ATZ/MTZ-Fachbuch

Die komplexe Technik heutiger Kraftfahrzeuge und Motoren macht einen immer größerwerdenden Fundus an Informationen notwendig, um die Funktion und die Arbeitswei-se von Komponenten oder Systemen zu verstehen. Den raschen und sicheren Zugriff aufdiese Informationen bietet die regelmäßig aktualisierte Reihe ATZ/MTZ-Fachbuch, wel-che die zum Verständnis erforderlichen Grundlagen, Daten und Erklärungen anschaulich,systematisch und anwendungsorientiert zusammenstellt.Die Reihe wendet sich an Fahrzeug- undMotoreningenieure sowie Studierende, die Nach-schlagebedarf haben und imZusammenhang Fragestellungen ihres Arbeitsfeldes verstehenmüssen und an Professoren und Dozenten anUniversitäten undHochschulen mit Schwer-punkt Kraftfahrzeug- und Motorentechnik. Sie liefert gleichzeitig das theoretische Rüst-zeug für das Verständnis wie auch die Anwendungen, wie sie für Gutachter, Forscher undEntwicklungsingenieure in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie bei Dienstleisternbenötigt werden.

Konrad Reif ⋅ Karl E. Noreikat ⋅ Kai BorgeestHerausgeber

Kraftfahrzeug-Hybridantriebe

Grundlagen, Komponenten, Systeme,Anwendungen

Mit 266 Abbildungen und 44 Tabellen

ISBN 978-3-8348-0722-9 ISBN 978-3-8348-2050-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-8348-2050-1

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; de-taillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Umschlag Bildquelle: Daimler AGMit freundlicher Unterstützung von Daimler

Springer Vieweg© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012DiesesWerk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus-drücklich vomUrheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmungdes Verlags. Das giltinsbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen,Mikroverfilmungen und die Einspei-cherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be-rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne derWarenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermannbenutzt werden dürften.

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe SpringerScience+BusinessMediawww.springer-vieweg.de

Herausgeber

Prof. Karl E. Noreikat

Prof. Dr. Kai BorgeestHochschule AschaffenburgAschaffenburg, Deutschland

Prof. Dr. Konrad Reif

Friedrichshafen, DeutschlandDuale Hochschule Baden-Württemberg

reif@dhbw-ravensburg.de

kai.borgeest@fh-aschaffenburg.de

NorCon Scientific Consulting

noreikat@norcon-solutions.de Esslingen, Deutschland

www.springer-vieweg.de

Vorwort

Hybridantriebe sind inzwischen ein fester Bestandteil der Serienprodukte eines Fahr-zeugherstellers. Damit ist dieses Fachgebiet zu einem wichtigen Bestandteil der Fahrzeug-technik geworden, dem in der Aus- und Weiterbildung für alle kraftfahrzeugtechnischenund verwandten Berufe Rechnung getragen werden muss. Dies betrifft zum einen dieLehrinhalte an den Hochschulen, beruflichen Schulen und in den Ausbildungsabteilungender Fahrzeug- und Zulieferfirmen, zum anderen aber auch die Weiterbildung der ein-zelnen Ingenieure und Fachleute in der Praxis, die in Form von Lehrgängen oder durchSelbststudium erfolgen kann.

An dieser Stelle will das Buch „Kraftfahrzeug-Hybridantriebe“ unterstützen. Es behan-delt alle Themen, die für Aufbau und Funktion von Hybridantrieben wichtig sind. Dabeiwurde auf fachlich fundierte Darstellung, gute Verständlichkeit und anwendungsnahePra-xisrelevanz großerWert gelegt. Dies ist dadurchmöglich, dass die einzelnenAbschnitte voneiner Vielzahl an Fachleuten erarbeitet wurden, die in der Fahrzeug- und Zulieferindustriesowie im Hochschulbereich an den dargestellten Themen arbeiten.

Ziel des Buches ist es, die grundlegenden Prinzipien zu erklären. Damit das Buch fürden Leser in einer begrenzten Zeit lesbar ist, musste das Material beschränkt und bei denThemen Schwerpunkte gesetzt werden. Dies erfolgte unter zwei Prämissen: Wichtig sindeinerseits die Themen, die für das Verständnis des Hybridantriebs unabdingbar sind, wiez. B. die Antriebsstrukturen. Andererseits wurde aber auch auf eine ausführliche und de-taillierte Darstellung derThemenWert gelegt, die spezifisch für Hybridfahrzeuge sind, wiez. B. elektrische Maschinen, Elektronik und vor allem die Energiespeicher.

Die Gliederung wurde so gewählt, dass beim Lesen des Buchs sukzessive ein umfassen-des Verständnis aufgebaut wird. Bei manchen eng zusammenhängenden Themen mussteeine sinnvolle Trennung gefunden werden. So hängen beispielsweise die Antriebsstruk-turen eng mit den Getrieben zusammen: Die Planetengetriebe zur Leistungsverzweigungwerden in diesem Buch bei den Antriebsstrukturen behandelt, der Abschnitt über Getrie-be behandelt dagegen die „normalenFahrzeuggetriebe“ undderenHybridisierung. Ebensohängt das Kapitel über die Betriebsstrategie mit dem über die Simulation und die Ausle-gung eng zusammen. Sie erklären aber die Sachverhalte aus verschiedenen Sichtweisen.Die Fragestellung der Betriebsstrategie lautet: Wie funktioniert ein Hybridfahrzeug in op-timaler Weise? Und die der Simulation und Auslegung: Wie entwirft man ein optimal

V

VI Vorwort

funktionierendes Hybridfahrzeug? Außerdemwar es zumTeil notwendig, in manchenKa-piteln einige Inhalte vorweg in Kurzform zu behandeln, beispielsweise manche Inhalte derBetriebsstrategie, um den Aufbau und die Funktion des Antriebs zu erklären.

Das Buch richtet sich an Studenten der Ingenieurwissenschaften, in der Praxis stehendeIngenieure und Fachleute die Aufbau, Funktion, Komponenten und Systeme des Hybrid-antriebs von Kraftfahrzeugen kennenlernen wollen.

Unser Dank gilt der Firma Daimler AG, ohne deren finanzielle und fachliche Unter-stützung das Buch in dieser Form nicht hätte realisiert werden können.

Beiträge von 25 Autoren haben esmöglich gemacht, dass dieses Buch entstehen konnte.Ihnen gilt unser besonderer Dank. Sie haben ihr wertvolles Fachwissen zur Verfügung ge-stellt. Für fachliche Unterstützung, vor allem in der Endphase der Buchentstehung, dankenwir Herrn Dr. N. Amann, Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Biermann, Herrn Prof. Dr.-Ing. S. Engel-king, Herrn Dipl.-Ing. F. Gretzmeier und Herrn Dr. D. Kraft.

Ferner danken wir dem Verlag Springer Vieweg für die Anregung zu diesem Buch unddie hervorragende Zusammenarbeit bei der professionellen Realisierung des Buchprojek-tes.

Friedrichshafen, Esslingen, Aschaffenburg im Oktober 2012 Konrad ReifKarl E. Noreikat

Kai Borgeest

Inhaltsverzeichnis

Mitarbeiterverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Konrad Reif, Karl E. Noreikat und Kai Borgeest1.1 Definition, Einsatz, Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Vorteile des Hybridantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1.1 Weniger CO2-Ausstoß durch Hybridfahrzeuge . . . . . . . 21.1.1.2 Mehr Fahrdynamik und Fahrkomfort

durch Hybridfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.1.3 Hybridfahrzeuge als Zwischenschritt

zu Elektrofahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.2 Technische Neuentwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.1 Frühe Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Umweltbewusstsein und Ölpreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.3 Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Hybride Antriebsstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Siegfried Saenger-Zetina und Markus Wagner2.1 Übersicht über die Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.2 Kombination vonWandlern und Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2.1 Energiewandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2.2 Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2.3 Drehzahl- und Drehmomentwandler . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Vorteile eines Hybridantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.1 Technische Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.1.1 Elektrisches Fahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.1.2 Rekuperatives Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.1.3 Lastpunktverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

VII

VIII Inhaltsverzeichnis

2.2.1.4 Boosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.1.5 Start-Stopp-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.1.6 Kraftstoffverbrauch und Wirkungsgrad im Testzyklus . . . 25

2.2.2 Subjektive Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.2.1 Fahr- und Schaltkomfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.2.2 Geräusch- und Schwingungsverhalten . . . . . . . . . . . . . 27

2.3 Konzepte und Betriebsweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.1 Serielle Hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.1.1 Konstruktive Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.1.2 Varianten des seriellen Hybridantriebs . . . . . . . . . . . . . 292.3.1.3 Beispiele von seriellen Hybriden . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.2 Parallele Hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.2.1 Konstruktive Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.2.2 Ausprägungen von Parallelhybriden . . . . . . . . . . . . . . . 332.3.2.3 Beispiele von Parallelhybriden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.3 Leistungsverzweigte Hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3.3.1 Konstruktive Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3.3.2 Beispiel von Leistungsverzweigungen . . . . . . . . . . . . . . 522.3.3.3 Beispiele von leistungsverzweigten Hybridantrieben . . . . 56

2.4 Klassifizierung nach Funktionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.4.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.4.2 Start-Stopp-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.4.2.1 Die Start-Stopp-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.4.2.2 Starteinrichtungen für Start-Stopp-Systeme . . . . . . . . . . 65

2.4.3 Hybrid-Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.4.3.1 Mikro-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.4.3.2 Mild-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.4.3.3 Voll-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4.4 Extern aufladbare Hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.4.4.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.4.4.2 Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.4.4.3 Lademöglichkeiten von Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3 Komponenten des Hybridantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Notker Amann, Matthias Beck, Otmar Bitsche, Pedro Casals, Bernd Cebulski,Christine Ehret, Jochen Faßnacht, Andreas Greff, Franz Gretzmeier, Gün-ter Gutmann, Frank Hentschel, Markus van Heyden, Markus G. Kliffken,Dieter Kraft, Axel Müller, Roland Norden, Robert Stawiarski, Markus Wagner,Toni Viscido und Harald Weiler3.1 Auslegung des Verbrennungsmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1.1 Ottomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Inhaltsverzeichnis IX

3.1.2 Dieselmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.1.3 Alternative Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.1.3.1 Stirlingmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.1.3.2 Dampfmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.1.3.3 Gasturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.1.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.2 Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.2.1.1 Allgemeines zu elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . 933.2.1.2 Prinzipien der physikalischen Wirkungsweise . . . . . . . . 943.2.1.3 Grundzüge der Drehfeldtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.2.1.4 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.2.2 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.2.2.1 Prinzipieller Ständeraufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.2.2.2 Prinzipielle Läuferbauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083.2.2.3 Sonderform Transversalflussmaschine . . . . . . . . . . . . . 1133.2.2.4 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153.2.2.5 Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193.2.2.6 Vor- und Nachteile bei Hybridfahrzeugen . . . . . . . . . . . 121

3.2.3 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223.2.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223.2.3.2 Prinzipieller Aufbau der Drehstrom-Asynchronmaschine

mit Käfigläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.2.3.3 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.2.3.4 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1273.2.3.5 Vor- und Nachteile bei Hybridfahrzeugen . . . . . . . . . . . 1303.2.3.6 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303.2.3.7 Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.2.4 Feldorientierte Regelungder permanenterregten Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . 1343.2.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1343.2.4.2 Mathematisches Modell

der permanenterregten Synchronmaschine . . . . . . . . . . 1353.2.4.3 Aufbau der feldorientierten Regelung . . . . . . . . . . . . . . 1383.2.4.4 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1413.2.4.5 Sonstige Regelungselemente für Hybridfahrzeuge . . . . . 142

3.3 Elektrik und Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1433.3.1 Energiebordnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

3.3.1.1 Bordnetztopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1443.3.1.2 Bordnetzsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

3.3.2 Steuergeräte und Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1633.3.2.1 Funktionsorientierte Vernetzungsstrategie . . . . . . . . . . 164

X Inhaltsverzeichnis

3.3.2.2 Zonenorientierte Vernetzungsstrategie . . . . . . . . . . . . . 1663.3.2.3 Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1683.3.2.4 Bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1693.3.2.5 Anbindung des Fahrzeugs an Infrastrukturen . . . . . . . . 173

3.3.3 Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1743.3.3.1 Grundlagen und Systemeinordnung . . . . . . . . . . . . . . . 1743.3.3.2 Technik und Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1743.3.3.3 Topologien und Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 1763.3.3.4 Zusätzliche Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1793.3.3.5 Aktuelle Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

3.4 Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1843.4.1 Überblick: Rolle der Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1843.4.2 Bleibatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

3.4.2.1 Elektrochemie des Bleiakkumulators . . . . . . . . . . . . . . 1853.4.2.2 Aufbau des Bleiakkumulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1883.4.2.3 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1943.4.2.4 Eigenschaften von Bleibatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1963.4.2.5 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2013.4.2.6 Entwicklungstendenzen bei Bleiakkumulatoren

für Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2053.4.3 Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren . . . . . . . . . . . . 2073.4.4 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

3.4.4.1 Elektrochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2133.4.4.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2153.4.4.3 Zellendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2153.4.4.4 Betriebs- und Alterungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . 220

3.4.5 Lithium-Ionen-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2223.4.5.1 Elektrochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2253.4.5.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2263.4.5.3 Zellenkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2283.4.5.4 Zellendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

3.4.6 Anwendung elektrochemischer Speicher in Kraftfahrzeugen . . . . 2353.4.6.1 Bordnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2353.4.6.2 Elektrochemische Speichersysteme für Hybridfahrzeuge . 2383.4.6.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

3.4.7 Hydraulische Hybridantriebe und Energiespeicher . . . . . . . . . . . 2423.4.7.1 Abgrenzung zum elektrischen Hybrid . . . . . . . . . . . . . 2423.4.7.2 Aufbau und Systemkomponenten

des hydrostatisch-regenerativen Bremssystems . . . . . . . 2453.4.7.3 Ergebnisse an einem Abfallsammelfahrzeug

mit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem . . . . . . . 247

Inhaltsverzeichnis XI

3.4.7.4 Ergebnisse an einem Abfallsammelfahrzeugmit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem . . . . . . . 249

3.4.8 Schwungräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2493.5 Fahrzeuggetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

3.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2533.5.2 Getriebearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

3.5.2.1 Getriebe mit Zugkraftunterbrechung . . . . . . . . . . . . . . 2603.5.2.2 Getriebe ohne Zugkraftunterbrechung . . . . . . . . . . . . . 265

3.5.3 Einfluss der Hybridisierung auf das Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . 2743.6 Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

3.6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2793.6.2 Mechanischer und elektrischer Antrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2793.6.3 Einsatz von Nebenaggregaten

in unterschiedlichen Antriebssträngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2803.6.3.1 Konventioneller Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2813.6.3.2 Teilweise elektrifizierter Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . 2813.6.3.3 Vollständig elektrifizierter Antriebsstrang . . . . . . . . . . . 284

3.6.4 Aggregate im Hybridfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.6.4.1 Elektrische Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.6.4.2 Lenkkraftunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2873.6.4.3 DC/DC-Wandler zur Bordnetzversorgung . . . . . . . . . . 2903.6.4.4 Potentialtrennender DC/DC-Wandler

zur Bordnetzstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.6.5 Betrieb von Nebenaggregaten im Traktionsnetz . . . . . . . . . . . . . 2913.6.6 Energiemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

4 Betriebsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301Jan-Welm Biermann und Christian Renner4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3014.2 Antriebskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

4.2.1 Verbrennungsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3024.2.2 Elektrische Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3034.2.3 Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3044.2.4 Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

4.3 Entwurf von Betriebsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3064.3.1 Basisanforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

4.3.1.1 Start-Stopp-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3074.3.1.2 Boosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3074.3.1.3 Rekuperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3084.3.1.4 Elektrisches Fahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3094.3.1.5 Lastpunktanhebung und Lastpunktverlagerung . . . . . . . 311

XII Inhaltsverzeichnis

4.3.2 Entwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3154.4 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

4.4.1 Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3174.4.2 Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.4.3 Prädiktive Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

5 Simulation und Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325Dieter Kraft, Thomas Huber und Sandra Sterzing-Oppel5.1 Modellierung und Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3255.2 Validierung der Simulationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3285.3 Optimale Auslegung von Hybridfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

5.3.1 Bestimmung von Zielgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3305.3.2 Optimierung einer einzelnen Zielgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3315.3.3 Optimierung mehrerer Zielgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3325.3.4 Datenbasierte Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

5.4 Ergebnisse der optimalen Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3355.4.1 Ausgangspunkt und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3355.4.2 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3365.4.3 Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3385.4.4 Vergleich von Hybridkonzepten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3385.4.5 Validierung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Mitarbeiterverzeichnis

1 EinleitungProf. Dr. Konrad Reif, Duale Hochschule Baden-WürttembergProf. Karl. E. Noreikat, NorCon EsslingenProf. Dr. Kai Borgeest, Hochschule Aschaffenburg

2 Hybride AntriebsstrukturenDr. Siegfried Saenger-Zetina, Daimler AG, Sindelfingen

2.3.3 Leistungsverzweigte HybrideB. Eng. MBA Markus Wagner, Daimler AG, Stuttgart UntertürkheimDr. Siegfried Saenger-Zetina, Daimler AG, Sindelfingen

3 Komponenten des Hybridantriebs3.1 Auslegung des VerbrennungsmotorsAndreas Greff, Continental Automotive GmbH, Regensburg

3.1.3 Alternative AntriebeB. Eng. MBA Markus Wagner, Daimler AG, Stuttgart UntertürkheimDipl.-Ing. Frank Hentschel, vormals Daimler AG, Sindelfingen

3.2 ElektrischeMaschinenDr. Notker Amann, ZF Friedrichshafen AG, FriedrichshafenDr. Axel Müller, ZF Friedrichshafen AG, FriedrichshafenMarcus van Heyden, ZF Friedrichshafen AG, Schweinfurt

3.3 Elektrik und Elektronik3.3.1 EnergiebordnetzDr.-Ing. Jochen Faßnacht, Robert Bosch GmbH, StuttgartDipl.-Ing. (FH) Franz GretzmeierDr.-Ing. Toni Viscido, DSA – Daten- und Systemtechnik GmbH, Aachen

XIII

XIV Mitarbeiterverzeichnis

3.3.2 Steuergeräte und KommunikationDr. Dieter Kraft, Robert Bosch GmbH, StuttgartDr.-Ing. Toni Viscido, DSA – Daten- und Systemtechnik GmbH, AachenDr. Harald Weiler, Robert Bosch GmbH, Stuttgart

3.3.3 LeistungselektronikBernd Cebulski, IAV GmbH Chemnitz

3.4.1–3.4.6 EnergiespeicherDr. Günter Gutmann, Beratung und Wissensvermittlung für elektrochemische Energie-speicher undWandler, EsslingenDipl.-Ing. Otmar Bitsche, Dr. Ing. h.c. F. Porsche Aktiengesellschaft, Stuttgart

3.4.7 Hydraulische Hybridantriebe und EnergiespeicherDr.-Ing. Matthias Beck, Bosch Rexroth, ElchingenDr. Christine Ehret, Bosch Rexroth, ElchingenDr.-Ing. Markus G. Kliffken, Bosch Rexroth, ElchingenRobert Stawiarski, Bosch Rexroth, Elchingen

3.4.8 SchwungräderB. Eng. MBA Markus Wagner, Daimler AG, Stuttgart UntertürkheimDipl.-Ing. Frank Hentschel, vormals Daimler AG, Sindelfingen

3.5 FahrzeuggetriebeDipl.-Ing. Pedro Casals, BMW AG, vormals ZF Friedrichshafen AG

3.6 NebenaggregateDr. Dieter Kraft, Robert Bosch GmbH, StuttgartRoland Norden, Robert Bosch GmbH, Stuttgart

4 BetriebsstrategienProf. Dr.-Ing. habil. Jan-Welm Biermann, Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH AachenUniversitätDipl.-Ing. Christian Renner, Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen

5 Simulation und AuslegungDipl.-Ing. Thomas Huber, Robert Bosch GmbH, StuttgartDr. Sandra Sterzing-Oppel, Robert Bosch GmbH, StuttgartDr. Dieter Kraft, Robert Bosch GmbH, Stuttgart

1EinleitungKonrad Reif, Karl E. Noreikat und Kai Borgeest

1.1 Definition, Einsatz, Anforderungen

Das lateinische Substantiv „hybrida“ stand für Mischling oder Bastard. Der Duden [Du-den09] ordnet das Adjektiv „hybrid“ heute mit den Bedeutungen „aus Verschiedenartigemzusammengesetzt, von zweierlei Herkunft; gemischt; zwitterhaft“ in die deutsche Spra-che ein. Ein Hybridfahrzeug, genauer ein Fahrzeug mit einem hybriden Antrieb, ist einFahrzeug, in dem unterschiedliche Energieformen durch entsprechende Wandler in diekinetische Energie zum Vortrieb umgesetzt werden.

Ein konventioneller Fahrzeugantrieb verwendet einen Verbrennungsmotor, um die imKraftstoff in Form chemischer Bindungen gespeicherte Energie zu einemmöglichst großenTeil in Wärme und diese wiederum zu einem möglichst großen Teil in kinetische Ener-gie umzusetzen. Andere Wärmekraftmaschinen wie z. B. Gasturbinen führen eine ähnli-che Energiewandlung durch. Daher ist auch in modernen Hybridfahrzeugen der Verbren-nungsmotor noch immer die Kernkomponente des Antriebs, er wird jedoch im Vergleichzu einem konventionellen Fahrzeug vonmindestens einem zweiten Energiewandler unter-stützt.

Prinzipiell wäre zur Unterstützung jede erdenkliche Energieform mit einem geeigne-ten Wandler in Erwägung zu ziehen. Praktisch geschieht dies bei Hybrid-Pkw, -Lkw und-Bussen derzeit durch elektrische Energie, die durch eine elektrische Maschine in kine-tische Energie gewandelt wird. Flurförderfahrzeuge (z. B. Gabelstapler) und mobile Ar-beitsmaschinen verfügen oft über ein hydraulisches System, das auch beim Antrieb denVerbrennungsmotor unterstützen kann. Neben der elektrischen und hydraulischen Ener-gie zur Unterstützung gibt es recht exotische Formen, z. B. in Form von Schwungrädern

Prof. Dr. Konrad ReifB, Prof. Karl E. Noreikat, Prof. Dr. Kai BorgeestWiesbaden, Deutschlande-mail: springerfachmedien-wiesbaden@springer.com

1K. Reif et al. (Hrsg.), Kraftfahrzeug-Hybridantriebe, ATZ/MTZ-Fachbuch,DOI 10.1007/978-3-8348-2050-1_1,© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012

2 K. Reif et al.

gespeicherte kinetische Energie oder pneumatische Energiespeicher (siehe Abschn. 3.4.7und 3.4.8 sowie [Guzzella12, Scuderi12]).

Die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Elektromotor kann in unter-schiedlicher Weise erfolgen, die drei Grundarchitekturen (mit etlichen Varianten), die spä-ter in diesem Buch vorgestellt werden, sind der serielle Hybrid, der Parallelhybrid und derleistungsverzweigte Hybrid. Diese drei Architekturen haben alle ihre Vor- und Nachteile,für die Auswahl der Architektur steht insbesondere die Frage im Vordergrund, ob mit derHybridisierung primär der Energieverbrauch gesenkt oder die verfügbare Spitzenleistungerhöht und damit die Fahrdynamik und der Fahrkomfort verbessert werden.

1.1.1 Vorteile des Hybridantriebs

Warum benötigt der seit über 100 Jahren bewährte Verbrennungsmotor überhaupt Un-terstützung durch einen weiteren Energiespeicher und Energiewandler? Dafür gibt es dreiGründe.

1.1.1.1 Weniger CO2-Ausstoß durch HybridfahrzeugeCO2 entsteht als Reaktionsprodukt bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe, alsoauch von Kohlenwasserstoffen, die den Hauptbestandteil heutiger Kraftstoffe (Benzin undDiesel) ausmachen. Durch eine quantitative Analyse der Reaktionsgleichungen kann manberechnen, dass bei Dieselkraftstoff 2,7 kg CO2 und bei Ottokraftstoff 2,4 kg CO2 pro LiterKraftstoff entstehen. Gelingt es, den Kraftstoffverbrauchmassiv zu senken, sinkt damit alsoauch unmittelbar der Ausstoß von CO2.

CO2 steht im Verdacht, zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre beizutragen („Treib-hauseffekt“). Die europäische Union hat sich deshalb ehrgeizige Ziele zur Senkung desCO2-Ausstoßes gesetzt. Als Gesetzgeber stellt sie zunehmend strengere Anforderungen anden Ausstoß von CO2 bei zukünftigen Fahrzeugen. Sie reglementiert den durchschnittli-chen Verbrauch aller in der EU neuzugelassenen Fahrzeuge eines Herstellers. Das langfris-tige Ziel ist, 2020 einen durchschnittlichen CO2-Ausstoß von 95 g/km zu erreichen. EineÜberschreitung verpflichtet den Hersteller zu Strafzahlungen [EG09]. Auch außerhalb derEU sind ähnliche Entwicklungen der Gesetzgebung zu beobachten. So ist in den USA be-reits länger als in Europa ein durchschnittlicher Flottenverbrauch („CorporateAverage FuelEconomy“) mit allerdings weniger anspruchsvollen Grenzwerten als in Europa von denHerstellern einzuhalten, auch dort erfolgen Strafzahlungen der Hersteller bei Überschrei-tung. Auch schaffen verbrauchsabhängige Kfz-Steuern oder eine direkte Besteuerung desVerbrauchs über die Mineralölsteuer einen Anreiz, Fahrzeuge mit einem geringeren Ver-brauch und einem geringeren CO2-Ausstoß zu beschaffen.

Während der Verbrennungsmotor im konventionellen Fahrzeug einen weiten Leis-tungsbereich und bei dynamischer Fahrweise auch schnelle Änderungen der Leistungsab-gabe abdeckenmuss, kann bei derUnterstützung durch einen elektrischen Energiespeicher(Akkumulator) und einen Elektromotor der Verbrennungsmotor in einem engen Dreh-

1 Einleitung 3

zahlfenster mit geringerer Variation der Leistungsanforderung betrieben werden. Damitkann der Verbrennungsmotor besser auf einen Betriebsbereich optimiert und in den be-sonders verbrauchsintensiven Beschleunigungsphasen entlastet werden.

1.1.1.2 Mehr Fahrdynamik und Fahrkomfort durch HybridfahrzeugeEine weitere Motivation liegt darin, dass ein zweiter Energiewandler kurzzeitig ein zu-sätzliches Antriebsmoment und damit auch eine zusätzliche Beschleunigung liefern kann.Insbesondere schwere Fahrzeuge, deren zusätzlicheMasse eine entsprechend höhere Träg-heit bewirkt, können durch Hybridantriebe so agil wie ein leichteres Fahrzeug werden,ohne permanent eine hohe Leistung des Verbrennungsmotors zu benötigen.

1.1.1.3 Hybridfahrzeuge als Zwischenschritt zu ElektrofahrzeugenEin Nebenaspekt der Hybridisierung mit elektrischen Maschinen ist der gleitende Über-gang vom zunächst konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor über den Hybri-dantrieb und dem am öffentlichen Stromnetz aufladbaren „Plug-in-Hybrid“ zu einemeventuell rein elektrischen Fahrzeug in der Zukunft. Ein solcher kontinuierlicher Über-gang kann durch die Industrie und auch durch denMarkt leichter bewältigt werden als einabrupter Technologiesprung.

1.1.2 Technische Neuentwicklungen

Für die Hybridantriebe sind viele technische Neuentwicklungen notwendig. So benötigenzusätzliche Komponenten im Antriebsstrang mehr Raum und erhöhen das Gewicht desFahrzeugs. Insbesondere die Batterie (der Akkumulator) ist eine in dieser Hinsicht be-sonders anspruchsvolle Komponente. Der Käufer erwartet, dass ein Hybridfahrzeug trotzseiner vergleichsweise komplexeren Technik genau so zuverlässig wie ein konventionellesFahrzeug funktioniert. Dies ist inzwischen gelungen, allerdings ist auch in dieser Hinsichtwieder die Batterie die anspruchsvollste Komponente. Nicht zuletzt müssen die Kosten fürden Hybridantrieb insbesondere bei kleineren Fahrzeugen so weit sinken, dass sich derMehrpreis schon bei geringerer Fahrleistung durch die Energieeinsparung amortisiert.

Die Batterie stellt sich als zentrale Herausforderung bei der Weiterentwicklung des Hy-bridantriebs dar und hat die bisweilen eher weniger wahrgenommene Disziplin der Elek-trochemie zu einem Forschungsthema von hoher politischer Bedeutung gemacht. Jedochauch bei den elektrischen Maschinen sowie bei der Leistungselektronik zur Ansteuerungder elektrischen Maschinen oder zur Laderegelung und Diagnose der Batterien gibt es im-mense Fortschritte. Selbst der Verbrennungsmotor wird stärker denn je weiterentwickelt,einerseits um ihn für den Einsatz im Hybridantrieb zu optimieren, andererseits aber auch,um als alleiniger Antrieb neben den sparsamen Hybridfahrzeugen konkurrenzfähig zubleiben. Neben diesen im Vordergrund stehenden Schauplätzen wird der Leser auf vieleweitere interessante Gebiete stoßen, die ebenfalls für die Weiterentwicklung der Hybrid-fahrzeuge wichtig sind.

4 K. Reif et al.

1.2 Geschichte

1.2.1 FrüheMotivation

In den ersten drei Jahrzehnten nach der Erfindung des Kraftfahrzeugs von Karl Benz undGottlieb Daimler waren drei verschiedene Antriebskonzepte auf den Straßen zu sehen.Das Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, mit Dampfmotor und mit Elektromotor. Alle dreiAntriebsarten waren sehr teuer, wenig verbreitet und noch mit Mängeln behaftet, die dieGebrauchstüchtigkeit erheblich einschränkten.

Beim Dampfmotor waren die Nachteile vor allem das große Gewicht und die langwie-rige Startprozedur; beim batteriebetriebenen Elektrofahrzeug war es die schwere Batterie,und beim Verbrennungsmotor war es der viel Kraft erfordernde und nicht ganz ungefähr-liche Startvorgang mit der Starterkurbel. Zudem mangelte es beim verbrennungsmotori-schen Antrieb an geeigneten Anfahrkupplungen und an gebrauchstüchtigen Schaltgetrie-ben. Auch war der Verbrennungsmotor in seiner Drehmoment- und Leistungscharakteris-tik dem Elektromotor noch weit unterlegen.

Ferdinand Porsche baute um 1900 leistungsstarke, elektrisch getriebene Rennfahrzeu-ge mit Radnabenmotoren. Diese Fahrzeuge war im Rennen erfolgreich, benötigten aber1800 kg schwere Batterien. Eine Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromotorsollte nun die schwerwiegendenNachteile beiderAntriebe, schwereBatterie und problema-tischeAnfahrkupplung, vermeiden. So baute Porsche 1902mit demWiener FahrzeugbauerLohner einen Hybridantrieb, den er „Mixte“ nannte. Der „Mixte“ steht damit im Zeichendes damaligen Wettbewerbs zwischen dem batterieelektrisch und dem verbrennungsmo-torisch angetriebenen Fahrzeug.

In den nächsten Jahren förderte die Entwicklung leistungsstarker Verbrennungsmoto-ren, gebrauchstüchtiger Anfahrkupplungen und leistungsfähigen Getrieben die Akzeptanzdes Verbrennungsmotors. Zudem begannHenry Ford 1902mit derMassenproduktion vonpreisgünstigen FahrzeugenmitVerbrennungsmotor und sorgte damit für eine größereVer-breitung des Kraftfahrzeugs. Als im Jahre 1920 der elektrische Starter eingeführt wurde,verloren Elektro- und Hybridfahrzeuge deutlich an Akzeptanz. Von 1920 bis 1965 findetman keine nennenswerten Entwicklungen auf dem Gebiet der Hybridfahrzeuge.

1.2.2 Umweltbewusstsein und Ölpreis

Ab 1965 bekamen alle alternativen Antriebe wegen der steigenden Ölpreise eine verstärk-te Bedeutung. In den folgenden dreißig Jahren beschäftigte man sich unter anderem mitGasturbine, Stirlingmotor, Wankelmotor, Wasserstoffmotor, Elektroantrieb, aber auch mitdem Hybridantrieb. Mit diesen alternativen Antrieben wurde eine Reihe von Prototypen-fahrzeugen aufgebaut, die aber nur in ganz geringen Stückzahlen gefertigt wurden. Alleindas rein elektrisch betriebene Fahrzeug wurde in Kleinserien mit einigen Hunderten Fahr-zeugen gebaut.

1 Einleitung 5

Das Motiv für die Entwicklung alternativer Antriebe, und damit auch für die Entwick-lung von Hybridantrieben, sind die sich ständig verschärfenden gesetzlichen Verbrauchs-und Emissionsgrenzwerte. Damit bestimmen diese Grenzwerte, welche Antriebstechno-logie für die Zukunft geeignet ist. Neben der Verbesserung der konventionellen Verbren-nungsmotoren beschäftigt sich die Automobilindustrie mit Elektroantrieben, mit Brenn-stoffzellen und vor allem mit Hybridantrieben.

DieAttraktivität derHybridantriebe liegt in den aktuellenWeltmarktbedingungen.Hiersind vor allem Europa, Japan und USA zu nennen. Die Testbedingungen und die Grenz-werte in dieser Triade treiben die Entwicklung des Hybridantriebs an. Die Auflistung allerin der Triade anzuwendenden relevanten Testzyklen, Grenzwerte und Umweltrichtlinienist lang und keineswegs einheitlich. Zusammen genommen ergibt sich aber ein eindeuti-ger Trend in Richtung immer schärfer werdende Gesetze. Der Trend zu „elektrifizierten“Antrieben wird zusätzlich durch staatliche Förderungen bezüglich der Entwicklung, desKaufs und des Betriebs dieser Antriebe verstärkt. Der Hybridantrieb in seinen vielfältigenAusprägungen ist eine Variante, die dauerhaft sehr erfolgreich sein kann. Hybridantriebeverbinden in vorbildlicherWeise die Vorteile eines Verbrennungsmotors mit den Vorteileneines Elektromotors.

Die länderspezifischen Rahmenbedingungen haben einen erheblichen Einfluss auf dieAusprägung eines Hybridantriebs. Ganz allgemein ist der typische japanische Stadtzyklusin seinem Anforderungsprofil bezüglich geforderter Höchstgeschwindigkeit, Beschleu-nigungs- und Bremsverhalten, Leerlaufzeiten usw. als „hybridfreundlich“ einzustufen.Folgerichtig wurde in Japan im Jahre 1997 der Toyota Prius als Serienfahrzeug im Markteingeführt.

Der Hybrid verbessert die Nutzung des Verbrennungsmotors durch:

• Rekuperatives Bremsen: Bei einer konventionellen Bremsverzögerung des Fahrzeugswird durch die mechanische Bremse die kinetische Energie des Fahrzeugs in Wär-me gewandelt. Bei einer rekuperativen Bremsung dagegen wird die kinetische Energiedurch die elektrische Maschine in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batteriegespeichert wird, um dann wieder für den Vortrieb genutzt zu werden.

• Verbesserung des mittleren Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors: Der Verbren-nungsmotor hat in vielen Fahrsituationen noch ein ungenutztes Potential. Durch eineLastpunktverschiebung hin zu höheren Wirkungsgraden kann man zusätzliche Energieerzeugen, die zwischengespeichert wird, und dann ebenfalls wieder für den Vortriebgenutzt wird.

• Vermeidung der Leerlaufverluste: Bei Fahrzeugstillstand ist die Antriebsleistung, abge-sehen von dem Leistungsbedarf der Nebenaggregate, gleich null. Der Verbrennungsmo-tor benötigt im Leerlauf Kraftstoff, um seine eigene Reibleistung aufzubringen. DiesenLeerlaufverbrauch kann man durch ein Start-Stopp-System vermeiden.

6 K. Reif et al.

Mit diesen drei Potentialen lässt sich dermittlere Wirkungsgrad in verschiedenen Fahr-zyklen anheben und damit der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen bis zu 25%verbessern.

Ein Hybridantrieb ist für jedes Pkw-Marktsegment geeignet. Hybridisierung ist eine„Add-on-Energienutzung“, die unabhängig von der Fahrzeuggröße ist. Neben der Eignungin allen Pkw-Marktsegmenten ist eine Anwendung der Hybridtechnologie in Stadtbussenund in Güterverteilerfahrzeugen vorteilhaft.

1.2.3 Fahrzeuge

Seit 1985 wurden von Toyota, Mercedes, Volkswagen, Audi, GM, Ford und Chrysler di-verse Hybridkonzepte erforscht und Erprobungsträger aufgebaut. Bemerkenswert ist einFlottenversuch vonVolkswagen, in dem zwanzig Parallelhybridfahrzeuge in Zürich imAll-tagsbetrieb eingesetzt wurden. Der Toyota Prius wird seit 1997 serienmäßig hergestelltund ist mittlerweile in der dritten Generation erhältlich. Von der Markteinführung bisEnde 2011 wurden ca. 2,3 Millionen Fahrzeuge verkauft. Ein Plug-in-Hybrid Prius ist imFlottenversuch. Seit 1999 wird von Honda der Honda-Insight verkauft. Seit Sommer 2009wird ein Mercedes S 400 angeboten. Es ist das erste Hybridfahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie. Mittlerweile hat nahezu jede namhafte Automobilfirma ein oder mehrereHybridfahrzeuge im Angebot.

Im Nutzfahrzeugbereich ist eine Reihe von Hybridstadtbussen erfolgreich im Einsatz,ebenso können auch Hybrid-Lastkraftwagen käuflich erworben werden. Zunehmend wer-den neben dem autarken Hybridauto auch Plug-in-Hybride und Range-Extender auf denMarkt kommen. Ein Beispiel hierfür ist der GM Volt und der baugleiche Opel Ampera.

Literatur

[Duden09] Duden 01. Die deutsche Rechtschreibung: Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus,25. Aufl. (2009)[EG09] Verordnung (EG) Nr. 443/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23.April 2009 zur Festsetzung von Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen im Rahmen desGesamtkonzepts der Gemeinschaft zur Verringerung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagenund leichten Nutzfahrzeugen[Guzzella12] Guzzella L.: Hybrid Pneumatic Engine. http://www.idsc.ethz.ch/Research_Guzzella.Zugegriffen: 25.03.2012[Scuderi12] Scuderi Group: Air-Hybrid-System. http://www.scuderiengine.com/the-scuderi-air-hybrid-system. Zugegriffen: 25.03.2012

http://www.idsc.ethz.ch/Research_Guzzellahttp://www.scuderiengine.com/the-scuderi-air-hybrid-systemhttp://www.scuderiengine.com/the-scuderi-air-hybrid-system

2Hybride AntriebsstrukturenSiegfried Saenger-Zetina und Markus Wagner

2.1 Übersicht über die Komponenten

2.1.1 Einführung

Der Wortstamm gibt bereits den entscheidenden Hinweis auf die Konstruktion eines Hy-bridantriebes. Nach der Festlegung in IEC/TC69 (International Electrotechnical Commis-sion/Technical Committee 69) [IEC69] verfügt ein Hybridantrieb über mindestens zweiverschiedene (fahrzeugeigene) Energiewandler sowie zwei verschiedene Energiespeicher,die zu Traktionszwecken eingesetzt werden. Eine weitere Definition für Hybridfahrzeu-ge ist in der ECE-R83 beschrieben: ein Fahrzeug mit mindestens zwei verschiedenen(fahrzeugeigenen) Energiewandlern und zwei verschiedenen (fahrzeugeigenen) Energie-speichern für den Antrieb des Fahrzeuges [ECE-R83]. Die SAE (Society of AutomobileEngineers) [J1715] definiert: „EinHybridfahrzeug besteht aus zwei odermehr Energiespei-chern mit ihren dazugehörigen Energiewandlern, die wahlweise gemeinsam oder jeweilsgetrennt das Fahrzeug antreiben“.

Bei vielenHybridfahrzeugen wird einVerbrennungsmotor als Hauptantrieb verwendet.Ferner dienen eine oder mehrere elektrische Maschinen zur Wandlung der in einer Batte-rie gespeicherten Energie in kinetische Energie. Beim Bremsen des Fahrzeugs wird ein Teilder kinetischen Energie des Fahrzeugs mit Hilfe der elektrischen Maschinen zum Ladender Batterie verwendet („Bremsenergierückgewinnung“, Rekuperation). Anfallende über-schüssige Energiewird, soweitmöglich, zumLaden der Batterie verwendet. BeimBeschleu-nigen können Verbrennungsmotor und Elektromotor zusammenarbeiten (Boosten). AlsVerbindungselement zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine stehen einDrehzahl- und Drehmomentwandler zur Verfügung. Abbildung 2.1 zeigt einen schemati-

Dr. Siegfried Saenger-ZetinaB, MarkusWagnerWiesbaden, Deutschlande-mail: springerfachmedien-wiesbaden@springer.com

7K. Reif et al. (Hrsg.), Kraftfahrzeug-Hybridantriebe, ATZ/MTZ-Fachbuch,DOI 10.1007/978-3-8348-2050-1_2,© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012

8 S. Saenger-Zetina et al.

Abtrieb

Drehzahl- undDrehmomentwandler

Verbrennungsmotor

ElektrischeMaschine

Traktions-batterie

Kraftstoff-tank

Leistungs-elektronik

Ladegerät mit Netzanschluss

Abb. 2.1 Verbrennungsmotorisch-elektrischerHybridantrieb

schen Aufbau des verbrennungsmotorisch-elektrischen Hybridantriebs. In der Abbildungist zudem noch ein externes Ladegerät eingezeichnet, das die Aufladung am Stromnetz er-laubt.

2.1.2 Kombination vonWandlern und Speichern

Jede Energiewandlung, definiert durch die Umsetzung von Primär- in Sekundärenergiedurch einen technischen Prozess, unterliegt einem spezifischen, oftmals betriebspunkt-abhängigen, gesamthaften Wirkungsgrad [Foersen11]. Die Energieumwandlungen lassensich beispielsweise wie folgt beschreiben:

Chemische Energie (im Kraftstoff) in Wärme: VerbrennungWärme in mechanische Energie: HubkolbentriebwerkMechanische Energie in elektrische Energie: GeneratorElektrische Energie in elektrochemische Energie: BatterieladenElektrochemische Energie in elektrische Energie: BatterieentladenElektrische Energie in mechanische Energie: ElektromotorMechanische Energie in mechanische Energie: Mechanisches GetriebeElektrische Energie in elektrische Energie: Leistungselektronik

Die Definition eines Hybridfahrzeugs ist weit gefasst und lässt die Kombination verschie-dener Energiespeicher und Energiewandler zu.

2.1.2.1 EnergiewandlerDie Energieflüsse zwischen den Speichern und Energiewandlern können z. B. wie folgt be-schrieben werden:

2 Hybride Antriebsstrukturen 9

• Elektrotechnik:– vom elektrochemischen Speicher (Batterie) zur elektrischen Maschine,– vom elektrostatischen Speicher (Kondensator) zur elektrischen Maschine,– vom elektromagnetischen Speicher (z. B. supraleitende Spule) zur elektrischen Ma-schine.

• Mechanik:– vomTrägheitsspeicher (Schwungrad) zum stufenlosenGetriebe (ContinuousVariableTransmission CVT),

– vom Speicher potentieller Energie (Drehfederspeicher) zum stufenlosen Getriebe(Continuous Variable Transmission CVT).

• Thermodynamik:– pneumatisch: von einem Druckspeicher zu einem Druckluftmotor,– hydraulisch: von einem Hydrospeicher zu einem Hydraulikmotor,– thermoelektrisch: von einer Wärmequelle zu einemThermoelement.

Die Unterscheidung derWandlung wird aufgrund der Energie- und Speicherdichte so-wie der Art der Wandlungsmöglichkeit vorgenommen. Die Qualität der Wandlung wirdanhand des effektiven Wirkungsgrads gekennzeichnet. Jede Wandlung von einer Ener-gieform in eine andere ist verlustbehaftet. Wird die Energie mehrfach gewandelt, so wer-den die einzelnen Wirkungsgrade ηi ; i = ,, . . . , n mit Pab i als Abgabeleistung und Pzu ials zugefügte Leistung zu einem Gesamtwirkungsgrad ηges der Anlage (dem Anlagenwir-kungsgrad) multipliziert. Der Gesamtwirkungsgrad der Energiewandlung ist durch dieMultiplikation wie folgt definiert:

ηges =n∏

i=ηi mit ηi =

Pab iPzu i

. (2.1)

2.1.2.2 EnergiespeicherDie Energie lässt sich in Langzeit- oder Kurzzeitspeichern speichern. Bei einem Lang-zeitspeicher ist die Energie, die in der Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist,chemisch gebunden. Erst in einer chemischen Reaktion wird die Energie frei. Eine Rück-wärtsreaktion ist hierbei nicht ohne weiteres möglich. Beispiele hierfür sind die fossilenPrimärenergieträgerKohle, Erdöl, Erdgas und ihre Produkte: Benzin,Dieselkraftstoff,Was-serstoff, Erdgas, Alkohol, etc.

Für einen herkömmlichen Antriebsstrang lässt sich ein Langzeitspeicher, z. B. Benzinim Tank, mit der dazugehörigen Energiewandlungsmaschine, dem Verbrennungsmotor,koppeln. Diese und weitere, zum Teil alternative Langzeitenergiespeicher und die zugehö-rigen Energiewandler sind im Abb. 2.2 schematisch dargestellt.

In einem Kurzzeitspeicher lässt sich die Energie, ganz im Gegensatz zum Langzeitspei-cher, beliebig in ihre Urform umwandeln. Bei einem Kurzzeitspeicher ist die Energietemporär gelagert, sei es elektrochemisch, elektrostatisch, kinetisch oder hydraulisch. EineRückwärtsreaktion und damitWiederaufladung ist möglich. Die wichtigsten Kurzzeitspei-cher und die dabei verwendeten Energiewandler sind in Abb. 2.3 dargestellt.

10 S. Saenger-Zetina et al.

a b

Benzin Dieselkraftstoff

Erdgas Wasserstoff

Hubkolbenmotor Kreiskolbenmotor

Turbine Brennstoffzelle

Abb. 2.2 Zu den Energiespeichern: a Langzeitspeicher. b Zugehörige Energiewandler

a b

Batterie Kondensator

Schwungrad HydrostatischerSpeicher

Elektrische Maschine

Umschlingungs-getriebe

Druckluftmotor

Hydraulikmotor

Abb. 2.3 Zu den Energiespeichern: a Kurzzeitspeicher. b Zugehörige Energiewandler

Selbstentladung Innere Verluste

Leistungswunsch [%]

Ene

rgie

inha

lt [%

]

0 1000

100

Langzeitspeicher

Kurzzeitspeicher

Abb. 2.4 Definition und Grenzen eines Kurzzeitspeichers (z. B. Batterie) und eines Langzeitspei-chers (z. B. Benzintank)

Der Zusammenhang zwischen der Energie und der Leistung eines Energiespeicherswird im Folgenden erläutert. Abbildung 2.4 stellt die zur Verfügung stehende Energie alsFunktion der Wunschleistung nach [Christen00] für einen Langzeitspeicher (Benzintank)und einen Kurzeitspeicher (Batterie) schematisch dar. Die waagerechte Linie zeigt, dass

2 Hybride Antriebsstrukturen 11

1

10

100

10000

100

Spezifische Energie [Wh/kg]

Spe

zifis

che

Leis

tung

[W/k

g]

10

1000

5 50 500

Kondensatoren

Brennstoffzellen

Kurzzeit-Schwungrad

Pneum.Speicher

1000

Li-Ion-BatterieenergieoptimiertNiMH-

Batterie

NiCd-Batterie

Pb-Batterie

10 s1 s 100 s0,1 s

HydrostatischerSpeicher

100000

10000 100000

Li-Ion-Batterieleistungsoptimiert

Verbrennungsmotor

Kurzzeitenergiespeicher

Langzeitenergiespeicher

1000 s

10000 s

100000 s

1000000 s

Langzeit-Energie-Schwungrad

Abb. 2.5 Gravimetrisches Ragone-Diagramm mit Information aus [Linden02] und [Huggins08]

nahezu jede Leistung unabhängig vom Energieinhalt entnommen werden kann. Der Gradder Leistungsentnahme sollte außerdem keinen Einfluss auf die Höhe der gespeichertenEnergie haben. Das ist bei flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Benzin und Dieselkraftstoffder Fall. Deswegen entsteht beispielsweise bei einem Benzintank keine Leistungseinbuße.

Die blaue durchgezogene Linie zeigt die Zusammenhänge zwischen Energieinhalt undLeistungswunsch bei einem Kurzzeitspeicher (Batterie). Es besteht eine Abhängigkeit zwi-schen dem verfügbaren Energieinhalt und der verfügbaren Leistung. Um eine lange Le-bensdauer sicherzustellen, werden Batterien nicht zu 100% geladen und auch nicht bis auf0% entladen, da sich sonst die wirksame Energiedichte der Batterie verschlechtern wür-de. Werden bei einer vollgeladenen Batterie über eine längere Zeit keine oder nur geringeLeistungen entnommen, so kommt es zur Selbstentladung, die dann zu einem geringerenEnergieinhalt führt (Leckage). Werden bei einer geladenen Batterie sehr hohe Leistungen

12 S. Saenger-Zetina et al.

Tab. 2.1 Volumetrische Energie- und Leistungsdichte

Energiedichte [Wh/l] Leistungsdichte [W/l]NiMH-Batterie 200−400 100Li-Ionen-Batterie 200−400 500−700Li-Polymer-Batterie 1000−1500 500−600Wasserstoff gasförmig 1000 1000−2000Wasserstoff flüssig 1500 1000−2000Benzin 8000 9000

entnommen, so steigen die inneren Verluste stark an, so dass der nutzbare Energieinhaltstark absinkt.

In herkömmlichen Hybridantrieben werden überwiegend Batterien verwendet. Bat-terie bezeichnet in der Fachliteratur nicht nur elektrochemische, aus Zellen bestehende,Speicher, die nach der Entladung nicht wieder aufgeladen werden können (sog. „Primär-zellen“), sondern auch die aufladbaren (sog. „Sekundärzellen“). Bei Letzteren spricht manauch von einem Akkumulator [DIN40729]. Für das Fahrzeug wird der Begriff Traktions-batterie verwendet, sofern die darin gespeicherte Energie für den Antrieb genutzt wird.Elektrochemische Zellen können entweder in Serie oder parallel geschaltet werden. Bei se-riell geschalteten Zellen wird die nutzbare Spannung gesteigert. In einer Parallelschaltungerhöht sich hingegen die nutzbare Stromstärke. Eine Traktionsbatterie, die aus seriell undparallel geschalteten Zellen besteht, bedient sich beider Vorteile.

Nach [Huggins08] wird immer dann von einer Hochqualitäts-Batterie gesprochen,wenn die Zellenspannung U0 (Potential des Energiespeichers) zwischen 3,5V und 5Vliegt. Die Ruhespannung einer Mittelqualitäts-Batterie liegt zwischen 1,5V und 3,5V, dieeiner Niedrigqualitäts-Batterie beträgt zwischen 0V und 1,5V. Für Hybridfahrzeuge sindBatterien mit hohem Spannungsniveau wegen ihrer hohen Leistungsabgabe und ihreshohenWirkungsgrades besser geeignet.

Weitere wichtige Aspekte für die Bewertung von Energiespeichern sind sowohl diegravimetrische als auch die volumetrische Energie- und Leistungsdichte. Abbildung 2.5stellt die gravimetrischen Energiedichten in einem sog. Ragone-Diagramm dar [Rago-ne68, Christen00]. Die abgebildeten Felder wurden unterschiedlichen Literaturquellen[Linden02, Huggins08] entnommen. Die Diagonalen im Diagramm zeigen die zeitlicheVerfügbarkeit des Speichers bei der jeweiligen Entladung. Tabelle 2.1 veranschaulicht −bezogen auf das Volumen − die Werte für die Energiedichte sowie die Leistungsdichte fürverschiedene Energiespeicher.

Betrachtet man im Ragone-Diagramm die spezifische Energiedichte (Abb. 2.5), ergibtsich für NiMH-Batterien (Nickel-Metall-Hydrid) eine Energiedichte von etwa 100Wh/kg,für Lithium-Ionen-Batterien ergibt sich ein Wert von etwa 150Wh/kg. Die volumetrischeEnergiedichte befindet sich bei beiden Batterietypen bei etwa 200 bis 400Wh/l. InmobilenAnwendungen spielt die Masse eine wichtigere Rolle als das Volumen, da die Fahrzeug-masse einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch hat. Die Entscheidung für

2 Hybride Antriebsstrukturen 13

Drehzahlwandler

Drehmomentwandler

Kupplungnass oder trocken

HydrostatischeKupplung

Hydro-dynamischer

Wandler

Planetengetriebe Stirnradgetriebe Umschlingungs-getriebe

Abb. 2.6 Drehzahl- und Drehmomentwandler

einen bestimmten Batterietyp hängt von einer Reihe von verschiedenen Parametern, wiez. B. Masse, Volumen, Kosten, Sicherheit, Zyklenfestigkeit, Betriebstemperatur und Infra-struktur ab.

2.1.2.3 Drehzahl- und DrehmomentwandlerDermechanischeWegder Energiewandlung bis zumRad kann selten direkt durch denMo-tor durchgeführt werden. Hierzu ist mindestens ein Drehzahl- und Drehmomentwandlernotwendig, üblicherweise als Getriebe bezeichnet. Das Getriebe ist das Verbindungsele-ment zwischen Motor und Fahrzeug. Es stellt die Antriebsleistung bei jeder Fahrzeug-geschwindigkeit zur Verfügung und wird durch seine Kinematik, die Anzahl der Gänge,die Spreizung, den Wirkungsgrad und durch die übertragbare Leistung charakterisiert.Abbildung 2.6 stellt gängige Getriebekomponenten, aufgeteilt in Drehzahl- und Drehmo-mentwandler, schematisch dar.

Drehzahlwandler, wie beispielsweise Kupplungen, werden benutzt, um die Drehzahl-unterschiede zwischen Antrieb und Abtrieb auszugleichen. Das ist vor allem in der Phasedes Anfahrens erforderlich. Der Fahrbereich des Verbrennungsmotors unterhalb der Leer-laufdrehzahl bis zur Drehzahl null wird durch den Schlupf zwischen Antrieb und Abtrieb,ermöglicht durch die Kupplung, erweitert. In einer Kupplung erfolgt eine reine Drehzahl-wandlung, d. h. das Drehmoment wird beibehalten. Dabei wird ein Teil der kinetischenEnergie in Wärme umgewandelt. Eine weitere wichtige Funktion einer Kupplung ist dieTrennung der Verbindung zwischen Motor und Getriebe, damit ein lastloser Schaltvor-gang vorgenommen werden kann.

Getriebe werden in Stufengetriebe und stufenlose Getriebe unterteilt. Stufengetriebehaben in jedem Gang eine feste Übersetzung zwischen Antrieb und Abtrieb. Je höher dieAnzahl der Getriebestufen ist, desto besser ist die Annäherung an die ideale Zugkrafthy-perbel. Ein stufenlosesGetriebe ermöglicht eine kontinuierlich veränderlicheÜbersetzung.Zu den stufenlosen Getrieben zählen Kettenwandler-, Wälzkörper- sowie hydrostatischeoder elektrisch unterstützte leistungsverzweigte Getriebe. Die Drehmoment- und Dreh-

14 S. Saenger-Zetina et al.

Tab. 2.2 Konventionelle Getriebearten nach [SaengerZetina09]

Getriebeart Symbol, Skizze FunktionsprinzipAutomatikgetriebe Feste Übersetzungsverhältnisse, An-

fahren und Synchronisation überhydrodynamischen Drehmomentwand-ler

Continuous Variable Trans-mission, CVT-Getriebe

Variable Übersetzungsverhältnisse,Variation über zwei verstellbare Kegel-scheiben und Kette

Manuelles oder automatisier-tes Schaltgetriebe

Feste Übersetzungsverhältnisse,Stirnradgetriebe mit wahlweise manuel-ler oder automatisierter Kupplung

Doppelkupplungsgetriebe Feste Übersetzungsverhältnisse,Stirnradgetriebe mit zwei Trocken- oderNasskupplungen

zahlwandlung erfolgt automatisch. Darüber hinaus teilt man Getriebe in solche mit undohne Zugkraftunterbrechung ein. Einfache Stufengetriebe haben eine Zugkraftunterbre-chung, während Automatik- und Doppelkupplungsgetriebe keine Zugkraftunterbrechungaufweisen (siehe Abschn. 3.5 und [Wallentowitz08]). Tabelle 2.2 stellt die vier häufigstenGetriebearten für konventionelle Antriebe schematisch dar.

Bei der Entwicklung einesHybridfahrzeuges ist es erstrebenswert und sinnvoll, bekann-te, herkömmlicheGetriebe zu verwenden. BeimHybridantriebwird häufig der vorhandenekonventionelle Antriebsstrang mit einer oder mehreren elektrischen Maschinen ohne er-heblichen Adaptionsaufwand ergänzt. Der Hybridantrieb besteht imWesentlichen aus derKombination von konventionellenVerbrennungsmotoren und elektrischenMaschinenmitkonventionellen Getrieben (Stirnrad- und Planetengetrieben) oder kontinuierlich verstell-baren Getrieben (Kegelrad-, Reibradgetriebe). Anstelle eines konventionellen Getriebeskann auch ein leistungsverzweigtes Getriebe zur Anwendung kommen. Diese unterschied-lichen Kombinationen werden im Folgenden näher erläutert.

2.2 Vorteile eines Hybridantriebs

Der große Vorteil eines Hybridantriebs ist es, dass er die Vorteile eines Verbrennungsmo-tors mit den Vorteilen eines Elektroantriebs verbindet. Die großen Reichweiten eines Ver-

2 Hybride Antriebsstrukturen 15

brennungsmotors werden mit dem lokal emissionsfreien elektrischen Fahren in der Stadtkombiniert. Durch die Start-Stopp-Funktion wird der Kraftstoffverbrauch des Verbren-nungsmotors reduziert und durch die Rekuperation der kinetischen Energie des Fahrzeugsbeim Bremsen wird die Batterie aufgeladen. Ein weiterer Vorteil ist das lokal emissionsfreieelektrische Fahren. Vorteilhaft ist auch der so genannte Boostbetrieb, bei dem der Elektro-motor den Verbrennungsmotor bei Beschleunigungsvorgängen unterstützt.

Neben diesen messbaren Vorteilen gibt es auch subjektive erlebbare Vorteile, die derFahrer als Fahrkomfort bemerkt. Der Fahrkomfort desHybridantriebs liegt auf demGebietder Fahrbarkeit, des Geräuschverhaltens, des Schwingungsverhaltens und des Schaltkom-forts. Vorteilhaft für den Nutzer ist auch das Wissen um die geringeren CO2-Emissionenund die Möglichkeit, elektrisch völlig emissionsfrei fahren zu können.

2.2.1 Technische Vorteile

Hybridantriebe bieten entscheidende Vorteile gegenüber einem herkömmlichen An-triebsstrang. Erstens werden durch das Stoppen des Verbrennungsmotors (bei der Start-Stopp-Funktion) Leerlaufverluste vermieden. Zweitens wird der Verbrennungsmotorausgeschaltet und das Hybridfahrzeug rein elektrisch betrieben, wenn nur wenig Antriebs-leistung benötigt wird. Drittens wird beim Bremsen und im Schubbetrieb die kinetischeEnergie des Fahrzeugs über den Generator in elektrische Energie gewandelt und zumLaden der Batterie genutzt. Viertens wird der Verbrennungsmotor bei einem Hybridan-trieb häufig und lang in einem günstigen Wirkungsgradbereich betrieben, ungünstigeWirkungsgradbereiche werden weniger angefahren. Fünftens wird eine Optimierung desGesamtwirkungsgrads des Antriebsstrangs durch eine Lastpunktanhebung des Verbren-nungsmotors erreicht.

Abbildung 2.7 zeigt den Fahrbetrieb eines Hybridantriebs in einem einfachen Fahrzy-klus. Der Hybridantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor, einem Tank, einer elektri-schen Maschine und einer Traktionsbatterie. Die Zustände der Antriebsstrangkomponen-ten werden in der Abbildung vereinfacht dargestellt. Der Verbrennungsmotor weist dreiZustände auf: antreibend, aus und schleppend. Die elektrische Maschine weist ebenfallsdrei Zustände auf: elektromotorisch, aus und generatorisch. Auch die Traktionsbatterie istdurch drei Zustände gekennzeichnet: ladend, ruhend und entladend.

Bei Fahrzeugstillstand sind sowohl der Verbrennungsmotor als auch die elektrischeMaschine ausgeschaltet. Die elektrische Maschine ist für das Kriechen und das Anfahrenzuständig (a,b in Abb. 2.7). Bei mäßiger Verzögerung wird die elektrische Maschine alsGenerator betrieben. Dabei entsteht ein negatives Drehmoment, um das Fahrzeug zumStillstand zu bringen (c). Die Traktionsbatterie wird dabei aufgeladen.

Zur Beschleunigung wird der Verbrennungsmotor durch die elektrische Maschine ge-startet (d) und das Fahrzeug hybridisch betrieben (e), und die Leistungsspitzen werdendurch die elektrische Maschine übernommen (f). Bei Autobahnbetrieb wird das Fahrzeugmit dem Verbrennungsmotor betrieben und die Hybridkomponenten werden nicht be-