Aus der Kraft der zwei Herzen: Hybridantriebe

by Paul Balzer on 18. November 2012

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Der Hybridantrieb ist eine Metapher für Elektromobilität, Naturschutz und Emissionsreduktion geworden. Dabei heißt es nur „von zweierlei Herkunft“. Dass Toyota daraus den Prius als Parallelhybridantriebskonzept mit einem Elektro- und einem Verbrennungsmotor gemacht hat, ist eine von vielen Varianten, aber wirklich nicht die Einzige.

Audi A8 Hybrid | Foto von David Villarreal Fernández @flickr.com | CC BY-SA 2.0 Lizenz

Ich habe vor Kurzem die Möglichkeit gehabt in einem Audi Q5 Hybrid mitzufahren und habe festgestellt: Es geht auch anders als es Toyota macht.

Zusammenspiel von Verbrennungsmotor und Elektromotor

Die beiden Motorenarten passen ganz hervorragend zusammen, hat der eine doch seine Stärke, wo der andere seine Schwäche hat. Ich rede vom Drehzahlbereich. Ein Verbrennungsmotor hat in der Nähe der Leerlaufdrehzahl (ca. 700U/min) ein ganz miserables Drehmomentniveau. Allerdings ist gerade dieser Bereich zum Anfahren sehr wichtig. Der Elektromotor hat bei richtiger Art und Feldregelung ab Drehzahl 0 sein maximales Drehmoment. Beide Drehmomentverläufe ergänzen sich ideal, wie nachfolgende Abbildung zeigt:

Drehmoment von Elektromotor (KSG-Motor) und Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader (VM mit ATL) über Drehzahl. Zusätzlich noch im negativen Drehmomentbereich die Drehmomentkennlinie für den Rekuperationsbetrieb (KSG-Generator) zum Speisen der Akkumulatoren

Die Elektromaschine kann sowohl zum Erzeugen von mechanischer Leistung (Umwandlung elektrische in mechanische Energie) als auch zum erzeugen elektrischer Leistung (Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie) genutzt werden.

Nebeneffekt: Energierückgewinnung durch Rekuperation

Eine feine Sache ist die Möglichkeit über die Rekuperation einen Teil der Bewegungsenergie wieder zurück in elektrische Energie zu wandeln. Allerdings sollte dies nicht überschätzt werden. Steht kein SuperCap im Bordnetz zur Verfügung, so ist die Ausbeute eher gering, da der Akkumulator keine so hohe Leistung aufnehmen kann, wie beim Bremsen frei wird.

Unterstützung des elektrischen Bordnetzes

Auf Grund der geringen Energiedichte der elektrischen Speicher kann die E-Maschine natürlich nicht ständig mit voller Leistung mitlaufen und beim Beschleunigen helfen. Oftmals lädt der Verbrennungsmotor über die E-Maschine den Akkumulator und stützt damit auch das Bordnetz. Die Energie zum Laden der Akkus kommt natürlich auch dem Kraftstoff. Es ist die Aufgabe des Applikationsingenieurs (oder des Marketingverantwortlichen – das ist manchmal nicht so klar) einen guten Kompromiss zwischen physikalisch bestem Verhalten (Energieeffizienz) und gefühltem Kundennutzen ausfindig zu machen. Als kleines Szenario kann man sich folgendes vorstellen:

Ein Kunde kauft mit erheblichen Aufpreis eine Hybrid-Version eines Fahrzeugs. Er möchte also natürlich lautlos vom Hof fahren, er möchte mit 30km/h durch die Stadt rollen und die Blicke auf sich ziehen, er möchte im Parkhaus oder in seiner Garage ohne Emissionen fahren. Er möchte eben etwas für sein Geld haben. Doch wie so oft spielen die physikalischen Grenzen da nicht so mit. Der Akku ist ziemlich schnell leer und die Energie muss irgendwo her kommen. Der Verbrennungsmotor springt an und muss nicht nur das Fahrzeug bewegen und das Bordnetz speisen, es muss auch die zuvor verwendete Energie wieder aufbringen und den Akku laden. Denn der zahlungskräftige Käufer möchte ja so schnell es geht wieder lautlos und vollelektrisch fahren. Es kann also sein, dass das Fahrzeug dann mit 1300U/min als Leerlaufdrehzahl an der Ampel steht. Oder eben statt 9L/100km plötzlich 13L/100km in der Anzeige stehen hat. Das ist kein böser Wille, das ist Physik.

Schwer zu verstehen ist auch, dass das rein elektrische Fahren mitunter nicht die energieeffizienteste Möglichkeit ist, sich mit einem Hybrid von A nach B zu bewegen. Doch wie gesagt, ein Käufer eines Fahrzeugs mit erheblichem Aufpreis, Mehrgewicht, zusätzlichem technischem Equipment und „Hybrid“ Schriftzug am Heck, möchte eben lautlos fahren. Der Applikationsingenieur knirscht mit den Zähnen und lässt ihn…

Fahrleistungen eines Großen mit dem Hubraum eines Kleinen: Boosten

Die deutschen Automobilhersteller möchten vor allem eins: Gute Autos bauen. Ein Daimler, Audi oder BMW wird immer einen anderen Anspruch an Dynamik, Elastizität und Fahrkomfort haben, als es ein Toyota Prius hat. Dementsprechend sind auch die Hybridkonzepte anders. Die Antriebsstränge sind seriell und eher fahrdynamisch optimiert.

Der Boost-Betrieb ist interessant. Sind alle Umgebungsbedingungen erfüllt (Außentemperatur, Ladezustand der Energiespeicher, usw…) so powert sowohl der Verbrennungsmotor mit voller Leistung als auch die E-Maschine! Das überlagerte Drehmoment ist beachtlich und zaubert ein leichtes Lächeln ins Gesicht. Man erwartet ja von einem schweren Hybridfahrzeug mit 4-Zylinder nicht so viel, aber wenn die Newtonmeter vom E-Motor dazu kommen, dann wird das eine interessante Mischung. Die Freude währt nur kurz, der Energiespeicher ist leer.

Fazit

Hybrid heißt nicht immer „Sprit sparen“ und „langweilig“, wer sich damit anfreunden kann statt eines 6-Zylinders einen 4-Zylinder mit E-Motor zu fahren, der wird ähnliche Fahrleistungen erleben können. Dafür ist das Fahrzeug schwerer. Allerdings kann man für ein paar Meter und ganz entspannt auch mal lautlos fahren.

2 Comments

  1. Vollkommen richtig Paul, der Spagat zwischen Kundendenken (elektrisch = Sprit sparen) und realem, verbrauchsoptimalem Fahren ist nicht leicht. Wer kauft schon einen Hybrid der dann nur wenig elektrisch fährt :-/. Abhilfe schaffen hier erst PHEV-Fahrzeuge (Plug-in Hybride). Größere E-Maschine –> mehr Drehmoment, größere Batterie (Kapazität) –>größere Reichweite………Ziel muss es sein ein Auto zu entwickeln, mit dem der Kunde problemlos elektrisch zur tätglichen Arbeit, Einkauf, Hobby fahren kann und bestenfalls eine Ladesäule vorfindet. Dabei ergeben sich dann aber wieder andere neue Problemstellung: VL-Anfahrten mit kaltem Motor, Diagnosen die VKM an fordern,………..usw usw!

    Interessant find ich auch: was ist eigentlich „segeln“? Hier versteht scheinbar jeder Hersteller etwas anderes. Im Q5H ist es wohl der simulierte elektrische Schub in Anlehnung an das reale Schubmoment des Verbrenners.

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