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Hybridantriebe: So funktioniert die Technik

Tags: Elektromobilität, Technologie, Hybrid
Hybridfahrzeuge können einen wichtigen Beitrag dazu leisten, Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken. Dazu kombinieren sie den Verbrennungsmotor mit einem Elektroantrieb. Dabei unterscheiden sich die Hybridkonzepte teilweise erheblich voneinander.
Martin Westerhoff, 07. November 2018
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Martin Westerhoff studierte Technikjournalismus und schreibt seitdem über Fahrzeuge und Technologien. Er hat ein Faible für Motorsport und Rennwagen.
Eines der wichtigsten Ziele der Fahrzeugentwicklung heute besteht darin, die Treibhausgasemissionen zu verringern. Schließlich geht es darum, den voranschreitenden Klimawandel zu bremsen. In Europa beispielsweise sollen Neuwagen nach einem Beschluss der EU-Staaten im Jahr 2030 mindestens 35 Prozent weniger CO₂ ausstoßen als noch 2020. Dieses sehr nahe Ziel ist weder mit rein batterieelektrischen Fahrzeugen aufgrund ihrer derzeit geringen Stückzahlen zu erreichen, noch allein mit optimierten Benzin- und Dieselmotoren. Die Lösung besteht darin, den Verbrennungsmotor und den Elektromotor in Form eines Hybridantriebs zu verbinden. Je größer dabei die Reichweite ist, die elektromotorisch gefahren werden kann, desto besser für die Umwelt.

Unterschiedliche Hybridkonzepte

Unterschiedliche Hybridkonzepte

Dabei ist Hybrid aber nicht gleich Hybrid. Je nach Anordnung und Aufgabenzuteilung von Verbrennungsmotor, Elektromaschine, Generator und Getriebe unterteilen Experten die Systeme in serielle, parallele und leistungsverzweigte Hybridantriebe. Innerhalb dieser Kategorien sind im Laufe der Jahre unterschiedliche Hybridkonzepte entstanden. Wer allerdings die aktuell in Serie umgesetzten Hybridarchitekturen betrachtet, erkennt einige Hauptentwicklungsrichtungen.

Serieller Hybrid: zwei Motoren, ein Antrieb

Ein serieller Hybridantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist. Dazu kommt eine Elektromaschine zum Antrieb der Räder. Der Verbrennungsmotor hat nur die Aufgabe, den Generator anzutreiben, der den Strom erzeugt. Mit diesem Strom treibt entweder ein Elektromotor mit Achsdifferenzial das Fahrzeug an, oder es sorgen zwei Fahrmotoren pro Achse ohne Differenzial für Vortrieb.
Hauptvorteile dieses Konzepts: Der Verbrennungsmotor kann unabhängig vom Fahrzustand laufen und die Batterie auch bei stehendem Fahrzeug laden. Auch erlaubt der serielle Hybrid rein elektrisches Fahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor durch die in der Batterie gespeicherte Energie. Bei aktuellen batterieelektrischen Fahrzeugen dient der Verbrenner auch als sogenannter Range-Extender, also als Reichweitenverlängerer. Er stellt sicher, dass das Fahrzeug nicht wegen einer leeren Batterie liegen bleibt.
Verbrennungsmotor und Antriebsräder sind nicht mechanisch gekoppelt. Der Verbrennungsmotor treibt einen Generator an. Dessen in einer Batterie zwischengespeicherte Energie fließt in einen Elektromotor, der die Räder antreibt.

Paralleler Hybrid: zwei Motoren, zwei Antriebe

Im Gegensatz zum seriellen Hybrid besteht beim Parallelhybrid eine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Rad. Der verbrennungsmotorische und der elektrische Antriebsstrang lassen sich flexibel im Kraftfluss schalten: Das Fahrzeug lässt sich dann entweder rein elektrisch, rein verbrennungsmotorisch oder in einer Mischform mit beiden Antrieben gleichzeitig betreiben. Beim parallelen Hybrid addieren sich die Leistungen von Elektro- und Verbrennungsmotor zu einer Gesamtleistung. Derartige Hybridantriebe benötigen neben dem Verbrennungs- und Elektromotor auch ein oder mehrere Getriebe, Kupplungen oder Freiläufe.
Je nach Leistungs- und Funktionsumfang unterscheiden Experten bei der Parallelhybridanordnung zwischen einem Mild- und einem Vollhybrid. Die einfachste und kostengünstigste Form der Hybridisierung ist der Mildhybrid, der als Starter-Generator in den Riementrieb des Verbrennungsmotors integriert oder direkt an die Kurbelwelle angeschlossen ist. Bereits mit einer vergleichsweise geringen Systemspannung von 48 Volt macht der Mildhybrid kraftstoffsparendes Rekuperieren von ansonsten ungenutzter Bremsenergie möglich. Dazu ermöglicht er die spritsparenden Start-Stopp- und Segelfunktionen, die den Verbrennungsmotor immer dann abschalten, wenn er nicht gebraucht wird. Nicht zuletzt unterstützt ein Mildhybrid den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen.
Mildhybrid, der als Starter-Generator in den Riementrieb des Verbrennungsmotors integriert oder direkt an die Kurbelwelle angeschlossen ist. Bereits mit der Systemspannung von 48 Volt macht der Mildhybrid kraftstoffsparendes Rekuperieren von ansonsten ungenutzter Bremsenergie möglich. Ebenfalls möglich: die spritsparende Start-Stopp- und Segelfunktion, die den Verbrennungsmotor immer dann abschalten, wenn er nicht gebraucht wird.

Beim erheblich leistungsfähigeren Vollhybridsystem ist die Elektromaschine für den Antrieb zumeist in das Fahrzeuggetriebe integriert. Die deutlich höhere Systemspannung von bis zu 600 Volt gestattet rein elektrisches Fahren auch für schwere Fahrzeuge wie SUV bei alltagstauglichen Fahrleistungen und das über längere Strecken.
Der Elektromotor sitzt platzsparend im Getriebegehäuse. Bei dieser Hybridvariante kann das Fahrzeug rein verbrennungsmotorisch fahren oder rein elektrisch. Beim sogenannten Boosten unterstützt die E-Maschine den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen. Beim Bremsen wird die E-Maschine zum Generator, der die Bremsenergie in elektrische Energie umwandelt und in der Batterie speichert.

Durch Hybridisierung zum Allradantrieb

Im Vergleich zu seriellen Hybriden benötigen parallele Vollhybridsysteme nur eine elektrische Maschine, die je nach Betriebszustand als Fahrmotor oder als Generator arbeitet. Die Leistungen von Verbrennungs- und Elektromotor lassen sich unabhängig voneinander skalieren, sodass die Systemkomponenten besser an das Fahrprofil angepasst werden können.
Derzeitige Fahrzeugkonzepte basieren in der Regel auf einem kostensparenden Baukastenkonzept. Dabei nutzen Pkw eine gemeinsame Plattform; mit unterschiedlichen Modulen lassen sich dann verschiedene Antriebskonzepte realisieren. Hier bietet das Parallelhybridkonzept den Vorteil großer Flexibilität. Beim getriebeseitigen Vollhybrid ist der komplette Hybridantrieb im Getriebegehäuse untergebracht, sodass sich die neue Technik relativ einfach mit wenigen Änderungen in den Antriebsstrang klassischer Heckantriebsfahrzeuge integrieren lässt.

Abhängig von der Fahrzeugplattform, dem verfügbaren Bauraum, den Kosten und dem gewünschten Funktionsumfang sind mithilfe der Parallelhybridarchitektur aber auch andere Systemkonfigurationen möglich. Statt der normalen, nicht angetriebenen Hinterachse lässt sich einfach eine Baueinheit aus Achse, Antriebswellen, Elektromotor und Steuerungselektronik montieren. Als Mehrwert bietet dieses Konzept zudem eine Allradfunktion, indem die Antriebssteuerung bei Bedarf den elektrischen Hinterradantrieb zum verbrennungsmotorischen Frontantrieb dazuschaltet.
Statt der normalen, nicht angetriebenen Hinterachse lässt sich einfach eine Baueinheit aus Achse, Antriebswellen, Elektromotor und Steuerungselektronik montieren. Als Mehrwert bietet dieses Konzept zudem eine Allradfunktion, indem die Antriebssteuerung bei Bedarf den elektrischen Hinterradantrieb zum verbrennungsmotorischen Frontantrieb dazuschaltet.

Plug-in-Hybrid: Parallelhybrid mit Steckdosenanschluss

Alle beschriebenen Varianten des Hybrids lassen sich als Plug-in-Hybrid konfigurieren. Dabei ist der Plug-in-Hybrid durch eine Batterie mit größerer Kapazität gekennzeichnet. Sie erlaubt das rein elektrische Fahren über längere Strecken. Das Besondere beim Plug-in-Hybrid ist, dass nicht nur Rekuperieren – etwa beim Bremsen – die Akkus füllt, sondern dass sich diese Fahrzeuge auch mit einem Stecker über das externe Stromnetz laden lassen. Je größer die Batterie, desto größer die Reichweite, die sich elektrisch zurücklegen lässt. Der Plug-in-Hybrid schlägt einerseits die Brücke zum rein batterieelektrischen Fahrzeug, bietet andererseits aber den Vorteil uneingeschränkter Langstreckenmobilität durch den Verbrennungsmotor.

Leistungsverzweigter Hybrid: drei Motoren an Bord

Eine Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid stellt der leistungsverzweigte Hybrid dar. Bei ihm ist die Leistung des Verbrennungsmotors in eine mechanische und in eine elektrische Komponente aufgeteilt. Herzstück heute üblicher Seriensysteme ist ein Planetengetriebe – neben dem Verbrennungsmotor und zwei Elektromaschinen. Eine der E-Maschinen fungiert als Motor, die andere als Generator. In diesem System überträgt der Verbrenner einen Teil seiner Leistung direkt an die Räder, während der Generator den Rest zeitgleich in elektrische Energie umwandelt. Eine Batterie speichert diese Energie und leitet sie bei Bedarf an den Elektromotor, der in den Kraftfluss der Räder integriert ist. Damit ist einerseits rein elektrisches Fahren möglich, andererseits lässt sich der Verbrennungsmotor in verbrauchsoptimalen Drehzahl- und Lastbereichen betreiben, da temporär nicht für den Antrieb benötigte Energie zwischengespeichert wird. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften eines Planetengetriebes sind die Leistungen von Verbrennungs- und Elektromotor bei dieser Hybridkonfiguration allerdings sehr genau aufeinander abzustimmen.

Elektrifizierung des Antriebs bald Standard

Elektrifizierung des Antriebs bald Standard

Der Einstieg in die Elektrifizierung des verbrennungsmotorischen Antriebs wird bei Fahrzeugen bis zur Mittelklasse vor allem der 48-Volt-Mildhybrid sein, während sich der Vollhybrid zunächst eher bei größeren Fahrzeugen etabliert. Der Plug-in-Hybrid vereint die Vorteile von Elektroantrieb und Verbrennungsmotor am besten und bietet dem Fahrzeugnutzer größtmögliche Flexibilität.
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