Hybridantriebe - Strukturvarianten, Betriebsstrategien sowie deren
Vor- und Nachteile
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Jan-Welm Biermann
Dipl.-Ing. Ralf Bady
Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ika), RWTH Aachen
5. Symposium Elektrische Straßenfahrzeuge
Technische Akademie Esslingen, 26./27. März 1998
Einführung
Strukturvarianten
Komponenten
Betriebsstrategien
Aktuelle Fahrzeugbeispiele
Zusammenfassung und Ausblick
Literatur
Einführung
In der öffentlichen, umweltpolitischen Diskussion wird die Rolle des
Individualverkehrs auf Basis des Pkws zunehmend kontrovers diskutiert.
Einerseits erfordert unsere moderne Gesellschaft die Mobilität des Einzelnen,
andererseits treten negative Auswirkungen wie Schadstoff- und Lärmbelastung in
den Vordergrund. Anders als in den Vereinigten Staaten, wo Kalifornien eine
Vorreiterrolle eingenommen hat und ein Anteil von 10 % Null-Emissions-
Fahrzeugen, sog. ZEV (Zero Emission Vehicle), für das Jahr 2003 bei den
neuzugelassenen Kraftfahrzeugen gefordert wird, existieren in Europa noch keine
Vorschriften dieser Art.
Mit Elektrofahrzeugen können ZEV-Anforderungen aufgrund ihrer lokalen
Emissionsfreiheit erfüllt werden. Bei dem heutigen Stand der Batterietechnik
ist es aber auf absehbare Zeit nicht möglich, Elektrofahrzeuge darzustellen,
die die üblichen Anforderungen an Pkw erfüllen. Wenn auch die Fahrleistungen
von Elektrofahrzeugen für den Stadtverkehr ausreichend sind, genügen Reichweite
und Höchstgeschwindigkeit nicht für den universellen Einsatz.
Mit Brennstoffzellen betriebene Elektrofahrzeuge können in der Zukunft die mit
der Batterietechnik verbundenen Probleme reiner Elektrofahrzeuge vermeiden,
doch sind auch hier noch viele Fragestellungen und Probleme hinsichtlich
Komplexität des Systems, Systemgröße und insbesondere Systemkosten zu lösen.
Eine interessante Alternative stellt vor diesem Hintergrund der Hybridantrieb
dar. Definitionsgemäß besteht ein Hybridantrieb aus zwei unterschiedlichen
Antriebssystemen, d.h. aus mindestens zwei Energiewandlern und -speichern.
Diese Definition läßt erkennen, daß der Begriff Hybridantrieb prinzipiell eine
Vielzahl von möglichen Varianten umfaßt. Von wenigen Ausnahmen abgesehen,
werden vorzugsweise elektrische Antriebe mit Verbrennungskraftmaschinen
kombiniert.
Der Hybridantrieb an sich ist keine neue Entwicklung, sondern schon fast seit
dem Beginn der Automobilisierung bekannt. Anfang des 20.Jahrhunderts spielten
insbesondere in den Vereinigten Staaten Elektrofahrzeuge eine große Rolle. Um
die Jahrhundertwende waren dort mehr Elektrofahrzeuge zugelassen als Fahrzeuge
mit Verbrennungsmotor. Im Vergleich zu den damals noch nicht ausgereiften,
unzuverlässigen Verbrennungskraftmaschinen - von Hand zu starten und im Betrieb
mit großer Lärm- und Abgasentwicklung verbunden - war die einfache Handhabung
der Elektrofahrzeuge ein entscheidender Vorteil. Auch damals gab es schon die
ersten Ansätze, die Vorteile elektrischer Maschinen (insbesondere ihre gute
Regelbarkeit) mit denen von Verbrennungsmotoren zu kombinieren. Als Beispiel
sei der im Jahr 1900 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellte, vom 25-
jährigen Ferdinand Porsche konstruierte Lohner-Porsche genannt. Bei diesem
Fahrzeug war ein Generator an einen Benzinmotor gekoppelt, der vier als
Radnabenmotoren in den Rädern installierte Elektromaschinen mit elektrischer
Energie versorgte. Dieses war somit eines der ersten Fahrzeuge mit
Allradantrieb und im weiteren Sinne eines der ersten Hybridfahrzeuge. Im
Fortgang der schnell ansteigenden Automobilisierung führten jedoch die vielen
offensichtlichen Vorteile, die der Verbrennungsmotor im Laufe seiner
Entwicklung mit sich brachte dazu, daß heutige Kraftfahrzeuge weltweit fast
ausschließlich von Otto- und Dieselmotoren angetrieben werden.
Die Energiekrisen-Diskussionen in den 70er Jahren oder besser gesagt die
Erkenntnis der nicht unproblematischen Abhängigkeit des Kfz-Verkehrs vom
(Nahost-) Erdöl führte derzeit zu verstärkten FuE-Aktivitäten auf dem Gebiet
der Hybridantriebe. Ansatzpunkt war hier die Möglichkeit der Kraftstoff- bzw.
Erdöleinsparung durch die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem
Elektroantrieb. Abb. 1 zeigt einige Beispiele
[HEL76].
Abb. 1
Umwelt durch Schadstoffe wie
Kohlenmonoxid, Stickoxide und
unverbrannte Kohlenwasserstoffe im
Vordergrund. Auch die Möglichkeit der
Verbrauchsreduktion und somit der
Verringerung von Kohlendioxidemissionen
war und ist ein wichtiges Thema.
Gesetzgebungen in den USA, die ZEV-
Fahrzeuge und extrem schadstoffarme
Fahrzeuge (Low Emission Vehicle, LEV)
fordern, haben die Diskussion um
Hybridfahrzeuge ebenfalls deutlich
forciert.
Obwohl die aktuelle LEV-Gesetzgebung in Kalifornien bisher keine besondere
Berücksichtigung für Hybridfahrzeuge vorsieht, werden in den USA
Hybridantriebskonzepte sowie deren Komponenten intensiv in einem seit 1993
laufenden, vom DoE (Department of Energy) geförderten Hybrid Propulsion System
Development Program sowie im Rahmen des in 1994 initiierten Partnership for a
New Generation of Vehicles (PNGV) entwickelt und erprobt. In den 80er und 90er
Jahren stand die Belastung der Eine Änderung sieht hier der im Dezember 1997
vorgelegte Vorschlag für die ab 2004 vorgesehene LEV II-Gesetzgebung vor, indem
Hybridfahrzeuge unter bestimmten Randbedingungen bis zu 50% ZEV-credits
erhalten können und somit den gefordeten Anteil reiner E-Fahrzeuge verringern
können.
[WAL98]
Aus Sicht der batteriegetriebenen Elektrofahrzeuge erscheint die Kombination
von Verbrennungsmotor und Elektromaschine zu einem Hybridantrieb sinnvoll, da
so die Vorteile beider Antriebsarten wie z.B. hohe Reichweite, schnelles
Nachtanken, Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekuperation), Nutzung
regenerativer Energiequellen sowie emissionsfreier Betrieb nutzbar sind.
Aus Sicht der verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeuge erscheint die
Kombination mit einem Elektroantrieb sinnvoll, da ein entkoppelter Betrieb des
Verbrennungsmotors vom Fahrleistungsbedarf ermöglicht wird, und somit z.B. der
Betrieb im wirkungsgradungünstigen Teillastbereich vermieden werden kann.
Ein Hybridantrieb kann jedoch nicht einfach die Addition zweier Antriebe in
einem Fahrzeug sein; vielmehr müssen durch geeignete Kombination und
Dimensionierung die Vorteile der einzelnen Antriebe genutzt und die
Schwachstellen vermieden werden. Hierdurch wird die Möglichkeit sowohl zu
Verbrauchs- und Emissionsreduktionen als auch zu lokal emissionsfreiem Fahren
gegeben. Je nach Einsatzzweck sind so unterschiedlichste Lösungen denkbar
[HAR93].
Strukturvarianten
Zu differenzieren sind zwei Grundstrukturen für Hybridantriebe mit
unterschiedlichen Potentialen und Problemen: parallele und serielle Konzepte
(Abb. 2). Zudem ergeben sich auch Mischformen aus beiden Grundstrukturen.
Beim parallelen Hybrid sind Verbrennungsmotor und Elektromotor mechanisch mit
den Antriebsrädern gekoppelt (Abb. 3).
Abb. 2
Abb. 3
Solche Konzepte beinhalten neben den beiden Antriebsmotoren und Speichern ein
oder auch mehrere Getriebe, Kupplungen oder Freiläufe. Die beiden
Antriebssysteme können sowohl jeweils einzeln als auch gleichzeitig zum
Vortrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Aufgrund der Leistungsaddition können
beide Motoren relativ klein ausgelegt werden, ohne daß Einbußen beim
Beschleunigen oder an Steigungen vorhanden sind. Üblicherweise wird so der
elektrische Antriebszweig für den Stadtverkehr ausgelegt (begrenzter,
emissionsfreier Fahrbetrieb), während der leistungsstärkere Verbrennungsmotor
für Überlandverkehr und auf Autobahnen genutzt wird. Die abgegebenen Leistungen
von Elektro- und Verbrennungsmotor können mechanisch mittels Drehzahladdition
(mit einem Planetengetriebe), Momentenaddition (mit Stirnradgetriebe oder
Kette) oder Zugkraftaddition (Elektromotor und Verbrennungsmotor wirken auf
unterschiedliche Antriebsachsen) überlagert werden. Bei der Momentenaddition
läßt sich das Verhältnis der Drehmomente der beiden Energiewandler frei
variieren, während die Drehzahlen in starrem Verhältnis zueinanderstehen. Eine
Entkopplung der beiden Antriebssysteme kann über einen Freilauf oder eine
Kupplung realisiert werden. Bei der Drehzahladdition werden die Leistungen der
Energiewandler mittels eines Planetengetriebes zusammengeführt, wobei das
Momentenverhältnis starr durch die Übersetzungen des Getriebes vorgegeben ist.
Die Drehzahlen der Antriebssysteme können frei gewählt werden. Bei einem Hybrid
mit Zugkraftaddition handelt es sich im physikalischen Sinne ebenfalls um eine
Momentenaddition, wobei die beiden Energiewandler auf unterschiedliche Achsen
des Fahrzeugs wirken (z.B. elektrischer Antrieb auf Vorderachse,
Verbrennungmotor auf Hinterachse).
Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung paralleler Hybride besteht in der
Anordnung der Energiewandler. Wirken beide Antriebssysteme (Elektromotor und
Verbrennungsmotor) auf die Getriebeeingangswelle, so spricht man von einem
Einwellenhybrid. Dagegen spricht man von einem Zweiwellenhybrid, wenn
Verbrennungs- und Elektromotor auf unterschiedlichen Getriebewellen (Getriebe-
Ein- bzw. -Ausgangswelle) angeordnet sind.
Kennzeichen serieller Hybridantriebe ist die Reihenschaltung der
Energiewandler ohne mechanische Anbindung des Verbrennungsmotors an die
Antriebsräder (Abb. 3). Der Verbrennungsmotor treibt hierbei einen Generator
an, der seinerseits den elektrischen Fahrantrieb sowie einen im elektrischen
Zwischenkreis angeordneten Speicher (in der Regel Batterie) mit Energie
versorgt. Es existieren sowohl Varianten mit einem Fahrmotor und Differential
als auch Konzepte mit zwei Fahrmotoren pro Achse unter Wegfall des
Differentials bis hin zu Radnabenfahrmotoren (Abb. 4) .
Abb. 4
Die Dimensionierung der Generatoreinheit
und des Speichers richtet sich nach der
Betriebs- und Ladestrategie, einer
eventuell gewünschten Netzunabhänigkeit
(hohe Ladeleistung erforderlich), der
Reichweite und den Fahrleistungen. Der
höhere Bauaufwand durch den zusätzlichen
Generator wird weitgehend durch den
Wegfall des Schaltgetriebes kompensiert.
Die nicht vorhandene mechanische
Anbindung des Verbrennungsmotors an die
Antriebsräder ermöglicht eine hohe
Flexibilität bei der Anordnung der
Komponenten. Im Vergleich zum
Elektrofahrzeug kann die Batterie
kleiner dimensioniert werden und die
Verfügbarkeit des Fahrzeugs durch die
Nachladung on-board oder reinen
Generatorbetrieb erhöht werden. Für die
Dimensionierung des elektrischen
Fahrantriebs ist zu beachten, daß dieser
die gesamte Leistung bereitstellen muß,
die für die gewünschte Beschleunigung
oder Steigfähigkeit benötigt wird.
Dieser Zusammenhang begründet auch die Tatsache, daß in den 70er und 80er
Jahren vornehmlich parallele Hybridantriebe realisiert wurden, da keine
Elektromotoren mit entsprechend hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad
verfügbar waren. Durch die mechanische Entkopplung kann der Verbrennungsmotor
phlegmatisiert (in der Dynamik eingeschränkt) mit einem zeitlich gemittelten
Leistungsbedarf oder auf einer Kennlinie günstigsten Kraftstoffverbrauchs
betrieben werden und muß deshalb nicht unbedingt auf die maximal benötigte
Leistung ausgelegt werden. Im Extremfall wird er nur noch in einem, nach
Emissions- oder Verbrauchsgesichtspunkten ausgewählten Betriebspunkt betrieben.
Insbesondere durch den Wegfall dynamischer Betriebsvorgänge können die
Emissionen stark reduziert werden. Komfortvorteile entstehen durch den
durchgängig zugkraftunterbrechungsfreien rein elektrischen Antrieb, wobei
jedoch eine betriebspunktentkoppelte Betriebsweise des Verbrennungsmotors durch
das ungewohnte Geräuschniveau vom Fahrer als ungewohnt und unkomfortabel
empfunden werden kann.
Nachteilig bei seriellen Hybridantrieben ist die doppelte Energiewandlung
mechanisch, elektrisch und umgekehrt, eventuell noch verbunden mit einer
Speicherung, und die damit entsprechend ungünstige lange Wirkungsgradkette.
Häufig ergibt sich aus der begrenzten Leistungsfähigkeit der Batterie der
Zwang, den Verbrennungsmotor zumindest teilweise transient zu betreiben, um
Leistungsspitzen bei Steigungsfahrt oder Beschleunigungen abzudecken. Dies kann
den Emissions- und Verbrauchsvorteil einschränken und eine Anpassung des Motors
an den stationären Betrieb (einfaches Motormanagement und Bauweise) verhindern.
Eine Mischform zwischen parallelen und seriellen Strukturen ist der sogenannte
kombinierte oder leistungsverzweigende Hybrid (Abb. 4).
Beim kombinierten Hybrid besteht die Möglichkeit durch Schließen einer Kupplung
direkt die Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch an die Räder zu
übertragen, was in bestimmten Betriebszuständen (z.B. hoher Leistungsbedarf bei
Autobahnfahrt) eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ermöglicht.
Gleichzeitig können beide Elektromotoren wie bei einem parallelen Hybrid noch
zusätzlich ihre Leistung abgeben und so kurzzeitig die Spitzenleistung erhöhen.
Dem verbesserten Wirkungsgrad steht der höhere Aufwand durch die Kupplung und
die komplexere Betriebsstrategie gegenüber. Weiterhin kann die Anordnung von
Verbrennungsmotor und Generator nicht mehr frei gewählt werden, da eine direkte
mechanische Ankopplung an den Antriebsstrang erfolgen muß.
Eine weitere, allerdings sehr komplexe Möglichkeit stellen
leistungsverzweigende Hybridantriebe dar. Bei diesen Strukturen wird ein Teil
der Leistung des Verbrennungsmotors direkt mechanisch an die Antriebsräder
übertragen; die restliche Leistung gelangt z.B. über ein Planetengetriebe und
zwei Elektromotoren an die Antriebsräder. Zur Energiespeicherung wird zudem
i.a. eine Batterie eingesetzt. Mit dieser Anordnung der Elektromotoren agiert
das System als stufenlos verstellbares Getriebe, so daß kein zusätzliches
Getriebe für den Verbrennungsmotor notwendig ist. Der Verbrennungsmotor kann
prinzipiell drehzahl- und leistungsunabhängig vom übrigen Antrieb betrieben
werden. Der Wirkungsgrad kann aufgrund der teilweise direkten mechanischen
Leistungsübertragung besser sein als bei seriellen Strukturen.
Neben den grundsätzlichen Hybridstrukturen läßt sich noch zusätzlich nach der
Größe der installierten elektrischen Leistung sowie der gespeicherten
elektrischen Energie unterscheiden (Abb. 5).
Abb. 5
Parallele Hybride mit geringer
installierter Leistung und kleinem
elektrischen Energiespeicher bezeichnet
man auch als Starter/Generator-Hybrid .
Ist die elektrische Leistung etwas höher
dimensioniert, spricht man von einem
Power Assist Hybrid oder auch, bezogen
auf den Energieinhalt des elektrischen
Energiespeichers, von einem Low Storage
Hybrid (Kleinspeicherhybrid).
Der serielle Hybrid mit großer Batterie
und kleiner Stromerzeugungseinheit,
oftmals als Auxiliary Power Unit (APU)
betitelt, wird als Range Extender
bezeichnet. Ist der Energieinhalt der
Batterie gering bemessen, folglich die
emissionsfreie Reichweite gering,
spricht man ebenfalls von einem Low
Storage Hybrid.
Ist gar kein Speicher im elektrischen Zwischenkreis integriert, erhält man eine
Anordnung mit elektrischem IVT (invinite variable transmission).Abb. 6 zeigt
ein Versuchsfahrzeug mit entsprechender Leistungsübertragung.
Abb. 6
Auch bei Brennstoffzellenfahrzeugen mit
zusätzlichem elektrischen
Energiespeicher handelt es sich im
weiteren Sinne um serielle
Hybridfahrzeuge.
Hybridantriebe, deren elektrischer
Energiespeicher nicht aus dem Stromnetz
aufgeladen werden kann, bezeichnet man
als autarke Hybride.
Hier unter der Vielzahl der
Möglichkeiten die optimale Auslegung zu
finden, um die Vorteile beider
Antriebsarten zu kombinieren,
Synergieeffekte zu nutzen und das
systemimanente Problem des doppelten
Antriebs (Gewicht, Raumbedarf, Kosten,
Komplexität) zu lösen, bedarf einer
genauen Analyse der Randbedingungen.
Es liegt in der Komplexität der Materie,
daß statt der optimalen Nutzung und
Kombination der Vorteile im Falle nicht
umsichtiger Entwicklung genau das
Gegenteil die Summierung der Nachteile,
erreicht werden kann.
Komponenten
Aufgrund der vom konventionellen Fahrzeug abweichenden Einsatzbedingungen
bedarf es bei den Komponenten eines Hybridantriebs (Antriebs-, Hilfs- und
Komfortaggregate) einer speziellen Anpassung. Wie bei Elektrofahrzeugen müssen
Aggregate wie z.B. Lenkhilfepumpe oder Bremskraftverstärkung vom Antrieb
entkoppelt, elektrisch betrieben werden. Auch für die Klimatisierung eines
Hybridfahrzeugs sind aufgrund der nicht kontinuierlichen Betriebsweise der
Verbrennungskraftmaschine entsprechende Zusatzsysteme, z.B. elektrisch
betriebene Wärmepumpen, zu installieren.
Nachteilig hinsichtlich Emissionen ist bei Hybridfahrzeugen auch die sog.
Kaltstartphase. Grundsätzlich bieten Hybridfahrzeuge mit einem leistungsstarken
Energiespeicher hier die Möglichkeit sowohl die Verbrennungskraftmaschine als
auch die Abgasnachbehandlungskomponenten thermisch vorzukonditionieren, um so
erhöhte Kaltstartemissionen zu vermeiden. Hierbei kann bereits rein elektrisch
gefahren werden. Auch bei intermittierendem Motorbetrieb (an/aus) kann der
Katalysator so konditioniert werden.
Verbrennungsmotoren
Als Verbrennungsmotoren kommen insbesondere hochmoderne Otto- sowie sehr
sparsame Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Turboaufladung in Frage (Abb.
7).
Abb. 7
Aufgrund der besonderen Betriebsart sind
die Verbrennungsmotoren in parallelen
Hybridkonzepten in der Regel
vergleichbar klein dimensioniert. Bei
seriellen Hybridantrieben entscheidet
die Dimensionierung des elektrischen
Energiespeichers über die notwendige
Leistung der Verbrennungskraftmaschine.
Der spezifisch schlechtere
Kraftstoffverbrauch des Ottomotors im
Teillastbereich kann durch die besondere
Betriebsweise im Hybridbetrieb oftmals
vermieden werden. Mittels moderner
Abgasreinigungstechnologie in Verbindung
mit der besonderen, zum Teil stationären
Betriebsweise der Verbrennungsmotoren im
Hybridantrieb lassen sich
vergleichsweise geringe Emissionswerte
erzielen. Aufgrund seiner qualitativen
Regelung und des damit verbundenen
Wegfalls der Drosselklappe erreicht der
Dieselmotor insbesondere im
Teillastbetrieb deutlich bessere
spezifische Kraftstoffverbräuche als ein
Ottomotor.
Bei den Emissionen hat der Dieselmotor aufgrund der im Abgas enthaltenen
Partikel und Stickoxide, wobei die katalytische Reduktion aufgrund des
Luftüberschusses erschwert wird, noch Nachteile gegenüber dem Ottomotor. Auch
bei den Komfortansprüchen weist der direkteinspritzende Dieselmotor aufgrund
des Verbrennungsgeräusches heute noch Nachteile auf; diese sind jedoch bei
einer seriellen Anordnung aufgrund der einfachen Möglichkeit der Motorkapselung
von untergeordneter Wichtigkeit.
Die mechanische Entkopplung von Verbrennungskraftmaschine und Fahrantrieb im
seriellen Hybrid ermöglicht auch den Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen mit
schlechtem Instationärverhalten, deren Einsatz in konventionellen Fahrzeugen
normalerweise nicht möglich ist. Stirlingmotoren und Gasturbinen bieten mit
ihren aufgrund der kontinuierlichen Verbrennung niedrigen Emissionen ein großes
Potential, extrem schadstoffarme Fahrzeuge zu realisieren. Der relativ hohe
Teillastverbrauch von Gasturbinen kann durch die spezielle Betriebsweise im
seriellen Hybrid vermieden werden. Komfortansprüchen wird die Gasturbine durch
ihren schwingungsarmen Lauf gerecht. Durch die hohe spezifische Leistungsdichte
der Gasturbine kann der Bauraum relativ klein gehalten werden; die
Vielstoffähigkeit erlaubt darüber hinaus den Einsatz unterschiedlicher
Kraftstoffe. Der Stirlingmotor, der eine (kontinuierliche) äußere Verbrennung
ermöglicht, kann ähnliche Vorteile wie die Gasturbine bezüglich niedriger
Emissionen, Laufgeräusch, Haltbarkeit und Vielstoffähigkeit aufweisen. Darüber
hinaus verfügt er allerdings über einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Durch
die bisherigen Anwendungen des Stirlingmotors hauptsächlich im stationären
Bereich sind die Abmessungen der verfügbaren Maschinen für die
Kraftfahrzeuganwendung bislang jedoch eher ungeeignet.
Elektromaschinen
Je nach Hybridkonzept kommen verschiedene Bauarten von Elektromaschinen in
Frage (Abb. 8).
Abb. 8
Aufgrund der besseren Wirkungsgrade
werden heute fast ausschließlich
Drehstrommotoren sowohl in asynchroner
als auch synchroner Bauart eingesetzt.
Sehr hohe Wirkungsgrade lassen sich mit
permanent erregten Maschinen erzielen;
die dort bisher eingesetzten
Dauermagneten sind allerdings noch sehr
kostenintensiv. Weitere Sonderbauformen
wie der Transversalflußmotor oder auch
der Reluktanzmotor befinden sich noch in
der Entwicklung und sind daher für eine
kurzfristige (Serien-) Anwendung noch
nicht verfügbar.
Je nach Konzept lassen sich die
Elektromaschinen an unterschiedlichen
Stellen im Antriebsstrang anordnen.
Möglichkeiten ergeben sich durch die
einfache Ankopplung per Getriebe, der
direkten Integration in das Getriebe
oder der Transaxle-Bauform.
Eine spezielle Bauform ist der Radnabenantrieb (Integration des Elektroantriebs
direkt in die Radnabe). Vorteile entstehen hier aufgrund der Substitution des
Getriebes und der Differentiale sowie der Integrationsmöglichkeit von
Allradantrieb, ABS, ASR und Fahrstabilitätsregelung.
Grundsätzlich können in Hybridantrieben alle bekannten Getriebearten eingesetzt
werden. Eine wesentliche Rolle spielen sie nur bei parallelen und Misch-
Hybridstrukturen.
Konventionelle Automatikgetriebe sind aufgrund der Wandlerverluste kaum
empfehlenswert. Großes Interesse ist hingegen automatisierten Stufengetrieben
entgegenzubringen. Bei bislang realisierten Hybrid-Fahrzeugen kommen häufig
halbautomatische Getriebe zum Einsatz, bei denen die Kupplung automatisiert ist
und auch das Wechseln der Antriebsart (elektrisch, verbrennungsmotorisch) über
Kupplungen und Freiläufe automatisch erfolgt.
Eine weitere Möglichkeit stellen stufenlos verstellbare Getriebe (cvt:
continuous variable transmission) dar, die es ermöglichen den Verbrennungsmotor
weitgehend in optimalen Betriebsbereichen bei niedriger Drehzahl und hoher Last
zu betreiben.
Für eine leistungsverzweigende Antriebsstruktur eignen sich in erster Linie
Planentengetriebe und auch cvt-Getriebe .
Speicher
Ähnlich wie bei Elektrofahrzeugen ist auch bei Hybridfahrzeugen der
Energiespeicher von besonderer Bedeutung. Auswahlkriterien sind auch hier
Energiedichte, Leistungsdichte, zyklische Lebensdauer, energetischer
Wirkungsgrad, Selbstentladung, Umweltverträglichkeit, Kosten und Verfügbarkeit.
Hauptanforderung für den Einsatz in Hybridantrieben ist eine möglichst hohe
verfügbare Leistungsdichte, um mit einer möglichst kleinen und leichten
Batterie die hochdynamischen Entlade-/Ladevorgänge (insbesondere bei der
Bremsenergierückgewinnung) zu erreichen. Gleichzeitig muß die Batterie über
eine hinreichend große Energiedichte verfügen, um eine genügende emissionsfreie
Reichweite, sofern im Konzept vorgesehen, zu ermöglichen. Je nach Hybridkonzept
(parallel, seriell), geforderter emissionsfreier Reichweite (Anforderung an
Energieinhalt) und installierter elektrischer Leistung (Anforderung an
Leistungsdichte) eignen sich unterschiedlichste Systeme (Abb. 9).
Abb. 9
Den Forderungen nach hoher
Leistungsdichte bei gleichzeitig hohem
Energieinhalt kommen derzeit Nickel-
basierte Systeme wie z.B. Nickel-
Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-
Batterien am ehesten entgegen. Letztere
vermeiden das toxische Schwermetall
Cadmium und weisen bessere
Leistungsdaten auf.
Die Bleibatterie ist insbesondere aus
Gründen wie Kosten und Verfügbarkeit
weiterhin eine ernstzunehmende
Alternative. In bipolarer Ausführung
werden sehr hohe Leistungsdichten
erreicht.Hochtemperatursysteme wie z.B.
Natrium-Nickelchlorid-Batterien kommen,
wenn überhaupt, für serielle Konzepte
(z.B. Range Extender) in Frage, wobei
die im Vergleich zu NiCd oder NiMH
niedrigere Leistungsdichte zu
zwangsweise größeren Batteriesätzen
führt. Für Hybridsysteme, bei denen die
Batterie nicht ständig genutzt wird, ist
dieses System aufgrund der
Temperierungsverluste eher ungeeignet.
Lithium-Systeme (Li-Ion, Lithium-Polymer), die sich sowohl durch eine hohe
Leistungs- als auch Energiedichte auszeichnen, sind noch in der
Entwicklungsphase, prinzipiell jedoch auch für die Hybridanwendung geeignet.
Für die Lithium-Polymer Batterie, die ebenfalls temperiert werden muß
(Betriebstemperatur 80°C), ist die Eignung in gleicher Weise wie bei anderen
entsprechend verlustbehafteten Systemen eingeschränkt.
Als weitere Energiespeicher sind elektrische Schwungräder und
Superkondensatoren zu nennen, die sich primär für Anwendungen mit hohem
kurzzeitigen Leistungsbedarf eignen. Während sich letztere noch im
Entwicklungsstadium befinden, werden Schwungräder bereits mit Erfolg bei
Standardlinienbussen eingesetzt
[NEO96].
Betriebsstrategien
Die Betriebsstrategie eines Hybridantriebs beinhaltet die logische und
zeitliche Abfolge aller Betriebszustände, d.h. wann welche Komponente des
Antriebs wie betrieben wird.
Die prinzipiell unterschiedlichen Anordnungen der Energiewandler bei parallelen
und seriellen Hybriden ermöglichen entsprechend unterschiedliche
Betriebsstrategien.
Zunächst kann man zwischen den Betriebsmodi rein elektrisch, rein
verbrennungsmotorisch oder Hybridbetrieb (beide Antriebssystem aktiv) beim
parallelen Hybrid oder rein elektrisch bzw. Hybridbetrieb beim seriellen Hybrid
unterscheiden. Die Wahl zwischen diesen Betriebsarten liegt in der Regel im
Einflußbereich des Fahrers (Betriebsartenschalter).
Ziel aller Strategien im Hybridbetrieb ist es, durch die geeignete Kombination
der Betriebsweise der Einzelkomponenten den gesamten Antriebsstrang möglichst
verbrauchs- und emissionsoptimiert zu betreiben. Hieraus ergeben sich eine
große Anzahl an Lösungsmöglichkeiten, wobei die Menge der beeinflussenden
Parameter (z.B. Geräusch, Beschleunigung, begrenzte elektrische Leistung und
Energie, Batterieladezustand) auch zu einer Vielzahl an Zielkonflikten führt.
Einige Strategien sollen im folgenden anhand von Beispielen dargestellt werden.
Die Betriebsstrategien werden in erster Linie durch die Betriebsart des
Verbrennungsmotors bestimmt (Abb. 10).
Abb. 10
Hierbei kann man bezogen auf
Lastkollektiv und Leistungsabgabe der
Wärmekraftmaschine zunächst verschiedene
Arten unterscheiden. Prinzipiell beruht
die Betriebsoptimierung des
Verbrennungsmotors in Hybridantrieben
darauf, daß sich das Lastkollektiv
beeinflussen läßt (Vermeidung des
Teillastbereichs). Hierbei kann man zwei
Klassen unterscheiden. Zum einen sind
Strategien denkbar, bei denen der
Verbrennungsmotor dem aktuellen
Leistungsbedarf des Fahrzeugs folgt; zum
anderen besteht die Möglichkeit den
Verbrennungsmotor in Betriebspunkten zu
betreiben, in denen die abgegebene
Leistung deutlich vom momentanen
Leistungsbedarf des Fahrzeugs abweicht.
Entsprechend dieser Klassifikation lassen sich die unterschiedlichen
Antriebsstrangkonfigurationen zuweisen, die eine entsprechende Strategie unter
Last- und Leistungsvariation ermöglichen (Abb. 11).
Abb. 11
Bei konventionellen Antrieben läßt sich
das Lastkollektiv nur durch Veränderung
der Schaltpunkte variieren. Einen
zusätzlichen Freiheitsgrad bringt
allenfalls die Verwendung eines
stufenlosen Getriebes. Bei parallelen
Hybriden kann man zwar die Leistung des
Verbrennungsmotors unabhängig von der
Leistungsanforderung des Antriebs
verändern, jedoch liegt immer die
Drehzahl (bei Momentenaddition) oder das
Moment (bei Drehzahladdition) fest.
Serielle Hybride geben aufgrund der
vollständigen mechanischen Entkopplung
die größtmögliche Freiheit bezüglich der
Betriebsweise der
Verbrennungskraftmaschine. So lassen
sich die Bereiche, in denen der Motor
betrieben wird, in dessen Kennfeld frei
festlegen. Der Verbrennungsmotor kann
entweder dem aktuellen Leistungsbedarf
folgend, stationär, intermittierend oder
phlegmatisiert, d.h. mit beschränkter
Dynamik z.B. mit einem zeitlich
gemittelten Leistungsbedarf, betrieben
werden, wobei besonders emissions- oder
verbrauchsgünstige Betriebsbereiche oder
-kennlinien gewählt werden können.
Als Führungsgrößen für eine Betriebsstrategie bieten sich eine Vielzahl von
Parametern an. Im wesentlichen sind dieses der momentane oder über eine Periode
gemittelte Leistungsbedarf des Fahrzeugs, die Fahrzeuggeschwindigkeit, der
Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, Zeitkonstanten (z.B. min.
Zuschaltzeit des Verbrennungsmotors) und Betriebstemperaturen (z.B.
Katalysatortemperatur). In der Praxis kommen diese Einflußgrößen häufig
kombiniert zum Einsatz (mehrdimensionale Betriebsstrategiefelder).
Ziel der Betriebsstrategie eines seriellen Hybrids ist es einerseits den
Verbrennungsmotor möglichst dauerhaft in seinem Bestpunkt (Verbrauch,
Emissionen) zu betreiben, welches eine Ein- oder Mehrpunktstrategie bedeutet,
andererseits aber auch möglichst wenig Energie im elektrischen Speicher
zwischenzuspeichern, um die Wirkungsgradverluste gering zu halten. Keine
Energie muß theoretisch gespeichert werden, wenn man dem Leistungsbedarf
folgend den Verbrennungsmotor auf seiner Linie minimalen Kraftstoffverbrauchs
betreibt. Dieses bewirkt jedoch wiederum, daß der Motor nicht ständig in seinem
Bestpunkt arbeitet. Ausgehend von nur einer Einflußgröße (Leistungsbedarf)
zeigt dieses Beispiel die vielfältigen Zielkonflikte, die bei der Generierung
bzw. Implementierung einer Betriebsstrategie entstehen können.
Beispielhaft soll hier eine Strategie betrachtet werden, bei der der
Verbrennungsmotor dem Leistungsbedarf des Antriebs folgend soweit wie möglich
auf der Kennlinie des minimalen Kraftstoffverbrauchs betrieben wird (Abb. 12).
Das hieraus resultierende Lastkollektiv ist in Abb. 13 dem bei gleichem Zyklus
entstehenden Lastkollektiv des konventionellen Betriebs gegenübergestellt.
Abb. 12
Abb. 13
Beim Verbrennungsmotor lassen sich durch diese Betriebsstrategie sowohl
Kraftstoffreduktionen als auch bei den meisten Schadstoffen Vorteile
nachweisen. Aufgrund der hohen Betriebsanteile bei hoher Last entstehen sowohl
beim Ottomotor als auch insbesondere beim Dieselmotor Nachteile bei den
Stickoxidemissionen. In der Abb. 14 sind ausschließlich die Vor- und Nachteile
bei alleiniger Betrachtung des Verbrennungsmotors dargestellt. Verluste durch
die Energiewandlung mechanisch - elektrisch -mechanisch sind ebenso wenig
berücksichtigt wie ein Mehrverbrauch aufgrund eines höheren Fahrzeuggewichts.
Eine andere, mehrdimensionale Betriebsstrategie für einen seriellen Hybrid
zeigt die Abb. 15.
Abb. 14
Abb. 15
Hierbei sind Ein-Punkt-Betrieb und phlegmatisierter Betrieb des
Verbrennungsmotors in einer Strategie zusammengeführt. Den phlegmatisierten
Betrieb des Verbrennungsmotors zeigt Abb. 16 für einen Zyklusausschnitt.
Abb. 16
Man sieht deutlich wie die gemittelte
Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors
(Generatorausgangsleistung) dem
aktuellen Leistungsbedarf des Antriebs
(E-Motoreneingangsleistung) folgt. Ab
Sekunde 260 ist darüber hinaus im
Zustand der Rekuperation (Schwungrad
nimmt Bremsenergie auf) ein Ein-Punkt-
Betrieb erkennbar.
[GÖH97]
Bei parallelen Hybriden besteht die
Möglichkeit aufgrund des grundsätzlich
unterschiedlichen Kennfeldes von
Elektromotor und Verbrennungsmotor die
Komponenten so zu betreiben, daß
möglichst für jede Fahrsituation ein
Optimum hinsichtlich des
Primärenergiebedarfs gefunden wird.
Hierbei muß der Elektromotor möglichst
dann aktiv sein, wenn der
Verbrennungsmotor in einem
wirkungsgradungünstigeren
Teillastbereich arbeiten würde.
Die Überlagerung der Wirkungsgradkennfelder von Elektro- und Verbrennungsmotor
(Abb. 17) zeigt, daß sich beide Systeme hierbei hervorragend ergänzen.
Eine denkbare Strategie ist einen möglichst geringen Energiebedarf des
Gesamtsystems dadurch zu erreichen, daß das Fahrzeug unter stationären
Bedingungen nur von einem Motor angetrieben wird, wobei zusätzlich aus
Komfortgründen auf häufige Betriebswechsel verzichtet werden soll. In Abb. 18
ist hierzu der Primärenergiewirkungsgrad eines parallelen Hybridantriebs mit
automatischem 4-Gang-Getriebe für den stationären Betrieb über der
Geschwindigkeit aufgetragen.
Abb. 17
Abb. 18
Im 1. und 2. Gang ist aufgrund des schlechten Teillastwirkungsgrads der
Elektromotor im Vorteil, während im 3. und 4. Gang der Verbrennungsmotor
vorzuziehen ist. Hieraus läßt sich eine Betriebsstrategie ableiten, die in Abb.
19 dargestellt ist.
Abb. 19
Bei positiver Leistungsanforderung ist
die Leistungsaufteilung
geschwindigkeitsabhängig. Obwohl der
Verbrennungsmotor im 3. Gang bereits ab
30 km/h Wirkungsgradvorteile aufweist,
wird das Fahrzeug aufgrund des
schlechten Beschleunigungsvermögens
durch den Verbrennungsmotor in diesem
Betriebspunkt weiterhin bis zu einer
Geschwindigkeit von 65 km/h rein
elektrisch angetrieben, solange die
Anforderungsleistung 40 kW nicht
überschreitet. Erst bei Überschreiten
der 40 kW wird der Verbrennungsmotor als
Leistungsbooster automatisch
zugeschaltet und seine Leistung
drehmomentaddierend überlagert. Oberhalb
von 65 km/h wird automatisch vom
Elektro- auf den Verbrennungsmotor
umgeschaltet. Das Fahrzeug verhält sich
dann wie ein konventionelles Fahrzeug,
solange die Anforderungsleistung 50 kW
nicht überschreitet.
Über 50 kW Anforderungsleistung wird der Elektromotor hinzugeschaltet. Um ein
schnelles Entladen der Batterie zu vermeiden, wird die Elektromotorleistung ab
einer Geschwindigkeit von 120 km/h linear auf 0 kW bei 130 km/h reduziert. Beim
Übergang vom Elektro- zum Verbrennungsmotor und zurück ist eine Hysterese
integriert, die ein unkontrolliertes und häufiges Hin- und Herschalten zwischen
den Motoren verhindert. Während einer Bremsung wird möglichst die komplette
installierte elektrische Leistung für die Rekuperation genutzt. Die
unterschiedlichen Drehzahl-Drehmoment-Charakteristika der beiden Maschinen
werden durch unterschiedliche Schaltstrategien im Elektro-, Hybrid- und
Verbrennungsmotorbetrieb berücksichtigt.
[BUS94],
[BUC96]
Eine andere mögliche Betriebsstrategie zielt darauf ab, den Energiebedarf des
Fahrzeugs dadurch zu reduzieren, daß der Verbrennungsmotor unabhängig von der
Bedarfsleistung in einem Betriebspunkt hohen Wirkungsgrades arbeitet. Diese
Entkopplung der abgegebenen Motorleistung von den benötigten Fahrleistungen
wird durch den Elektromotor (Drehmoment) und das Getriebe (Drehzahl)
realisiert. Der Verbrennungsmotor arbeitet unter quasi-stationären
Leistungsanforderungen kontinuierlich auf einer vorgegebenen Leistungslinie.
Falls zum Einstellen eines günstigen Motorbetriebspunktes eine höhere Leistung
erforderlich ist, wird der Elektromotor als Generator betrieben. Die dann
erzeugte elektrische Energie wird in der Batterie gespeichert. Falls zur
Steigerung des Motorwirkungsgrades eine Reduktion der Verbrennungsmotorleistung
erforderlich ist, wird die Differenz zur Bedarfsleistung vom Elektromotor
erbracht. Abb. 20 zeigt einen Ausschnitt einer solchen (mehrdimensionalen)
Strategie, wobei der Verbrennungsmotor kontinuierlich betrieben wird.
Abb. 20
Unter 20 km/h wird rein
verbrennungsmotorisch gefahren, wobei
der Elektromotor als Booster
zugeschaltet werden kann. Zwischen 20
und 130 km/h wird der Verbrennungsmotor
auf einer Leistungslinie betrieben, die
bei der jeweiligen Geschwindigkeit unter
Berücksichtigung des
Antriebsstrangwirkungsgrades oberhalb
der stationären Bedarfsleistung liegt.
Die Leistungslinie ist so ausgelegt, daß
der Verbrennungsmotor in Verbindung mit
der Schaltstrategie des Getriebes bei
niedrigen spezifischen
Kraftstoffverbräuchen arbeitet. Bei
stationärem Fahren in der Ebene wird ein
Leistungsüberschuß durch den
Elektromotor zum Laden der Batterie
aufgenommen. Dadurch wird der
Verbrennungsmotor bei einem höheren
Wirkungsgrad betrieben. Bei
instationären Fahrsituationen oder
Steigungsfahrt wird die nach
Überschreiten der Leistungslinie des
Verbrennungsmotors benötigte
Zusatzleistung durch den Elektromotor
bereitgestellt.
Ist die maximale Leistung des Elektromotors erreicht, wird der zusätzliche
Leistungsbedarf durch den Verbrennungsmotor übernommen.
[BUS94]
Bei der Auslegung einer Betriebsstrategie (zweidimensional, mehrdimensional)
sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt, solange Fahrkomfort und
Beschleunigungsvermögen in akzeptablen Grenzen bleiben. Neben konventioneller
Logik können auch Fuzzy-Logik und neuronale Nezte eingesetzt werden
[BAU98].
Aktuelle Fahrzeugbeispiele
Neben den vielfältigen Forschungsaktivitäten aller Automobilhersteller auf dem
Gebiet der Hybridantriebe sind inzwischen zwei Systeme in Kleinserie verfügbar,
die im folgenden erläutert werden sollen.
Audi hat auf Basis des A4 Avant einen parallelen Hybridantrieb realisiert,
welcher auf dem deutschen Markt auf Leasingbasis (Basispreis: 60.000 DM) seit
Ende 1997 angeboten wird.
Toyota hat im Frühjahr 1997 ein Hybridsystem vorgestellt, welches seit Dezember
1997 in der Serienproduktion ist. Verkauft werden soll der mit dem THS (Toyota
Hybrid System) ausgestattete Toyota Prius für umgerechnet 17.000 US$ (ca.
30.000 DM) zunächst ausschließlich in Japan. Innerhalb des ersten Monats sind
3500 Bestellungen eingegangen, wobei ein Großteil dieser Bestellungen
sicherlich auf Wettbewerber oder Zulieferer fallen.
Der Audi DUO der 3.Generation [PAE97] ist ein paralleler Hybrid, bei dem sowohl
der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor auf die Vorderachse wirken
(Abb. 21).
Abb. 21
Als Motoren kommen ein 1.9 l
Vierzylinder-Turbodieselmotor mit
Direkteinspritzung (66 kW) und ein sehr
kompakter, speziell für die Anwendung im
Audi DUO entwickelter permanent-erregter
Synchronmotor (21/35 kW) zum Einsatz.
Der TDI-Motor ist hierbei über eine
konventionelle Einscheiben-
Trockenkupplung mit dem Fünfgang-
Schaltgetriebe verbunden. Der
Elektromotor ist über ein zusätzlich in
das Getriebe integriertes Vorgelege
direkt mit der Getriebeeingangswelle
verbunden. Die Bleibatterie mit 10 kWh
Energieinhalt sowie weitere
Elektronikkomponenten sind unterhalb der
Ladefläche anstelle der Reserveradmulde
untergebracht. Über einen
Betriebsartenschalter kann der Fahrer
die möglichen drei Modi Diesel-,
Elektro- oder Hybridbetrieb wählen. Im
reinen Elektrobetrieb sind 50 km
Reichweite möglich; die
Höchstgeschwindigkeit ist elektronisch
auf 80 km/h begrenzt.
Die Reichweite beim Dieselbetrieb beträgt mehr als 700 km, wobei eine
Höchstgeschwindigkeit von 170 km/h erreicht werden kann. Im Hybridbetrieb
erfolgt der Wechsel der Antriebsarten automatisch entsprechend den
Anforderungen des Fahrbetriebs. Hierbei sind die beiden Antriebsmaschinen
allerdings nur wechselweise im Einsatz.
Bei allen Betriebsarten ist der Fahrer ausschließlich für den mechanischen
Gangwechsel verantwortlich, die Kupplung wird über ein hydraulisches
Kupplungsmanagement automatisiert betätigt. Hierbei wird der Elektromotor
zusätzlich zur aktiven Getriebesynchronisation eingesetzt.
Das Toyota Hybrid System (THS) ist ein leistungsverzweigender paralleler
Hybridantrieb, bestehend aus einem 1,5 l, 4-Zyl., 43 kW leistungsstarken
Benzinmotor, der nach dem Atkinson/Miller-Prozeß arbeitet, einem 30 kW
permanent-erregten Elektromotor und einem 15 kW Generator (Abb. 22). Verbunden
sind diese drei Komponenten über ein Planetengetriebe, welches eine
Leistungsverzweigung vornimmt. Der Verbrennungsmotor ist hierbei mit dem Steg,
der Generator mit dem Sonnenrad und der Elektromotor einerseits mit dem Hohlrad
und andererseits über ein Kettengetriebe direkt mit dem Abtrieb des Systems
verbunden (Abb. 23).
Abb. 22
Abb. 23
Das Planetengetriebe verteilt in Abhängigkeit des Betriebszustandes des
Fahrzeugs die Leistung des Verbrennungsmotors zu den Rädern oder zum Generator.
Dieses ermöglicht, den Verbrennungsmotor möglichst immer auf einer
verbrauchsgünstigen Kennlinie zu betreiben. Durch die Verwendung des
Planetengetriebes und des Generators arbeitet das System wie ein elektronisch
geregeltes IVT und benötigt keine Kupplung. Die Drehzahlsteuerung des
Planetengetriebes und somit des Verbrennungsmotors erfolgt über die Regelung
der Generatordrehzahl. Der Generator liefert seine Energie entweder direkt zum
Elektromotor oder speichert diese in einer 44 kg schweren 1.8 kWh NiMH-Batterie
zwischen. Eine Ladung der Batterien über das Stromnetz ist nicht vorgesehen, da
die Betriebsstrategie die Batterie möglichst immer in einem bestimmten
Ladezustand hält. Der Hybridantrieb im Toyota Prius verfügt grundsätzlich nur
über einen Betriebsmodus, in dem die Regelung der Antriebsmaschinen automatisch
erfolgt. Ein rein elektrischer Betrieb ist bis auf den Anfahrvorgang bisher
nicht eingeplant. Die möglichen Betriebszustände sind in der Abb. 24
zusammengefaßt.
Abb. 24
Toyota gibt für den Prius einen
Kraftstoffverbrauch von 3.6 l im
japanischen 10-15-Zyklus an. Damit
verbunden ist eine Reduktion der CO2
Emission auf 50%, verglichen mit einem
konventionell angetriebenen Fahrzeug
gleicher Größe. Auch bei den CO und NOx
Emissionen werden deutliche Reduktion
(ca. 50%) zu einem Vergleichsfahrzeug
angegeben, wobei bei den HC Emissionen
durch das häufige Starten und Stoppen
des Verbrennungsmotors bisher keine
Verbesserungen erzielt werden konnten.
[SAS97]
Weitere Forschungsfahrzeuge sowohl mit seriellem als auch parallelem
Hybridantrieb sind in den Abb. 25 bis 28 dargestellt.
Abb. 25
Abb. 26
Abb. 27
Abb. 28
Zusammenfassung und Ausblick
Ziel von Hybridantrieben ist es alle in ihm enthaltenen Antriebskomponenten
aufeinander abgestimmt optimal zu betreiben, wobei im Vergleich zum alleinigen
Betrieb einer Einzelkomponente Verbesserungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch
und Emissionen erreicht werden können. Hierbei ist eine abgestimmte
Dimensionierung aller Komponenten von überaus wichtiger Bedeutung, um die
erreichten Kraftstoffverbrauchsvorteile nicht wieder durch Mehrgewicht zu
substituieren. Durch eine emissionsoptimierte, z.B. phlegmatisierte
Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine lassen sich ebenfalls Vorteile
gegenüber einem dynamischen (konventionellen) Betrieb erreichen. Als weitere
Vorteile ermöglichen Hybridfahrzeuge die Nutzung der Bremsenergie
(Rekuperation), eine begrenzte emissionsfreie Reichweite und eröffnen über die
Netzladung auch das Potential zur Nutzung regenerativer Energieträger.
Serielle Hybridantriebe können Vorteile bei den Emissionen, jedoch weniger bei
der Energieeinsparung erbringen. Gründe hierfür sind einerseits der von der
Raddrehzahl entkoppelte Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und die somit
gegebene Möglichkeit des Einsatzes kontinuierlicher Verbrennungsverfahren
(Gasturbine, Stirlingmotor); andererseits sind jedoch durch die mehrfache
Energiewandlung (thermisch-mechanisch-elektrisch-mechanisch) Einbußen beim
Wirkungsgrad zu erwarten.
Vorteilhaft beim parallelen Hybrid ist der vergleichbar geringere Bauaufwand,
teilweise weniger Gewicht und niedrigere Kosten, sowie hohe Wirkungsgrade
aufgrund der direkten mechanischen Ankopplung. Von Nachteil sind die geringen
elektrischen Fahrleistungen und Reichweiten.
Aufgrund der Komplexität des aufwendigen und auch infolge der Batterie teuren
Antriebs ist der Hybridantrieb unter heutigen Bedingungen noch nicht
konkurrenzfähig zu konventionellen Fahrzeugen. Der Hybridantrieb besitzt jedoch
von der Einsatzfähigkeit und Nutzbarkeit her - anders als Elektrofahrzeuge -
ein gleichwertiges Anwendungspotential wie konventionelle Fahrzeuge. Unter dem
Druck zunehmender Umweltprobleme und bei entsprechenden politischen und
gesetzgeberischen Randbedingungen hat der Hybridantrieb somit das Potential,
einen erwähnenswerten Marktanteil zu erreichen.
Literatur
[BAU98] BAUMANN, M. et. al.
Intelligente Steuerung für Hybridfahrzeuge - Entwicklung eines Antriebsstrangmanagements für einem Parallelhybrid unter Einsatz von neuronalen Netzen und Fuzzy Control
VDI-Berichte 1378, VDI-Tagung Batterie-, Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeuge,
17./18.02.1998, Dresden
[BUS94] BUSCHHAUS, W.
Entwicklung eines leistungsorientierten Hybridantriebs mit vollautomatischer Betriebsstrategie
Dissertation am Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen
Dezember 1994
[BUC96] BUSCH, R.
Entwicklung und Realisierung einer vollautomatischen Betriebsstrategie für einen leistungsorientierten Hybridantrieb
Dissertation am Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen
September 1996
[GÖH97] GÖHRING, M.
Betriebsstrategien für serielle Hybridantriebe
Dissertation am Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen
November 1997
[HAR93] HARBOLLA, B.
Entwicklung eines Bewertungsverfahrens zur Auswahl von Pkw-Hybridantrieben und Realisierung eines seriennahen Antriebskonzeptes
Dissertation am Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen, 1993
[HEL76] HELLING, J., BIERMANN, J.W. et.al.
Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge mit vorwiegend instationärer Betriebsweise
ika-Bericht Nr. 762/1
Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen, April 1976
[NEO96] NEOPLAN
Saubere Lösungen
Neoplan-Broschüre, September 1996
[PAE97] PAEFGEN, F.-J., LEHNA, M.
Der Audi duo - das erste serienmäßige Hybridfahrzeug
ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 99, Nr. 6, 1997
[SAS97] SASAKI, S. et. al.
Toyotas Newly Developed Electric-Gasoline Engine Hybrid Powertrain System
Toyota Motor Corporation
Electric Vehicle Symposium EVS-14, 11.-17.12.1997, Orlando, USA
[WAL98] WALLENTOWITZ, H. , BADY, R.
Chancen durch das Elektroauto
VDI-Berichte 1378, VDI-Tagung Batterie-, Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeuge, 17./18.02.1998, Dresden
