Hybrid-Antrieb der Zukunft

Bislang wurde die Hybridtechnik stets verwendet, um den Verbrennungsmotor zu unterstützen oder ihn in Szenarien besonders geringer Last, etwa beim Losrollen oder dem Gleiten, zu ersetzen. Die dafür entwickelten Konzepte waren stets mit einem konventionellen Antrieb über Motor und Getriebe auf die Räder konzipiert.

Mit dem Aufkommen von Start-Stopp-Systemen wurde der Grundstein für die Hybridisierung gelegt: Von diesem Zeitpunkt an musste die Starterbatterie regelmäßig nachgeladen werden, um den Verbrennungsmotor nach jedem Ampelstopp wieder anwerfen zu können. Doch ein reines Start-Stopp-System ist noch kein Hybridsystem. Zum Micro-Hybrid (mit 12-Volt-Technik) wird es dann, wenn es auch die Rekuperation beherrscht, sprich, die Lichtmaschine als elektrische Bremse genutzt werden kann, um besonders viel Energie zurückzugewinnen. Der Micro-Hybrid wird aber von den meisten Fahrzeughaltern und Werkstätten nicht als Hybrid-Fahrzeug betrachtet, da konventionelle Komponenten zur Verwendung kommen (12-V-Anlasser, 12-V-Lichtmaschine, EFB- oder AGM-Batterie).

Die nächste Stufe der Elektrifizierung ist der Mild-Hybrid. Hier kann von einem „ernsthaften“ Hybrid-System gesprochen werden, da die E-Maschine stark genug ist, um das Fahrzeug auch bewegen zu können. Merkmale für Mild-Hybride sind eine zusätzliche 48-Volt-Batterie, eine elektrische Leistung von 12 bis 18 kW und die Fähigkeit, rein elektrisch fahren zu können.

Zum Einsatz kommen Riemen-Startergeneratoren (englisch: Belt-Starter-Generator, kurz BSG) oder Integrierte Startergeneratoren am Schwungrad (Integrated Starter-Generator, kurz: ISG). Der Riemen-Startergenerator – wie sein Name schon verrät – wird am Riementrieb verbaut und ersetzt Anlasser und Lichtmaschine. Sein Großvater ist der seit 1935 von Bosch vertriebe Dynastarter, der Lichtmaschine und Starter in einem Gehäuse vereinte und ebenfalls per Riemen mit dem Motor verbunden war.

Ganz neu ist die Idee also nicht, jedoch lässt sie sich besonders einfach in die Motorräume vorhandener Fahrzeugmodelle integrieren und erfordert nur wenig Mehraufwand. Der moderne BSG verfügt über eine zusätzliche Spannrolle, um den Kraftschluss mit dem Riemen sicherzustellen. Über den Riemen treibt er auch die Nebenaggregate wie Servolenkung und Klimaanlage an, sodass der Verbrennungsmotor etwa beim Gleiten abgeschaltet werden kann, ohne auf die Servolenkung oder die Klimatisierung verzichten zu müssen.

Der integrierte Startergenerator ist eine an Stelle des Schwungrades oder im Getriebe verbaute E-Maschine. Da die Leistung direkt auf die Kurbelwelle übertragen wird, entfallen die Verluste des Riementriebs. Der ISG arbeitet daher effizienter und kann mehr Leistung übertragen. Auch ist er weniger wartungsanfällig, da der BSG stark auf einen guten Zustand des Keilrippenriemens angewiesen ist.

Durch die Integration in der Kupplungsglocke oder des Getriebes ist der Aufwand der Integration höher, daher ist der ISG auch teurer. Da der ISG nur über die Kurbelwelle die Nebenaggregate antreiben kann, wird der ISG vorwiegend bei riemenlosen Motoren verwendet, die auf elektrische Kühlmittelpumpen und Servolenkungen setzen, sodass die Nebenaggregate unabhängig vom Kurbeltrieb verwendet werden können.

Der Plug-in-Hybrid (auch Vollhybrid genannt) Kann die 48-V-Batterie des Fahrzeugs auch extern mit Strom versorgt werden, spricht man von einem Plug-in-Hybrid oder einem Vollhybrid. Wichtigstes Merkmal gegenüber einem Mild-Hybrid ist die externe Lademöglichkeit und die größere Batteriekapazität, die rein elektrische Fahrstrecken von 20 bis 70 Kilometern ermöglicht.

Gegenüber der herkömmlichen Anordnung, werden die Hybridsysteme der Zukunft den Verbrennungsmotor ausschließlich zum Betrieb eines Generators betreiben. Statt einen konventionellen Antrieb mit einem E-Motor zu versehen, wird ein E-Antrieb mit einem Generator für mehr Reichweite ergänzt. So soll der neue Vierzylindermotor, den Mercedes und der chinesische Investor Geely gemeinsam entwickeln (wir berichteten), genau für diese Anwendung konzipiert werden, jedoch für andere Länder außerhalb Europas auch in konventioneller Konfiguration zum Einsatz kommen.

Der größte Vorteil der Trennung von Verbrennungsmotor und Antrieb ist der Betrieb des Verbrenners im thermodynamischen Bestpunkt. Als „Rangeextender“ oder Generator muss nicht wie bislang ein großes Drehzahlband abgedeckt werden, sondern der Motor kann permanent mit einer nahezu konstanten Drehzahl betrieben werden. Dies ermöglicht einen deutlich effizienteren Betrieb, da Verbrenner nur bei hoher Last (und damit meist hoher Drehzahl) die angegebenen Wirkungsgrade erreicht. So haben Verbrenner ihre maximale Leistung typischerweise bei 5.500 Umdrehungen pro Minute (Standard-Benziner) beziehungsweise 4.000 Umdrehungen pro Minute (Standard-Diesel). Das sind Drehzahlwerte, die der Durchschnittsfahrer außer bei einem Kickdown ohnehin nie erreicht.

Auch die Anforderungen an das Geräuschlevel und das Emissionsverhalten lassen sich bei einem fixen Betriebspunkt deutlich besser beherrschen als in der bisherigen Konfiguration. So kann die Abgasanlage und das Schwingungsverhalten sämtlicher Bauteile auf die Soll-Drehzahl optimiert werden. Gleiches gilt für die Abgasnachbehandlung, die dank Konstantdrehzahl schnell ihre Betriebstemperatur erreicht und Verrußung durch Kurzstreckenbetrieb nicht kennt.

Damit ein Hybrid mit Generator/Rangeextender funktionieren kann, braucht auch er eine Batterie zur Zwischenspeicherung der Energie. Dies ist notwendig, damit die E-Maschine bei kurzfristiger Beschleunigung mehr Energie anfordern kann, als der optimierte Generator als Dauerleistung liefert. Andererseits muss so der Generator auch nur dann arbeiten, wenn die Batterie beinahe leer ist, sodass das Fahrzeug als Plug-in-Hybrid auch fast ausschließlich elektrisch betrieben werden kann.

Auch wenn der hybride Antriebsstrang komplexer ist als eine rein elektrische Fahrzeugarchitektur, so bietet das Konzept für Hersteller und Nutzer gewisse Vorteile: Die verbaute Hochvoltbatterie kann deutlich kleiner ausfallen als bei einem reinen E-Fahrzeug, was viel Gewicht und Kosten spart. Gleichzeitig genügen sehr kleine Verbrennungsmotoren zum Betrieb eines Generators, was diese Einheit kompakt werden lässt. Mazda zeigte beim Motorenkongress 2022 eine Beispielrechnung, nach der der Betrieb eines solchen Hybriden nach WLTP-Test sogar effizienter sein kann, als der Betrieb eines reinen E-Fahrzeugs (englisch: Battery elektric Vehicle, kurz BEV).

Für den Nutzer bietet der Hybrid die Möglichkeit, auch in Gegenden nutzbar zu sein, in denen der rein elektrische Betrieb eines Fahrzeugs (noch) nicht sinnvoll ist oder dauerhaft viel Energie benötigt wird, etwa im Anhänger/Caravanbetrieb. Auch in Fahrzeugen, die eine als Einsatzfahrzeuge eine hohe Einsatzbereitschaft voraussetzen, kann dieses Konzept eine Lücke schließen.