-HYBRIDTECHNIK: MÖGLICHE ARBEITSPRINZIPIEN

Umweltthemen sind weltweit aktuell, und Automobilkonstrukteure entwickeln rund um den Globus alternative Antriebe. Wir befassen uns mit der populärsten Alternative: dem Hybridantrieb.

Obwohl die Ergebnisse immer besser werden, scheint das zu 100 % elektrisch angetriebene Auto weltweit auf den Märkten noch nicht einheitlich zu überzeugen. In der Schweiz zum Beispiel sind im Jahr 2016 nur 3295 Elektrofahrzeuge (gegen 10 502 Hybridfahrzeuge) auf die Strasse gekommen; diese Zahl ist, verglichen mit den 317 318 im gleichen Zeitraum zugelassenen Fahrzeugen, sehr niedrig. Einer der Gründe dafür ist die dürftige Reichweite bei rein elek­trisch betriebenen Autos im Vergleich zu denjenigen mit Verbrennungsmotoren. Ebenfalls spielt die Tatsache eine Rolle, dass sie kostspieliger sind und extrem lange Ladezeiten benötigen. Auch wenn zahlreiche Argumente zugunsten der Elektrofahrzeuge sprechen (ausserordentlicher Wirkungsgrad, geschmeidiges Fahrverhalten, ruhiges Fahren, dynamische Eigenschaften), bleibt doch festzustellen, dass das 100 % elektrische Auto immer noch nicht alle überzeugen kann. Bei Weitem nicht!
Das Wasserstoff-Fahrzeug könnte sicherlich eine Lösung darstellen … aber erst an dem Tag, wo ein vernünftiges und ausgedehntes Versorgungsnetz zuverlässig zur Verfügung steht. Kurzfristig scheint tatsächlich der Hybridantrieb die praktikablere Alternative zu sein. Aber auf welchem Prinzip basiert denn eigentlich diese Hybridtechnik? Jeder weiss zwar, dass beim Hybridantrieb im Automobilbereich ein Verbrennungsmotor mit einer elektrischen Maschine kombiniert wird. Aber worin besteht der Vorteil? Zwei Abbildungen liefern uns die Antwort.

Abbildung 1
Auf der ersten Abbildung wird die Entwicklung der vom Autofahrer angeforderten Leistung über die Zeit in Kurvenform dargestellt. Entsprechend der Leistungsanforderung nimmt die Antriebsleistung ständig zu und ab, ob in der Stadt, wo stets beschleunigt und gebremst wird, oder auf den Landstrassen, wo nacheinander beschleunigt, überholt oder gebremst wird und wo sich Berg- und Talfahrten abwechseln. Beim Anfahren erwartet der Autofahrer eine konstante Beschleunigung, um dann bei Erreichung der Reisegeschwindigkeit deutlich weniger Leistung anzufordern, vor allem wenn das Fahrzeug in gemässigtem Tempo fährt. Die Leistung kehrt sich um, wenn der Automobilfahrer bremst, um anzuhalten. Dieser Bremsvorgang kann teilweise durch die Pumpleistung des Verbrennungsmotors (Motorbremse) oder durch die zusätzlichen Reibungsbremsen, die die kinetische Energie in Wärme umwandeln, erfolgen.
Zusätzlich zur Leistung wird auf der Abbildung dargestellt, wie viel Energie ein Fahrzeug bei einer Beschleunigungsphase, gefolgt von einer Bremsphase, benötigt. Die Energiemenge ergibt sich durch das Multiplizieren der Leistung mit einer Zeitspanne. Die vom Motor geleistete Arbeit ist also anteilig im Bereich unterhalb der Kurve enthalten, da sie das Integral der Leistung im Verhältnis zur Zeit ist.

Abbildung 2
Da während der Fahrt negative Leistung angefordert wird (bei den Bremsvorgängen), gibt es zwangsläufig einen negativen Arbeitsverbrauch. Beim Bremsvorgang wandelt in der Tat der Fahrer den Überschuss an kinetischer Energie in Wärme um. Optimal wäre, diese Energie zurückzugewinnen, um sie anderweitig zu nutzen (Bereich mit dem Minuszeichen in der Abbildung 1), um den von der gesamten während der Fahrt verbrauchten Energie abziehen zu können (Bereich mit dem Pluszeichen in der Abbildung 1). Dem Motor muss also die Möglichkeit gegeben werden, diese überschüssige Energie wieder zu nutzen. Dieses Prinzip scheint beim Verbrennungsmotor unmöglich zu sein, da die chemische Reaktion in der Verbrennungskammer nicht umkehrbar ist. Anders bei der elektrischen Maschine, da sie naturgemäss in beide Richtungen funktioniert und je nach Bedarf als elektrischer Motor (Umwandlung der Arbeit in kinetischer Energie) oder als Generator (Umwandlung der kinetischen Energie in Arbeit) wirken kann. Der Elektromotor ist also deutlich leistungsfähiger als der Verbrennungsmotor, nicht nur dank seinem deutlich höheren Wirkungsgrad, sondern auch durch seine Fähigkeit, den Überschuss an Energie zurückzugewinnen. Es ist zwar sehr schwierig (und kostspielig), die gesamte Energie zu speichern, die für die gleiche Strecke wie mit einer Benzintankfüllung erforderlich ist, jedoch ist es denkbar, kleine Mengen an überschüssiger Energie entsprechend der Phasen mit negativer Leistung zu speichern, um sie dann wieder abzugeben, wenn der Fahrer wieder beschleunigt. Dafür wird ein Verbrennungsmotor mit konventionellem Treibstoffverbrauch mit einem Elektromotor und einer Batterie mit kleiner Kapazität kombiniert. Die Hybridtechnik im Automobilbereich arbeitet genau nach diesem Prinzip.
Durch die Kombination von zwei Motorantrieben, von denen einer umkehrbar ist, wird die in der Regel bei Bremsvorgängen abgegebene Energie zurückgewonnen; dadurch kann der Hauptmotor auch kleiner ausfallen, da er durch die Kopplung mit dem Elektromotor bessere Wirkungsgrade erzielt. Somit kann jetzt die Abbildung 1 in Abbildung 2 umgewandelt werden. Der Verbrennungsmotor arbeitet gleichmässiger: er muss nicht mehr die gesamte geforderte Leistung erbringen.
Können Sie uns noch folgen? Umso besser, denn hier wird es schwieriger: Es gibt nämlich nicht nur eine Art Hybridfahrzeuge, sondern eine Menge, die sich mehr oder weniger in drei Hauptkategorien wiederfinden. Nachstehend werden sie erläutert.


Serieller Hybrid

 

 

Es handelt sich hier zweifellos um die einfachste Hybridkonfiguration. Diese Hybridstruktur kommt dem reinen Elektroauto am nächsten, da keinerlei mechanische Verbindung zwischen den Rädern und dem Verbrennungsmotor besteht. Genauer gesagt, verfügt das Auto über elektrische Akkumulatoren (Batterien), die mit der Elektromaschine 1 verbunden sind (je nach Bedarf wird sie als Motor oder als Generator verwendet) und über die Leistungselektronik (deren Ziel es ist, die Spannung zwischen der Batterie und den Elektromotoren, aber auch zwischen der Akku-Batterie und der klassischen 12-V-Batterie anzupassen). Hinzu kommt ein Verbrennungsmotor (sowie sein Treibstofftank). Er wird nur als Stromaggregat verwendet, da er mechanisch mit der ­Elektromaschine 2 verbunden ist, die als Stromgenerator dient. Sprich: Er lädt die Akkumulatoren des Elektromotors auf.

BMW i3: Aus dem rein elektrischen Fahrzeug wird beim i3 ein Hybrid (Serie), wenn der REX, der Range Extender (Autonomie-Verlängerer), eingebettet wird.

Diese Konfiguration bietet zahlreiche Vorteile gegenüber den reinen Verbrennungsmotoren: Zum einen ermöglicht diese Vorrichtung die Rückgewinnung der kinetischen Energie, die in der Regel bei einem Bremsvorgang als Wärme abgegeben wird und deren geordnete Speicherung in den Batterien (diese geordnete Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad in Arbeit umgewandelt werden). Zum anderen ermöglicht sie die korrekte Dimensionierung des Verbrennungsmotors, um den besten Wirkungsgrad daraus zu ziehen. Da ausserdem der Elektromotor vom Stillstand bis zur optimalen Drehzahl allein arbeiten kann, ist es denkbar, auf eine Übersetzung (Getriebe und Kupplungen) zu verzichten. Das Ergebnis ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads (weniger Reibungsverluste) sowie die Minderung der Fahrzeugmasse, auch wenn dieser Gewinn das Gewicht der Hybridstruktur nie ausgleicht. Der Verbrennungsmotor kann seinerseits einen kleineren Hubraum aufweisen, da er im optimalen Funktionsbereich arbeitet und dadurch keine grosse Leistung liefern muss. Da der Elektromotor als einziger mit den Rädern mechanisch verbunden ist, wird seine Auslegung entsprechend seiner Leistung bestimmt. Er ist also dementsprechend anzupassen.


Paralleler Hybrid

 

Paradoxerweise wird bei der parallelen Bauweise der Elektromotor nicht parallel zum Verbrennungsmotor angeordnet. Beide Motoren werden in den meisten Fällen auf der gleichen Achse angebracht. Der Begriff «parallel» bedeutet, dass der Elektromotor und der Verbrennungsmotor gleichzeitig zum Antrieb des Fahrzeugs dienen. Es handelt sich in Wirklichkeit um ein konventionelles Fahrzeug — darunter versteht man ein Verbrennungsfahrzeug, gekoppelt mit einem Getriebe — an das zusätzlich eine elektrische Unterstützung gekoppelt wird. Sollten nämlich alle Komponenten rechts von der Übersetzung herausgenommen werden, bleiben auf der Abbildung nur noch die Komponenten der kinetischen Kette eines konventionellen Fahrzeugs übrig: Verbrennungsmotor, Kupplung, Getriebe. Das Elektromodul verhält sich je nach Bedarf auf drei verschiedene Weisen: Im ersten Fall kann es den Verbrennungsmotor durch Liefern der Energie in die Batterie unterstützen. Der Block wird dann als Elektromotor betrachtet. Im zweiten Fall kann es den Motor bremsen (und dadurch das Fahrzeug), indem es die elektrische Energie generiert, die es in der Batterie speichert. Es wird dann als Generator betrachtet. Im dritten und letzten Fall arbeitet es gar nicht. In diesem Fall verhält sich das Fahrzeug wie ein normales Verbrennungsfahrzeug.

Volkswagen Golf GTE: Als erster aufladbarer Hybrid (parallel) der Marke Volkswagen (und nicht des Konzerns, da der A3 e-tron davor auf dem Markt war) vereint der Golf GTE Umweltschutz und Sportlichkeit.

Wichtig ist noch zu erwähnen, dass die Anordnung der verschiedenen mechanischen und elektrischen Komponenten innerhalb der Parallelhybrid-Struktur variieren kann. Es ist nämlich möglich, den Verbrennungsmotor von der Elektromaschine zu entkoppeln, wenn  die angeforderte Leistung gering ist (bei Stadtfahrten zum Beispiel). Der Elektromotor kann, je nach Bauweise, über das Getriebe verfügen oder nicht. In einem weiteren Fall ermöglicht der Parallelhybrid-Antrieb den Verzicht auf einen Motoranlasser, da der Elektromotor auch den Verbrennungsmotor starten kann.


Mischhybrid

 

 

Mischhybride (auch serielle-parallele Hybride oder leistungsverzweigende Hybride genannt) kombinieren den seriellen und den parallelen Hybridantrieb und bieten eine originelle Lösung. Die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung wird sowohl elektrisch als auch mechanisch weitergeleitet. Um die leistungsverzweigende Hybridisierung zu verstehen, ist es erforderlich, das automatische Trennkupplungssystem zu verstehen. Diese Technologie ermöglicht jeder der anliegenden Kräfte, in diesem Fall die zwei elektrischen Maschinen und der Verbrennungsmotor, mit unterschiedlichen Drehzahlmomenten zu drehen, je nach dem vom Fahrer angefordertem Energiebedarf. Dafür ist es erforderlich, dass zwei Antriebswellen konzentrisch angeordnet sind, da die vom Verbrennungsmotor eine der elektrischen Maschinen kreuzt. Das zentrale Zahnrad wird als Planetenrad bezeichnet und wird direkt an der Welle der ersten elektrischen Maschine (E1) befestigt. Die Satellitenräder drehen frei um ihre jeweiligen Achsen, sind aber mit einer kreuzförmigen Armatur, die zeitgleich mit der Achse des Verbrennungsmotors dreht, verbunden. Der Kranz wirkt auf die Satellitenräder ein und ist sowohl mit der zweiten elektrischen Maschine (E2) als auch mit den Antriebsrädern fest verbunden. Dank dieser Anordnung und einem Elektromotor (E2) mit sehr hohem Drehmoment kann auf eine Kupplung und ein Getriebe verzichtet werden. Der Elektromotor ist nämlich jederzeit in der Lage, den Wagen zu bewegen, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen ihm und den Rädern fix ist.

Der Toyota Prius kam im Jahr 2000 auf den europäischen Auto­mobilmarkt und ist der erste Hybrid (Mischhybrid), der vertrieben worden ist. Ingenieurfahrzeug par excellence, es handelt sich hier um das Pionierauto.

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