Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Hybridantrieb

Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung. In der Energietechnik wird auch der Begriff bimodale Energieversorgung verwendet.

Dies ermöglicht, je nach Bedarf oder Verfügbarkeit, die Auswahl des gewuenschten oder benoetigten Antriebsprinzips.

Es werden auch Begriffe wie Bimodale im Italienischen oder Dual-Mode-Vehicle im Englischen verwendet um Fahrzeuge zu charakterisieren, die zwei Energiequellen nutzen, also in zwei Modi betrieben werden können. Das Konzept ist auch nicht auf die Verwendung von Sekundaerbatterien als Energiespeicher beschraenkt wie die derzeitigen Fahrzeuge vielleicht vermuten lassen wuerden (siehe z.B. Duo-Bus).

In der Fahrzeugtechnik unterscheidet man im Allgemeinen zwischen verschiedenen Hybridisierungsstufen:

• Micro-Hybrid: Die Elektro-Maschine wird nicht zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt, sondern nur als Starter-Generator und zur Unterstuetzung des temporaeren Abschaltens des Verbrennungsmotors bei kurzen Stopps, etwa an Ampeln. Ausserdem kann er bei Bremsvorgaengen dazu benutzt werden, die Bordbatterie aufzuladen, so dass der Verbrennungsmotor von dieser Aufgabe entlastet wird. (Beispiel: Ford Fiesta-Versuchsfahrzeug)
• Mild-Hybrid: Hier wird der Antrieb des Fahrzeugs unterstuetzt; ein Fahren ohne Verbrennungsmotor ist aber nicht möglich. Die Elektro-Maschine wird meist zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe gebaut, so dass immer alle gleichzeitig arbeiten. Sie wird meist als Starter-Generator ausgefuehrt, ersetzt somit Anlasser und Lichtmaschine, kann kurzzeitig ein zusätzliches Boost-Moment zum Vortrieb beitragen und ermöglicht in Grenzen die Rekuperation von Bremsenergie. (Beispiel: Honda Accord IMA)
• Voll-Hybrid: Die installierte Elektro-Leistung ist deutlich höher als beim Mild-Hybrid, ausserdem ist je nach Anforderungen ein rein elektrisches oder rein verbrennungsmotorisches Fahren möglich. Erreicht werden kann dies auf verschiedene Arten:
• durch einen mechanischen Kraftverteiler (z.B. ein Planetengetriebe) mit getrennten Eingaengen für Verbrennungs- und Elektromotor(en). (Beispiel: Toyota Prius)
• durch die Verwendung von zwei Elektromotoren, jeweils einer vor und hinter der vorhandenen Kupplung (bzw. Wandler). Der erste Elektromotor arbeitet dabei wie beim Mild-Hybrid, der zweite Elektromotor ermöglicht den Fahrbetrieb durch oeffnen der Kupplung auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor. Die Elektromotoren sitzen dabei im Antriebsstrang auf der Motor- bzw. Getriebewelle und umschliessen diese ringfoermig. (Beispiel: neue Mercedes-Benz S-Klasse)
• durch die Verwendung nur eines Elektromotors zwischen der vorhandenen Kupplung (bzw. Wandler) und dem Verbrennungsmotor, aehnlich dem Mild-Hybrid. Mit dem Verbrennungsmotor ist der Elektromotor allerdings über eine zusaetzliche Trennkupplung verbunden, die durch oeffnen den reinen E-Betrieb ermöglicht. (Beispiel: Audi Q7)

Reiner Elektrobetrieb ist auf bestimmte Betriebsbereiche beschraenkt, z. B. Stadtfahrt bis 50 km/h, solange der Akku nicht leer ist. Bei hohen Leistungsanforderungen (starkes Beschleunigen) unterstuetzt der Elektromotor den Verbrennungsmotor. (Beispiel: Lexus RX400h) Weiterentwicklungen zum so genannten Plug-in-Hybrid ermöglichen ein Aufladen über die Steckdose.

• Serieller Hybrid: Die Leistung des Verbrennungsmotors kann nicht mechanisch zur Leistung des Elektromotors addiert werden, sondern dient ausschliesslich zum Auf- bzw. Nachladen der Batterien. Der Verbrennungsmotor hat keine mechanische Verbindung zum Antriebsstrang.
• Paralleler Hybrid: Verbrennungsmotor und Elektromotor sind so miteinander verbunden, dass die Drehmomente sich mechanisch addieren können, aber nicht müssen. Es ist ein rein elektrischer, rein verbrennungsmotorsicher aber auch addierender Betrieb möglich. (Siehe VW Golf Hybrid im Zuercher Flottenversuch 1988)

Der übergang von Mild- zu Voll-Hybrid ist fliessend und mit einer zusaetzlichen Kupplung lässt sich ein serieller mit einem parallelen Hybrid kombinieren. Dadurch kann die dem Antrieb zugefuehrte Leistung von der für den Vortrieb abgerufenen Leistung entkoppelt werden. Der Stromerzeuger (Verbrennungskraftmaschine, Brennstoffzelle o. ae.) muss nicht auf die maximal abrufbare Leistung ausgelegt werden. Maschinen mit höheren Wirkungsgraden, aber geringerer Elastizitaet (Abrufbarkeit von Leistung) sind wesentlich am höheren Nutzungsgrad des Systems (geringeren Verbrauch) beteiligt, da nur ein Teil der Bremsenergie rekuperiert (wiedergewonnen) werden kann.

Das erste Hybridauto wurde schon 1902 von Ferdinand Porsche gebaut, der Mixte Wagen bei der Firma Lohner in Wien. 1990 brachte Audi den Doppelantrieb dann in einem Audi 100 Avant, genannt Duo. Mit dem Audi duo auf Basis des Audi A4 Avant wurden 1997 Flottenversuche mit zehn biodieseltauglichen Fahrzeugen mit zusaetzlichem Elektroantrieb durchgefuehrt. Volkswagen forschte jahrzehntelang an diversen Hybridkonzepten, diese Arbeit fuehrte 1988 zu einem Flottenversuch in Zuerich mit 20 Parallelhybrid-Fahrzeugen welche von Privatpersonen über einen Zeitraum von 3 Jahren betrieben wurden. Wissenschaftlich betreut wurde das Projekt von der ETH Zuerich.

Die zurzeit (2004) am meisten verbreiteten Hybridfahrzeuge sind Automobile, die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind, der sowohl mit Benzin als auch mit Erd-, Biogas oder Flüssiggas betrieben werden kann. Da sich Benzin und Dieselkraftstoff mehr und mehr verteuern, stellt Gas häufig eine wirtschaftliche Alternative dar. Der geringere Kohlenstoffgehalt und der damit verbundene geringere Kohlendioxid-Ausstoss von Gasfahrzeugen spricht auch für eine bessere Umweltvertraeglichkeit. Der Betrieb reiner Gasfahrzeuge (monovalent) ist in Deutschland jedoch aufgrund der im Vergleich zu Benzin geringen Verbreitung von Gastankstellen mit derzeit 613, problematisch. Gasfahrzeuge, speziell Erdgasfahrzeuge werden deshalb heute auch noch serienmaessig wie Fahrzeuge mit zwei getrennten Kraftstofftanks mitgeführt. Das Fahrzeug kann so mit Benzin oder Gas fahren und nur bei Gasmangel auf Benzin umzuschalten. Diese Betriebsform wird bivalent genannt. Fahrzeuge in Deutschland mit einem Ersatztank von 13 Litern Benzin werden aber als monovalentes Fahrzeug bezeichnet.

Auch bei Dieselfahrzeugen, die den Kraftstoff Pflanzenöl verwenden, wird zum Teil ein Zweitanksystem eingesetzt. Der herkoemmliche Dieselkraftstoff wird dort verfuegbarkeitsabhaengig bzw. wärend der Warmlaufphase genutzt.

Die Wasserstofftechnologie für den Fahrzeugantrieb befindet sich noch im Versuchsstadium. Prototypen werden schon mit Benzin oder Wasserstoff betrieben.

Daneben gilt auch die Kombination anderer Antriebsarten als Hybridantrieb. Kombinierte Verbrennungsmotor-Elektrofahrzeuge werden bereits von einigen PKW-Herstellern angeboten. Je nach Auslegung kann damit ein etwa 1525 % geringerer Norm-Krafstoffverbrauch gegenüber einem reinen Verbrennungsmotor-Antrieb erreicht werden.

Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb hauptsaechlich in einem sehr guenstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende ueberschuessige Energie über einen Generator für die Batterieladung verwendet (Phlegmatisierung). Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden (Downsizing). Die Verkleinerung des Verbrennungsmotors kompensiert dabei zum Teil auch das zusaetzliche Gewicht der Hybrid-Aggregate. Beim Bremsen wird ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurueckgefuehrt (Rekuperation). Insbesondere im Stadtverkehr traegt die Rueckgewinnung stark zur Verbrauchsminderung bei. Wird keine Antriebsleistung benötigt, kann nun auch der Verbrennungsmotor abgeschaltet werden. Dies ist im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei voll geladener Batterie der Fall. Auf einen konventionellen Anlasser kann verzichtet werden, wenn der Elektromotor diese Fuktion uebernimmt.

Ein Verbrennungsmotor liefert nur im oberen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Beim Elektromotor ist es umgekehrt. Er hat vom Stand an das maximale Drehmoment und lässt bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug um etwa 1020 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten).

Der guenstigere Betriebsbereich des Verbrennungmotors führt zu geringeren Emissionen. Dies gilt sowohl für toxische Emissionen (CO, CH<subscript>x</subscript>, NO<subscript>x</subscript>, Partikel), als auch für das Treibhausgas CO<subscript>2</subscript>, als eine unmittelbare Folge des geringeren Kraftstoffverbrauchs.

Wenig bekannt ist über die Veraenderung in der Gesamtenergiebilanz durch die zusaetzlichen Komponenten. Die Kraftstoffeinsparung über die Lebensdauer eines Hybridfahrzeugs muss die Herstellung dieser Komponenten mit abdecken.

Die zusaetzliche Technik steigert den Wartungs- und u.U. auch den Reparaturaufwand. Die Batterie hat ebenso wie viele andere Verschleissteile nur eine begrenzte Lebensdauer und muss nach einer gewissen Zeit ersetzt werden.

Die Fahrzeuge haben durch einen leistungsaermeren Verbrennungsmotor, der jetzt ja nicht mehr für alle Fahrzustaende dimensioniert werden muss, häufig eine etwas geringere Hoechstgeschwindigkeit. Dieser Fahrzustand (schnelle Autobahnfahrt) ist ist die einzige Situation, bei dem über lange Zeit eine hohe Motorleistung benötigt wird, die nur vom Verbrennungsmotor bereitgestellt werden kann. In dieser Betriebsphase wirken die die Hybrid-Mechanismen nicht und es kann keine Verbrauchseinsparung erzielt werden. Das Beschleungigungsverhalten, für das beide Motoren verantwortlich sind, ist davon nicht betroffen.

Seine Vorteile kann ein Hybridauto hauptsaechlich in Ballungsraeumen und auf Landstrassen ausspielen, wo es zu haeufigen Beschleunigungs- und Verzoegerungsvorgaengen kommt. Auch ist der Nutzen in bergigem Gelaende groesser als im Flachland. Auf langen Autobahnstrecken bei freier Fahrt hingegen faellt der Kraftstoffverbrauch meist geringfuegig höher aus als bei vergleichbaren Fahrzeugen mit reinen Verbrennungsmotorantrieb.

• Sowohl die Mercedes-Benz A-Klasse Necar5 als auch der Honda FCX sind mit einer Brennstoffzelle und einem Energiespeicher (Batterie bzw. Doppelschicht-Kondensator) ausgestattet. Der Energiespeicher kann zum Starten und auch für Beschleunigungsvorgaenge genutzt werden (Boost-Betrieb). Aufgeladen wird der Energiespeicher beim Bremsen (Rekuperation) bzw. direkt von der Brennstoffzelle.

Der Toyota Prius wird seit 1997 serienmaessig hergestellt. Er besitzt einen Benzinmotor, einen elektrischen Antriebsmotor und einen Generator, die über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt sind. Betriebszustaende, in denen der Verbrennungsmotor nur geringen Wirkungsgrad aufweist (Anfahren, Stadtverkehr) werden vom Elektromotor mit seinem sehr viel höheren Wirkungsgrad übernommen. Bei Bedarf, kann der Verbrennungsmotor auch komplett abgeschaltet werden. Bei Fahrt mit gleich bleibender Last (Marschbetrieb) treibt allein der Benzinmotor den Prius an, wärend die Batterie (Nickel-Metallhydrid-Akku) gleichzeitig vom Benzinmotor via Generator geladen wird. Bei staerkerer Last wird der Prius von beiden Motoren gemeinsam angetrieben. Im Motorbremsbetrieb kann Energie rekuperiert werden. Die Energieeinsparung beim Prius gegenüber Benzinern der gleichen Fahrzeugklasse beträgt gemäss Werksangaben rund 30 % (laut Webseite 40 % (Stand August 2005) für das aktuelle Modell). Eine Version mit Nachlademoeglichkeit am Stromnetz und groesserer elektrischer Reichweite existiert als Prototyp.

Der Toyota Highlander ist der erste SUV mit Hybridantrieb. Es besitzt, anders als der Prius, neben dem Benzinmotor breits zwei Elektromotoren, je einen auf der Vorder- und auf der Hinterachse. Produziert wird das Fahrzeug bereits seit Ende der 1990er und zwar nur für den japanischen und den amerikanischen Markt. Es wird jedoch vereinzelt auch in Europa gefahren (als Privatimport aus den USA). Ab 2006 wird der Higlander bereits in der zweiten Generation. Die Gesamtleistung des Modells 2006 beträgt über 400 PS/4500-5600 U/min (Benzinmotor 155 kW/208 PS; Elektromotor vorne 123 kW/167 PS; Elektromotor hinten 50 kW/68 PS). Die Beschleunigung von 0-100 km/h beträgt 7,2 Sekunden und seine Fahrleistungen entsprechen denen eines antriebstarken 12-Zylinder-Gelaendewagens.

Mit dem Civic IMA bietet Honda eine 4-tuerige-Limousine mit Hybridantrieb an. Der Wagen ist mit einem 61-kW-Benzinmotor ausgestattet, der von einem 6,5-kW-Elektromotor unterstuetzt wird. Der kombinierte Verbrauch ist mit 4,9 Litern pro 100 km angegeben. Die neue Civic-Generation (ab 2006) soll mit weiteren IMA-Varianten angeboten werden.

Ford bietet den in Europa als Maverick bekannten Gelaendewagen in den USA in einer Version als Ford Escape Hybrid an. Der Escape Hybrid verwendet eine von Ford weiterentwickelte Version des THS-I aus dem ersten Toyota Prius. Der Bauraum für die Hybrid-Bauteile wurde schon bei der Entwicklung und Konstruktion mit einbezogen. Der Allradantrieb des Escape wird konventionell über eine Kardanwelle realisiert.

Die zum Ford-Konzern gehoerende Firma Mercury bietet ab Fruehjahr 2006 einen Gelaendewagen mit Hybridantrieb an. Angetrieben wird das Allradfahrzeug von einem 2,3 l Benzinmotor mit Atkinson-Zyklus und einem 70-kW-Permanentmagnet-Elektromotor.

Seit April 2005 bietet Lexus in den USA ein Oberklasse-SUV mit Hybridantrieb an. Markteinfuehrung in Europa war Juni 2005. Der RX 400h wird von einem V6-3,3-Liter-Otto-Motor (155 kW) plus Generator und einem Elektromotor (123 kW) an der Vorder- und einem Elektromotor (49 kW) an der Hinterachse angetrieben (elektrischer Allradantrieb). Die Gesamtleistung des Hybridsystems wird mit 200 kW angegeben (die Motorenleistungen können nicht addiert werden, da die Batterie nur begrenzte Leistung abgeben kann). Der Antrieb basiert auf dem bereits verfuegbaren Hybridantriebsstrang des Toyota Prius THS II. Das Fahrzeug kommt damit auf ein Systemdrehmoment von über 700 Nm bezueglich der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Der Verbrauch bleibt bei moderater Fahrweise unter 10 Liter pro 100 km. Zusaetzlich wurden die Elektromotoren mit dem ESP-System gekoppelt. Sie erlauben einen ca. zehnmal schnelleren Eingriff in die Fahrsituationsstabilisierung als ein ABS/ESP- System mit herkoemmlichen Hydraulikaggregat.

Neben Mercedes-Benz mit dem Hybrid Sprinter von DaimlerChrysler hat IVECO die grössten Erfahrungen mit Hybridantrieben. Ein weiterer Anbieter ist Micro- Vett SPA mit dem Daily Bimodale.