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  Hybridantrieb



Aufgabe

Den Hybridantrieb gibt es schon sehr lange, allerdings nicht zum Kraftstoff sparen, sondern um Rennen (1919) zu gewinnen. Das lag zu dieser Zeit an der Konkurrenz zwischen schon starken Elektro- und noch schwachen Verbrennungsmotoren. Heute stehen Umweltbelastung und Energieeinsparung im Vordergrund. Diese hängen natürlich hauptsächlich vom Stadtverkehrsanteil und von der Anzahl der Bremsvorgänge ab. Erheblich ist dann auch die Minderung von Emissionen, besonders z.B. im Stau. Der Hybrid scheint in USA und Asien zu boomen. Manche Städte lassen nur noch Hybridfahrzeuge ohne Bezahlung herein. Eine bessere Lösung auch für längere Strecken wäre wohl die Brennstoffzelle, aber das wird noch etwas dauern.

Besonders sinnvoll wäre die Kombination mit einem Dieselmotor, doch ist er ausgerechnet in den Ländern am wenigsten akzeptiert, die dem Hybrid am meisten zugeneigt sind. Es ist wohl eine Kostenfrage, den teuren Diesel mit dem ebenfalls aufpreispflichtigen Hybrid zu kombinieren. In diesen Ländern ist der Neuwagenpreis meist härter umkämpft. Vielleicht ändert sich das bei noch höheren Rohölpreisen.

Funktion

Von Hybridantrieb spricht man, wenn neben dem herkömmlichen Fahrzeugmotor noch ein zweiter - möglichst auf einer anderen Energieform basierender Motor ganz oder teilweise mit antreibt. Eingriff in den Antriebstrakt:
- Ähnlich wie der Generator, z.B. über Riementrieb,
- Er wird zwischen Motor und Getriebe (Bild 2,3) platziert,
- Planetengetriebe mit stufenloser Umschaltmöglichkeit.

Erste Stufe ist ein milder Hybrid, der zwar die Energie beim Bremsen in der Batterie speichern und genug Leistung zum Anfahren auf Strom hat (weiter entwickelte Start-Stopp-Automatik). Er kommt mit vergleichsweise wenig Aufwand, Mehrgewicht und Kosten aus, aber seine Ersparnis übersteigt im Stadtverkehr nicht die 10%-Marge.

Er kann fast stufenlos zum Vollhybrid weiterentwickelt werden, wenn er z.B. in Staus den Verbrennungsmotor ausgeschaltet lässt. Auch mit kleinerer Batterie kann er bei Beschleunigungsvorgängen zugeschaltet werden und damit den Einbau eines kleineren und damit energiesparenderen Motors ermöglichen. Der Begriff 'Overboost' meint die kurzzeitige Erhöhung der Leistung oder (noch besser) des Drehmoments über das gegebene Maß hinaus. Das ist in viel stärkerem Maß bei Elektromotoren möglich. Bis zum Fünffachen kann dieser z.B. für einen Beschleunigungsvorgang über sich hinauswachsen.

Damit würde der Elektromotor nicht mehr vom Verbrennungsmotor getrennt, diesen quasi optimieren. So ist durch geschickte Impulsgebung ein Eingriff in die Laufkultur des Motors möglich, was Ausgleichswellen und evtl. schwere Schwungräder einsparen könnte. Vielleicht wird damit aus dem rauen Dreizylinder vom Klang her ein kultivierter Sechszylinder.

Der Vollhybrid hat eine wesentlich stärkere Batterie und erlaubt das Fahren ohne Motor. Mit dem Toyota Prius der zweiten Generation geht das nur in Tempo-30-Zonen. Später könnte mit dem Elektroantrieb evtl. sogar eine Stadt durchquert werden. Das Problem ist neben den Kosten die Batterie. Im Prius arbeitet sie auf Nickel-Metallhydrid-Basis und ermöglicht bei akzeptablem Gewicht eine Garantie von 8 Jahren oder 160.000 km.

Allerdings ist sie so gesteuert, dass ihre Kapazität nie ganz ausgenutzt wird, deshalb ist vermutlich auch kein E-Betrieb mit Tempo 50 möglich. Für den zukünftigen Fahrbetrieb müsste bei gleichem oder geringerem Gewicht mehr elektrische Energie speicher- und nutzbar sein. Vielleicht bietet die Lithium-Ionen-Batterie hier eine Alternative.
Wie aber wird von einer in die andere Betriebsart umgeschaltet. Eine Möglichkeit ist hier dargestellt. Man muss sich offensichtlich große Mühe geben, damit diese Umschaltung vom Innenraum aus nicht bemerkt wird. Es zeichnen sich wohl zwei Methoden ab. Entweder besteht eine permanente Verbindung und der Motor dreht ohne oder mit geringerer Verdichtung (Prius) mit, oder die Zu-/Abschaltung erfolgt über eine zweite Kupplung. Dieses System vertraut auf Fortschritte in der elektronischen Regelung von Reibungskupplungen.

Möglichkeiten

Nicht nur der Verbrennungsmotor kann verkleinert werden, auch auf der Getriebeseite sind Einsparungen möglich. Beim Prius existiert praktisch nur eine mögliche Zahnradverbindung. Besonders der Rückwärtsgang scheint entbehrlich. Ist der Elektromotor stark genug, dem Verbrennungsmotor eine gewisse Zeit beizustehen, so sind im Normalgetriebe längere Übersetzungen möglich.

Es gibt auch kostensparendere Möglichkeiten des Umbaus auf Hybridantrieb. Eine fast unversehrte Antriebseinheit ist möglich, wenn der Elektromotor über dem Getriebe angeordnet wird und am Ende der Getriebeeingangswelle in das Geschehen eingreift. Für diesen Fall braucht sich an der kompletten Motorenpalette nichts zu ändern. Und bei ausgerückter Normalkupplung wäre auch reiner E-Betrieb möglich.

Serienkomponenten wären auch bei E-Antrieb über die bisher nicht angetriebene Achse möglich. Das wäre dann eine Kombination von Hybrid- und Allradantrieb. Dieses Prinzip wird beim derzeit stärksten Lkw der Welt angewandt. Ein Dieselmotor erzeugt Strom und vier elektrische Radmotoren sorgen für die Fortbewegung.
Eines ist jedenfalls all diesen Systemen gemein: Man sammelt bei Überlandfahrten elektrische Energie, die man in emissions- und verbrauchsträchtigen Situationen zusammen mit oder ohne Verbrennungsmotor einsetzt. Zusätzlich kann man den leistungsstarken Verbrennungsmotor mit dem drehmomentstarken E-Motor in bestimmten Betriebsbereichen kombinieren.

Ausblick

Bei der Entwicklung von Fahrzeugen und besonders beim Kauf steht noch zu sehr die Leistung des Motors und nicht dessen Drehmomentverlauf im Vordergrund. Dabei ist doch die maximale Leistung im Alltag nur selten nötig. Moderne Fahrzeuge mit günstigem Luftwiderstandsbeiwert brauchen nur ca. 30 kW für 120 km/h auf ebener Autobahn. Wenn die höhere Leistung nur zeitlich begrenzt und nicht dauerhaft eingesetzt wird, hat der Hybridantrieb mit zunehmendem Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung und -speicherung eine Zukunft. Hier sind kleine Triebwerke mit Aufladung denkbar, deren Drehmomentschwäche im unteren Bereich durch zusätzlichen Elektroantrieb verbessert wird. Der Hybridantrieb muss auch im Überlandverkehr attraktiv werden.

Wichtig

Durch gezielte Fördermaßnahmen der japanischen Regierung und drohende Abgasbestimmungen z.B. in Kalifornien gibt es (2004) mehrere serienmäßige Fahrzeuge mit Hybridantrieb, sogar schon in der zweiten Generation. 06/14



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