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Hybridtechnik
- Verbrennungsmotor und Elektromotoren
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Hybridtechnik

Artikel: Perm Hybridnachrüstsatz, Hybridfahrzeuge

Bearbeiteter Teil eines Artikels aus Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Hybridauto

Ich habe nur den Teil der Hybridtechnik, die Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren kombinieren eingestellt. Der Grund ist, dass nicht elektrische Dinge hier etwas fehl am Platz sind. Auch ist es so, dass die Hybridtechnik die reinen Elektrofahrzeuge vorwärtsbringen wird. Der Wehrmutstropfen bei Hybrid-PKWs: Die meisten heutigen PKWs sind zu gross und schweer, als dass unsere Welt bei heutigen Technik eine weiter wachsende Zahl so grosser Fahrzeuge verkraften kann, egal wie angetrieben. Denn die Gewinnung so grosser Energiemengen, egal ob fossil oder angeblich umweltfreundlich ist ohne Schäden am Klima, am Regenwald (Treibstoffpflanzenanbau) oder der Versorgung von Menschen mit Nahrung nicht möglich.

Verbrennungsmotor und Elektromotoren

Je nach Konfiguration kann entweder die Verbrennungskraftmaschine nur den elektrischen Energiespeicher laden (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit dem Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb) oder beides, wobei dann zusätzlich eine weitere elektrische Maschine notwendig ist (leistungsverzweigter Hybridantrieb).

Funktion des Verbrennungs-/Elektroantriebs

Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb in einem sehr günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Batterieladung verwendet (Phlegmatisierung). Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden („Downsizing“). Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt (Rekuperation). 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 Elektromotor 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). Die Fahrzeuge haben durch einen leistungsärmeren Verbrennungsmotor, der jetzt ja nicht mehr für alle Fahrzustände dimensioniert werden muss, häufig eine etwas geringere Höchstgeschwindigkeit. Dieser Fahrzustand (schnelle Autobahnfahrt) ist die einzige Situation, bei dem über lange Zeit eine hohe Motorleistung benötigt wird, die nur vom Verbrennungsmotor bereitgestellt werden kann. In dieser Betriebsphase wirken die Hybrid-Mechanismen nicht mit der gleichen Wirksamkeit, wie z.B. im Stadtverkehr, führen aber auch hier, unter Berücksichtigung des Streckenprofils, zu Verbrauchseinsparungen. Das Beschleunigungsverhalten, für das beide Motoren verantwortlich sind, ist davon nicht betroffen. Der Hybridantrieb ermöglicht es, den Verbrennungsmotor unter wesentlich günstigeren Bedingungen zu betreiben (z.B. in optimalen Drehzahlbereichen), weil der Elektromotor die für den Verbrennungsmotor ungünstigen Betriebsbereiche abfedern kann. Ein derart optimierter Verbrennungsmotor wäre als einziger Fahrzeugantrieb nicht geeignet. Toyota betreibt z.B. den Verbrennungsmotor im Atkinson-Zyklus, Honda realisiert eine Zylinderabschaltung.

Entwicklungsgeschichte des Verbrennungs-/Elektroantriebs

Bereits Ferdinand Porsche meldete 1896 ein Patent für elektrische Radnabenmotoren an und baute mit dem Wiener Fahrzeugbauer Jacob Lohner den „Mixte“-Hybridantrieb, einen benzinmotorangetriebenen Dynamo, welcher Strom für die Batterie liefert, die Radnabenmotoren ersparen Getriebe und Kraftübertragung.
Studien für Elektro-Hybridfahrzeuge lassen sich bis in das Jahr 1972 zurückverfolgen als der Amerikaner Victor Wouk einen Buick Skylark, der von General Motors zur Verfügung gestellt wurde, zu einem Hybridfahrzeug umrüstete. Grund war das 1970 ins Leben gerufene Federal Clean Car Incentive Program, das jedoch 1976 durch die Umweltschutzbehörde der USA gestoppt wurde.
Toyota baut 1977 einen Toyota Sports 800 auf Gasturbinen- und Elektrohybridantrieb um.
Mercedes-Benz zeigt 1982 einen ersten Hybrid-Prototypen. Seitdem wurden zahlreiche weitere Prototypen gefertigt, ohne dass es bis jetzt zu einer Serienfertigung kam.
Erster gewerblicher Anbieter von Hybridfahrzeugen war Audi mit dem Audi 80 duo im Jahre 1994. Dieses Modell war jedoch so teuer, dass es praktisch unverkäuflich war. 1997 folgte der Audi A4 duo mit 66 kW TDI- und 21 kW Elektromotor, von dem 90 Exemplare gefertigt wurden. Der Verkaufspreis lag bei 60.000 DM. Audi zog aus der geringen Resonanz den Schluss, dass ein Markt für Hybridantriebe nicht vorhanden sei, und konzentrierte sich auf die Diesel-Direkteinspritzertechnik.
Der Toyota Prius wird seit 1997 serienmäßig hergestellt und ist mittlerweile in der zweiten Generation erhältlich. Er besitzt einen Benzin- und einen Elektromotor, die über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt sind. Betriebszustände, in denen der Verbrennungsmotor nur geringen Wirkungsgrad aufweist (Anfahren, Stadtverkehr) werden vom Elektromotor mit seinem sehr viel höheren Wirkungsgrad übernommen. Bei Bedarf kann der Verbrennungsmotor auch komplett abgeschaltet werden. Bei Fahrt mit gleich bleibender Last (Marschbetrieb) treibt allein der Benzinmotor den Prius an, während die Batterie (Nickel-Metallhydrid-Akku) gleichzeitig vom Benzinmotor via Generator geladen wird. Bei stärkerer Last wird der Prius von beiden Motoren gemeinsam angetrieben. Im Motorbremsbetrieb kann Energie rekuperiert werden. Die Energieeinsparung beim Prius gegenüber Benzinern der gleichen Fahrzeugklasse beträgt gemäß Werksangaben rund 30 % (laut Webseite 40 % (Stand August 2005) für das aktuelle Modell). Der Prius ist das Hybridfahrzeug, das dieser Antriebsart den Durchbruch ermöglichte. Eine Version mit Nachlademöglichkeit am Stromnetz und größerer elektrischer Reichweite existiert als Prototyp.
Der Toyota Highlander ist der erste SUV mit Hybridantrieb. Er besitzt, anders als der Prius, neben dem Benzinmotor bereits zwei Elektromotoren, je einen auf der Vorder- und auf der Hinterachse. Produziert wird das Fahrzeug bereits seit Ende der 1990er, jedoch nur für den japanischen und den amerikanischen Markt. Es wird jedoch vereinzelt auch in Europa gefahren, als Privatimport aus den USA. Ab 2006 wird der Highlander bereits in der zweiten Generation gefertigt. Die Gesamtleistung des Modells 2006 beträgt über 400 PS/4500-5600 U/min (Benzinmotor 155 kW/208 PS; Elektromotor vorne 123 kW/167 PS; Elektromotor hinten 50 kW/68 PS). Die Beschleunigung von 0-100 km/h beträgt 7,2 Sekunden, und seine Fahrleistungen entsprechen denen eines antriebsstarken 12-Zylinder-Geländewagens.
Mit dem Civic IMA bietet Honda eine viertürige Limousine mit Hybridantrieb an. Der Wagen ist mit einem 61 kW-Benzinmotor ausgestattet, der von einem 6,5 kW-Elektromotor unterstützt wird. Der kombinierte Verbrauch ist mit 4,9 Litern pro 100 km angegeben. Die neue Civic-Generation (Stufenheckversion mit Hybridantrieb ab März 2006) soll mit einer neuen IMA-Version angeboten werden. Seit 1999 ist auch der Honda Insight als Elektro-Hybridfahrzeug erhältlich.
Ford bietet den in Europa als Maverick bekannten Geländewagen in den USA in einer Version als Ford Escape Hybrid an. Der Escape Hybrid verwendet eine von Ford weiterentwickelte Version des THS-I aus dem ersten Toyota Prius. Der Bauraum für die Hybrid-Bauteile wurde schon bei der Entwicklung und Konstruktion mit einbezogen. Der Allradantrieb des Escape wird konventionell über eine Kardanwelle realisiert.
Die zum Ford-Konzern gehörende Firma Mercury bietet ab Frühjahr 2006 einen Geländewagen mit Hybridantrieb an. Angetrieben wird das Allradfahrzeug von einem 2,3 l Benzinmotor mit Atkinson-Zyklus und einem 70-kW-Permanentmagnet-Elektromotor.
Seit April 2005 bietet Lexus in den USA ein Oberklasse-SUV mit Hybridantrieb an. Markteinführung in Europa war Juni 2005. Der RX 400h wird von einem V6-3,3-Liter-Otto-Motor (155 kW) plus Generator und einem Elektromotor (123 kW) an der Vorder- und einem Elektromotor (49 kW) an der Hinterachse angetrieben (elektrischer Allradantrieb). Die Gesamtleistung des Hybridsystems wird mit 200 kW angegeben (die Motorenleistungen können nicht addiert werden, da die Batterie nur begrenzte Leistung abgeben kann). Der Antrieb basiert auf dem bereits verfügbaren Hybridantriebsstrang des Toyota Prius THS II. Das Fahrzeug kommt damit auf ein Systemdrehmoment von über 700 Nm bezüglich der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Der Verbrauch bleibt bei moderater Fahrweise unter 10 Liter pro 100 km. Zusätzlich wurden die Elektromotoren mit dem ESP-System gekoppelt. Sie erlauben einen ca. zehnmal schnelleren Eingriff in die Fahrsituationsstabilisierung als ein ABS/ESP-System mit herkömmlichem Hydraulikaggregat.
PSA Peugeot Citroen hat einen serienreifen Diesel/Elektro-Hybrid-Antrieb als Demonstrationsmodell entwickelt, welcher in einem Serien-Peugeot 307 und im Citroen C4 derzeit getestet wird. 2010 soll der Antrieb im Peugeot 308 erstmals auf den Markt kommen. Das Antriebssystem unterscheidet sich, abgesehen vom Kraftstoff, von Hybriden wie dem Prius und dem Lexus RX 400 h hauptsächlich dadurch, dass der Elektromotor nicht auf einer Achse sitzt, sondern auf einem neu entwickelten Antriebsstrang zwischen Motor und Getriebe gekoppelt ist. Dadurch wird gegenüber Prius und Lexus wesentlich an Technik eingespart, was wiederum weniger Leistung verbraucht. Der Dieselmotor hat 66 kW (90 PS), der Elektromotor hat eine Dauerleistung von 16 kW bei einem Drehmoment von 80 Nm und einer Spitzenleistung von 23 kW bei einem Drehmoment von 130 Nm. Der Verbrauch soll sich auf 3,4 Liter auf 100 Kilometer belaufen. Die Fahrleistung soll einem 110 PS Diesel-Fahrzeug der Mittelklasse entsprechen. Energierückgewinnung, Abschaltautomatik und elektronisches Antriebsmanagement funktionieren ähnlich wie beim Prius. Dieser parallele Hybridabtrieb kann jedoch die Batterien nicht während der Fahrt aufladen. Ein längeres rein elektrisches Fahren in sensiblen Zonen wird so nicht möglich.

Vor- und Nachteile

Grundsätzlich hat jeder Hybridantrieb den Vorteil eines geringeren Verbrauchs. Eine Hybridkombination mit Dieselmotoren gestaltet sich wegen des größeren Drehmoments des Diesels und der aufwendigeren Motorsteuerung als Herausforderung. Im weiteren ergänzen sich die Leistungskennlinien eines Elektromotors und eines Benzinmotors besser, da das geringere Drehmoment eines Benzinmotors im unteren Drehzahlbereich durch das hohe Drehmoment des Elektromotors ideal ergänzt wird. Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus den kommenden verschärften Abgasvorschriften für Dieselmotoren. Diese Einschränkung könnten durch neue Techniken der Abgasreinigung, wie die selektive katalytische Reduktion (SCR) behoben werden. Durch die enormen zusätzlichen Kosten und das von Natur aus höhere Gewicht eines Dieselmotors lassen ein Serien-Diesel-Hybrid aus diesen Gründen in naher Zukunft nicht wahrscheinlich erscheinen. Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern. Das wird aber durch Einsparungsmöglichkeiten an anderer Stelle (z.B. vereinfachtes Getriebe, entfallen der Lichtmaschine und des Anlassers) z.T. kompensiert. Es ist aber zu erwarten, dass moderne Akkus, wie z.B. LiPo - Lithium-Polymer-Akku, oder auch Hochleistungskondensatoren diesen Nachteil weiter verringern. Derzeit hat der sogenannte Mild-Hybrid bei geringerem Aufwand ebenfalls ein erhebliches Einsparpotenzial. Diese Antriebsart ist mit weniger Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte zu integrieren, während der Toyota Prius speziell für den Voll-Hybrid-Antrieb entwickelt wurde. Der einfachste Ansatz des Mild-Hybrid ist der sogenannte Starter-Generator, der den Anlasser und die Lichtmaschine in einem Elektromotor zusammenfasst und an den Antriebststrang anbindet.