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Hybridtechnik

Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung. Im PKW-Bereich kennt man unterschiedliche Hybrid-Typen, z.B. die Verwendung verschiedener Brennstoffe (Benzin, Erdgas, Biogas,...), die Kombination von Brennstoffzellenantrieb und Elektroantrieb oder die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem oder mehreren Elektromotoren. Auf letzteren soll im Folgenden eingegangen werden.

Hybrid Verbrennungsmotor - Elektromotor(en)

Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb in einem sehr günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Batterieladung verwendet. Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden. Die Verkleinerung des Verbrennungsmotors kompensiert dabei zum Teil auch das zusätzliche Gewicht der Hybrid-Aggregate. Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt. Insbesondere im Stadtverkehr und bei bergabwärts Fahrten trägt die Rückgewinnung zur Verbrauchsminderung bei. Wird keine Antriebsleistung benötigt, wird auch der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Dies ist im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei voll geladener Batterie der Fall. Auf einen konventionellen Anlasser kann verzichtet werden, wenn der Elektromotor diese Funktion übernimmt.

Ein Verbrennungsmotor liefert in einem bestimmten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Der Elektomotor dagegen stellt schon beim Anfahren das maximale Drehmoment zur Verfügung, und lässt bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug um etwa 10–20 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten).

Der günstigere Betriebsbereich des Verbrennungmotors führt zu geringeren Emissionen. Dies gilt sowohl für toxische Emissionen (CO, CHx, NOx, Partikel), als auch für das Treibhausgas CO2, als eine unmittelbare Folge des geringeren Kraftstoffverbrauchs.

Hybrid-Kategorien

Es gibt im Wesentlichen 2 Einteilungsmöglichkeiten von Hybridantrieben, zum einen nach den realisierbaren Funktionen und zum anderen nach dem Aufbau des Antriebsstranges.

Entsprechend der realisierten Funktionen im Fahrzeug unterscheidet man zwischen dem Voll-, Mild- (oder auch Halb-), Mini- und Micro-Hybrid-Antrieb.

Treibstoff sparen ohne große Investitionen – das ist das Motto des Mikro-Hybrid. Er ist vor allem auf Start-Stop-Situationen ausgerichtet. Citroen will einen 2 kW-Generator demnächst in den C3 einbauen.

Beim Mild-Hybrid sind die Rekuperation durch Bremsen (Energierückgewinnung) und das Boosten, also die Unterstützung des Verbrennungsmotors durch die E-Maschine, möglich. Vorzeigeanwendung sind die Honda IMA Modelle oder die S-Klasse-Showcars mit Benzin- oder Dieselmotoren. Eine Kraftstoffeinsparung von 20 Prozent und mehr gegenüber dem vergleichbaren Vorg.ngermodell verspricht das Unternehmen.

Und schließlich der Voll-Hybrid, dem es vorbehalten bleibt, zeitweilig auch rein elektrisch zu fahren. Nur Toyota und Lexus bieten dieses System in Serie an.

Funktion Voll-
Hybrid
Mild-
Hybrid
Mini-
Hybrid
Micro-
Hybrid
Starten/Ausschalten x x x x
Energierückgewinnung x x
x
Passive Verstärkung x x
x
Aktive Verstärkung (Booster) x x

Elektroantrieb x


Zusätzliche Funktionen


x
Eigenschaft



Leistung Elektromotor > 20 kW
4-20 kW 2-10 kW
Spannung 100-650 V
> 42 V 14-42 V

Nach der Auslegung des Antriebsstranges wird in seriellen und parallelen und in den sogenannten leistungsverzweigten Hybrid-Antrieb unterschieden.

Serieller Hybrid-Antrieb

Kennzeichen serieller Hybridantriebe ist die "Reihenschaltung" der Energiewandler ohne mechanische Anbindung des Verbrennungsmotors an die Antriebsräder. 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 Radnabenmotoren. Die Dimensionierung der Generatoreinheit und des Speichers richtet sich nach der Betriebs- und Ladestrategie, einer eventuell gewünschten Netzunabhängigkeit (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 Fahrantriebes 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 parallel Hybridantriebe realisiert wurden, da keine Elektromotoren mit entsprechen hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad verfügbar waren. 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 verhindern.

Paralleler Hybrid-Antrieb

Beim parallelen Hybrid-Antrieb sind Verbrennungsmotor und Elektromotor mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt. 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 zueinander stehen. 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 Übersetzung 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, Verbrennungsmotor 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.
Honda und die Allianz von VW, Audi und Porsche arbeiten an einem Parallelhybrid.

Leistungsverzweigter Hybridantrieb

Der leistungsverzweigte Hybridantrieb ist die aufwändigste Variante. Die Leistung des Verbrennungsmotors wird aufgesplittet in einen mechanischen und einen elektrischen Zweig. Im elektrischen Fahrmotor wird sie wieder zusammengeführt. Ein E-Motor treibt die Vorderachse, der zweite die Hinterachse an. Als Weiche zur Steuerung des Zusammenspiels von Verbrennungsmotor und E-Motoren dient ein Planetengetriebe. Ein zentrales Steuergerät befehligt die komplizierte Technik. Diese Technik wird derzeit von Toyota/Lexus und der Allianz von GM/DaimlerChrysler und BMW verfolgt.


Quellen


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
http://www.ika.rwth-aachen.de/forschung/veroeffentlichung/1998/26.-27.03/


Energiespeicher für das Auto
http://www.elektroniknet.de/topics/bauelemente/fachthemen/2006/0013/

Wikipedia - Hybridantrieb
http://de.wikipedia.org/wiki/Hybridantrieb

ZF Antriebs- und Fahrwerkstechnik
http://www.zf.com/defaultz.asp?id=1047&lang=2


Weitere Informationen

IAA 2005
WDR Q21 Was ist dran an hybrid?
Forschungsprojekt "Faszination Hybrid"

Prius+

Honda Insight Fanclub

Publiziert am: Freitag, 22. Dezember 2006 (19061 mal gelesen)
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