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Ob Verbrennungs- und Elektromotoren für Hybridfahrzeuge miteinander harmonieren, hängt entscheidend vom Getriebe ab. Die Hersteller verfolgen dabei höchst unterschiedliche Ansätze

Welches Bild erscheint vor Ihrem inneren Auge, wenn Sie an einen Daihatsu Applause denken? Wann haben Sie zuletzt einen Chrysler Neon in Ihrer Straße parken sehen? Würden Sie einen Lancia Lybra ohne Typenschild erkennen? Oder einen Hyundai Trajet? Wahrscheinlich nicht. Dabei haben alle diese Exoten eines gemeinsam: Von ihnen sind auf deutschen Straßen mehr Exemplare unterwegs als vom Toyota Prius. Gerade einmal 8272 Zulassungen verzeichnete das Kraftfahrt-Bundesamt bis zum 1. Januar 2007. Und doch hat kaum ein Auto die Branche so in Bewegung gebracht wie der unscheinbare Mittelklasse-Japaner.

Arbeitsteilung

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Benzin und Batterie vereint (0 Bilder) [1]

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Der Grund dafür ist sein Hybridantrieb – Verbrennungs- und Elektromotor teilen sich die Arbeit. Vor allem im Stadtverkehr erreicht der Prius damit unerreicht gute Verbrauchswerte. In der Auto-Umweltliste des Verkehrsclubs Deutschland (VCD) rangiert er auf Platz zwei – hinter der Hybridversion des Honda Civic. Das strahlt auf die ganze Marke ab: Nach einer Umfrage des Marktforschungsunternehmens Puls ist Toyota der Hersteller mit dem besten Öko-Image. Auch wenn deutsche Wettbewerber mäkeln, dass Toyota mit dem rund 25.000 Euro teuren Prius unmöglich Gewinn machen könne: Das womöglich zugeschossene Geld wäre als Marketing-Investition gut angelegt.

Mehr als eine Marketing-Idee

Doch zu behaupten, dass Toyota nur durch gutes Timing, geschicktes Marketing und viel Geld den Hybridgedanken durchgeboxt hat, wäre unfair. Denn der Prius ist in der Tat ein Fahrzeug von beachtlicher technischer Eleganz. Sein Herz besteht aus einem sogenannten Planetengetriebe. Dessen zentrales Zahnrad („Sonne“) ist mit einem Generator verbunden, der Planetenkranz („Steg“) mit dem Verbrennungsmotor und das Gehäuse („Hohlrad“) mit einem Elektromotor sowie der Antriebsachse. Solange nur der Verbrennungsmotor läuft, passiert hier nichts – die inneren Zahnräder drehen sich im Leerlauf umeinander, die Antriebsachse bleibt unbehelligt. Erst in dem Maße, in dem der Generator eine Gegenkraft aufbaut, wird die Kraft des 1,5-Liter-Benziners auf den Antriebsstrang übertragen. Die Übersetzung lässt sich also stufenlos regeln, indem der Generator mehr oder weniger Leistung anfordert. Auf diese Weise kommt der Prius völlig ohne Kupplung und weitere Schaltelemente aus.

„Solch ein stufenloses Getriebe ist etwas, was die Autobauer immer schon haben wollten, was sich aber nie durchsetzen konnte“, sagt Bernd Lenzen, Oberingenieur am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der TU Darmstadt. Bei herkömmlichen „Continuous Variable Transmissions“ (CVT) wird die Kraft über die Reibung von Keilriemen oder Gliederketten übertragen – entsprechend hoch sind die Wirkungsgradverluste. Beim Planetengetriebe dagegen entfällt dieser Reibungsverlust, weil die Kraft nur von Zahnrad zu Zahnrad wandert.

Benzin und Batterie vereint

Optimaler Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors

Der Clou eines CVT: Es ist nicht nur komfortabel, sondern hält den Verbrennungsmotor auch weitgehend im optimalen Drehzahlbereich. Das senkt den Spritverbrauch, denn gerade bei Teillast hat ein Benzinmotor durch die Drosselklappenverluste einen schlechten Wirkungsgrad. Ist der Motor also beim langsamen Dahinzockeln unterfordert, wird mehr Strom vom Generator angefordert, und der Motor kommt in einen besseren Leistungsbereich („Lastpunktanhebung“). Ein weiterer Vorteil: „Mit CVT-Getrieben kann ich den Motor in extrem niedrigen Drehzahlen laufen lassen. Wenn ich dann beschleunigen will, käme ich normalerweise nicht vom Fleck. Durch die schnelle Übersetzungsänderung des CVT und die Unterstützung des E-Motors kann aber auch dann ein sehr spontanes Verhalten erreicht werden“, sagt Antriebsforscher Lenzen.

Abgespeckter Benziner

Durch den Elektroantrieb in der Hinterhand kann der Verbrennungsmotor zugleich sparsamer ausgelegt werden. Beim Prius arbeitet ein Benziner nach dem sogenannten Atkinson-Prinzip. Dabei schließen die Einlassventile – anders als beim konventionellen Ottomotor – erst nach dem unteren Totpunkt des Kolbens. Die Vorteile sind ein sparsamer Betrieb und ein sanftes Anspringen. Das wird zwar mit einem geringen Drehmoment in den unteren Drehzahlbereichen bezahlt, doch die Unterstützung durch E-Motoren kann dieses Manko ausgleichen. BMW hat allerdings angekündigt, beim Verbrennungsmotor für Hybridfahrzeuge trotzdem „keinerlei Downsizing“ vornehmen zu wollen.

Der Nachteil des Prius-Konzepts: Ein Teil der Leistung muss immer beim Generator landen – deshalb heißt das Prinzip „leistungsverzweigt“. Diese abgezweigte Energie kann zunächst in den Batterien zwischengelagert werden, bis sie wirklich gebraucht wird. Doch wenn die Akkus voll sind, geht der Strom unabhängig vom Bedarf an den Elektromotor, von dem er dann wieder in mechanische Energie zurückverwandelt wird – ein verlustreiches Hin und Her.

Grenzen der Leistungsverzweigung

Trotzdem ist Toyota auch bei seinen anderen Hybridmodellen der Leistungsverzweigung treu geblieben. Allerdings ist mit dem Geländewagen Lexus RX 400h ein neues Element in den Hybrid-Antriebsstrang eingezogen: ein zweites Planetengetriebe, das die Drehzahl des Elektromotors um den Faktor 2,5 untersetzt. Dadurch kann eine kleinere und leichtere hochdrehende E-Maschine verwendet werden. Da die maximale Drehzahl des E-Motors die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt, hat dieses Untersetzungsgetriebe in den Limousinen Lexus GS 450h und LS 600h [3] zwei Gänge bekommen – anders wären die klassengemäßen 250 km/h Höchstgeschwindigkeit kaum zu erreichen gewesen.

Um den Vorsprung von Toyota aufzuholen, haben sich General Motors, Daimler und BMW sowie VW, Audi und Porsche zu Entwicklungskonsortien zusammengeschlossen. Beide Gruppen arbeiten daran, den Verlust durch die Leistungsverzweigung einzudämmen – doch ansonsten unterscheiden sich ihre Ansätze diametral voneinander: Daimler und Konsorten wagen sich an mehr Komplexität, Porsche und Partner setzen auf mehr Einfachheit.

Benzin und Batterie vereint

Komplexer Gegenentwurf

Das Daimler-Trio hat sein sogenanntes „Two Mode“-Hybrid-Konzept zunächst ebenfalls um ein leistungsverzweigendes Planetengetriebe herumgebaut. Allerdings hat es ihm zwei weitere Planetengetriebe sowie vier Kupplungen zur Seite gestellt. Zwei dieser Kupplungen arbeiten als Bremsen, die gezielt Zahnräder anhalten und so die bisweilen unerwünschte Leistungsverzweigung steuern oder ganz aufheben können. Dadurch lassen sich insgesamt sechs verschiedene Fahrzustände realisieren.

Im ersten Modus fährt der Wagen überwiegend elektrisch – dadurch ist nach Auskunft von Rainer Rump, der bei BMW die Hybrid-Kooperation betreut, ein unübertroffen sanftes und zugleich kräftiges Anfahren möglich. Im zweiten Modus wird weiterhin die Kraft verzweigt, allerdings mit einem größeren Anteil an mechanischer Leistung. Das soll die Effizienz im Teillastbereich erhöhen. Zusätzlich kann in diesem Fahrzustand die Drehrichtung eines der beiden Elektromotoren umgekehrt werden; über das komplizierte Zusammenspiel der vielen Zahnräder ergibt das eine extralange Sparübersetzung („Overdrive“), die die Motordrehzahl weiter reduziert.

BMW sieht Markenidentität gewahrt

Die vier weiteren Fahrmodi bestehen aus vier mechanischen Gängen mit fester Übersetzung ohne Leistungsverzweigung. Anders als bei leistungsverzweigten Getrieben stehen dabei beide Elektroaggregate gleichzeitig zum Umwandeln der Bremsenergie oder zur Unterstützung der Verbrennungsmaschine bereit. Ein Nebeneffekt der mechanischen Fahrstufen, den BMW mit „haptischem und akustischem Feedback“ umschreibt: Beim Gasgeben heult der Motor weiterhin auf. „Wir wissen, dass unsere Kunden das lieben“, sagt BMW-Sprecher Daniel Kammerer. Bei einem CVT-Getriebe dagegen wird der Motor auch beim Beschleunigen möglichst in konstanter Drehzahl gehalten.

Kompakte Bauform

Das gesamte Two-Mode-System soll trotz seiner Komplexität in den Bauraum für ein herkömmliches Automatikgetriebe passen. Die Schaltelemente sind Lamellenkupplungen, die bereits in normalen Automatikgetrieben eingesetzt werden und nicht neu entwickelt werden mussten. 2009 soll der BMW X6 als voraussichtlich erster Hybrid mit Two-Mode-Getriebe auf den Markt kommen, und trotz des Gemeinschaftsgetriebes als echter BMW zu erkennen sein: „Worüber auch im Konsortium viel diskutiert wird, ist die Frage: Fühlt sich das dann nicht alles gleich an? Die Antwort ist Nein. Durch die Einstellung, wann die Fahrzustände gewechselt werden, kann immer noch eine BMW-typische Abstimmung erreicht werden“, verspricht Hybrid-Manager Rump.

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b]Parallelhybrid: Schlicht, aber ergreifend[/b]

Sehr viel schlichter ist das Parallel-Hybrid-Konzept der VW-Gruppe: Ein einziger Elektromotor sitzt auf der Antriebsachse zwischen Verbrennungsmotor und konventionellem Automatikgetriebe. Beim rein elektrischen Fahren wird die Verbrennungsmaschine abgekoppelt, ansonsten laufen Kolben- und E-Motor stets mit derselben Drehzahl. Das gesamte System soll dadurch deutlich leichter sein als die leistungsverzweigten Getriebe, aus vielen Serienteilen bestehen und im Baukastensystem mit unterschiedlichen Motoren und Getrieben kombiniert werden können.

Auch innerhalb der Parallelfraktion gibt es allerdings eine Reihe unterschiedlicher Ansätze. Der Getriebehersteller Getrag, der unter anderem Ford und Volvo beliefert, bevorzugt die Anbindung des E-Motors über ein Doppelkupplungsgetriebe [4]. Dabei handelt es sich im Prinzip um zwei Hälften eines herkömmlichen Schaltgetriebes, die jeweils über eine eigene Kupplung mit dem Motor verbunden sind. Wird ein E-Motor über ein Zahnrad an eine dieser Hälften angeschlossen, kann eine Zwischenuntersetzung gewählt werden, die es erlaubt, effizientere hochdrehende E-Maschinen zu verwenden.

Elegante Allrad-Lösung

Noch vor den ersten hybriden Doppelkupplungsgetrieben will Getrag aber ein Modell für Allradantrieb auf den Markt bringen – und zwar um 2010 bei einem Kompaktwagen. Die Besonderheit dabei: Vorder- und Hinterachse werden völlig unabhängig voneinander angetrieben. Während an der Vorderachse ein normaler Verbrennungsmotor arbeitet, verrichtet hinten ein Elektromotor mit eigenem Getriebe und Differenzial seinen Dienst – oder umgekehrt. Der Vorteil: Die Kardanwelle und das Zwischendifferenzial für den Allradantrieb können wegfallen.

Auf die Kupplung kommt es an

Eine wichtige Rolle übernimmt bei Parallel-Hybriden die Kupplung, da es kein Planetengetriebe gibt, das die Last sanft verteilen könnte. Die Kupplung muss deshalb extrem schnell reagieren, um den Verbrennungsmotor komfortabel zu- und abzukoppeln. Außerdem muss sie beim Start des Verbrennungsmotors kurzzeitige Drehzahlunterschiede ausgleichen, damit kein Ruck durchs Fahrzeug geht. Details über die dafür speziell entwickelte Kupplung möchte das VW-Konsortium nicht nennen – nur so viel: Es handelt sich um eine hydraulisch betätigte Trockenkupplung.

Solche speziell für den Hybridantrieb entwickelten Schaltelemente sind allerdings die Ausnahme. Zulieferer wie Getrag, ZF, Continental oder Bosch, die zusammen mit den Autoherstellern an Hybridmodulen arbeiten, legen Wert auf die Feststellung, dass sich diese Komponenten in das Baukastensystem aus vorhandenen Getrieben und Motoren unterschiedlicher Hersteller einfügen. Bei Toyota ist das anders – dort sind die Zulieferer eng an den Abnehmer gebunden und können es sich leisten, speziell auf einen Hersteller zugeschnittene Antriebskonzepte zu entwickeln.

Benzin und Batterie vereint

Wer spart am besten?

Und welches ist nun das beste Hybridgetriebe? Solange nur die Fahrzeuge von Toyota und Honda im Alltag getestet werden können, muss das eine akademische Frage bleiben. Beide deutschen Konsortien versprechen eine Spriteinsparung von 20 bis 25 Prozent. Dabei ist noch nicht einmal klar, wie genau sich diese Einsparungen zusammensetzen. Laut BMW-Sprecher Kammerer werden etwa drei Prozent durch die Start-Stopp-Funktion des Motors hereingeholt und lediglich weitere drei Prozent durch die Wiedergewinnung von Bremsenergie („Rekuperation“); die restlichen 14 Prozent der Verbrauchsreduktion sollen durch das bessere Lastmanagement des Verbrennungsmotors zustande kommen.

Der Darmstädter Motor-Experte Lenzen sieht das ähnlich: „Rekuperation lässt sich marketingtechnisch zwar gut verkaufen, aber letztlich bekommen Sie gar nicht so viel Energie rein, weil die Batterie so viel gar nicht aufnehmen kann.“ Der wesentliche Spareffekt bestehe darin, den Verbrennungsmotor „mit hoher Last oder gar nicht“ zu betreiben. Doch die Experten sind sich in dieser Frage uneins: Nach Messungen von Peter Tenberge, Inhaber der Professur für Maschinenelemente der TU Chemnitz, bietet das stufenlose Lexus-Getriebe nur einen minimalen Verbrauchsvorteil gegenüber einer Sechsgang-Automatik. Größere Sparwirkung schreibt Tenberge der Start-Stopp-Automatik und der Wiedergewinnung von Bremsenergie zu.

Normverbrauch und Praxisschock

Auch in der Praxis der schon existierenden Hybride ergibt sich ein uneinheitliches Bild. Zwar sind sie im Normverbrauch nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus schwer zu toppen, doch in der Praxis kann das mitunter ziemlich anders aussehen: Gerade bei flotten Autobahnfahrten verfliegt ihr Verbrauchsvorteil – die Zeitschrift „Auto Bild“ hat in einer Testfahrt mit einem Lexus RX 400h einen Verbrauch von vollen 48 Prozent über den Herstellerangaben für den Fahrzyklus erreicht.

Peter Tenberge fährt selbst einen Lexus-Geländewagen und kann diese Erfahrung bestätigen: „Man muss elektrokonform fahren, also sanft anfahren und bremsen, um wirklich Verbrauchsvorteile zu erzielen – aber wenn ich so fahre, spare ich auch mit jedem anderen Auto Sprit.“ Stefan Rinderknecht vom Getriebespezialisten Getrag ergänzt: „Für Langstreckenfahrer ist Hybrid nicht das Richtige.“

Hybrid-Konzept muss zum Fahrzeugtyp passen

Genau hier liegt ein nicht unerhebliches Problem: Hybridantriebe sind groß, schwer und teuer und lassen sich deshalb zunächst am besten in großen Limousine unterbringen und verkaufen – und das sind nun einmal Langstreckenwagen. Deren starke Motorisierung ist für ein leistungsverzweigtes System auch aus anderen Gründen hinderlich: Um im Planetengetriebe eine Gegenkraft zum Verbrennungsmotor aufbringen zu können, müssen die E-Maschinen passend dazu dimensioniert sein. Der energetische Nutzen des Hybridantriebs ist aber durch die Leistung der Batterie begrenzt – stärkere E-Motoren bringen ab einem bestimmten Punkt also weder zusätzliche Leistung noch weiteren Effizienzgewinn. „Für leichte und niedrig motorisierte Autos wie den Prius ist das Planetengetriebe aber eine sehr gute Lösung“, sagt Tenberge.

Benzin und Batterie vereint

Lohnt sich der Aufwand?

Auch beim Two-Mode-Getriebe sind die Experten skeptisch – hauptsächlich wegen seiner Komplexität. Lenzen: „Wenn ich von null komme und strebe gleich eine ultimative Lösung an, dann ist das ein mutiges Ziel.“ Für Tenberge macht das Two-Mode-Getriebe ebenfalls „nur dann Sinn, wenn Sie den Komfort eines stufenlosen Getriebes wollen“.

Er erklärt sich das komplexe Konzept von BMW, Daimler und General Motors eher aus der Historie heraus: „Vor zehn Jahren, als die Entwicklung begann, lag Leistungsverzweigung im Trend, Doppelkupplungsgetriebe gab es noch nicht, und die Automatiken hatten maximal vier Gänge. Bei den neuen Achtgang-Automatiken sind die Stufensprünge so gering, dass durch CVT kaum noch etwas zu holen ist.“ Sein Fazit: „Alle unsere Berechnungen zeigen, dass einfache Systeme das Gleiche leisten wie ein noch so aufwendiges leistungsverzweigtes.“ Auch Markus Fugel, Mitarbeiter am Institut für Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Braunschweig, sagt: „Technisch gesehen spricht kein Faktor dagegen, dass ein Parallelhybrid die gleichen Komfortziele erreicht wie ein Power-Split-Hybrid.“

Mild Hybrid und Plug-in

Dass weniger mehr sein kann, zeigt auch der Honda Civic mit seinem „milden [5]“ Hybridantrieb. Dieser entspricht in seiner Architektur weitgehend dem parallelen Hybrid, sieht aber kein rein elektrisches Fahren vor. Obwohl er nur einen 20 Kilowatt (27 PS) starken Elektromotor hat (Prius: 50 kW / 68 PS), verbraucht der Civic im Normzyklus nur minimal mehr als der etwas größere Prius.

Energetisch sinnvoll wäre der rein elektrische Antrieb allerdings, wenn die Batterien nicht durch Rekuperation oder den eingebauten Verbrennungsmotor geladen würden, sondern über das Stromnetz („Plug-in-Hybrid“). Denn das kann über die gesamte Energiekette betrachtet durchaus ökologischer sein als die Benzinverbrennung, und billiger für den Fahrer ist es ohnehin. Toyota hat bereits einen Prius als Plug-in angekündigt [6]. Entscheidend dafür sind jedoch leistungsfähigere Batterien.

Gegenwart und Zukunft

Rein von der Antriebstechnik her lässt sich der Plug-in schon jetzt mit jedem der Vollhybrid-Konzepte auf die Räder stellen. Ob sie aber schon an einer Plug-in-Version arbeiten, dazu halten sich die deutschen Hersteller bedeckt. Immerhin: General Motors hat mit seinen Konzeptstudien Opel Flextreme [7] und Chevrolet Volt schon zwei recht konkrete Fahrzeuge vorgestellt, die allerdings auf der seriellen Plug-in-Architektur basieren: Der gesamte Antrieb ist elektrisch, der Verbrennungsmotor dient nur noch zum Laden der Batterien. Dadurch läuft er zwar ständig im idealen Leistungsbereich, doch der Wirkungsgradverlust durch die zwischenzeitliche Umwandlung von mechanischer Energie in Strom ist bei diesem Ansatz fest eingebaut.

So etwas würde zwar zu Stadtautos passen, die sich überwiegend rein elektrisch von Steckdose zu Steckdose hangeln können – für ausgewachsene Limousinen hingegen wäre es kontraproduktiv. Ein Plug-in-Hybrid mit Leistungsverzweigung könnte deshalb noch am ehesten die Vorteile der Benzin- und Batteriewelt vereinen. Es ist also gut möglich, dass Toyota wieder einmal einen Schritt voraus ist. (Gregor Honsel)

Dieser Text ist entnommen aus Technology Review Nr. 2/08 und Teil einer Serie zum Thema Auto-Antriebe. Alle fünf Ausgaben der Serie können Sie auf den Abo-Seiten [8] von Technology Reviw bestellen. (ssu [9])

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[3] https://www.heise.de/news/Das-staerkste-Serien-Hybrid-Fahrzeug-im-Test-Lexus-LS-600h-489294.html
[4] http://www.heise.de/autos/artikel/s/4929/2/
[5] https://www.heise.de/news/Der-Mildhybrid-gewinnt-an-Fahrt-442491.html
[6] https://www.heise.de/news/Prius-an-der-Steckdose-458425.html
[7] https://www.heise.de/news/Opel-Flextreme-Mobilitaet-ohne-jegliche-CO2-Emissionen-462164.html
[8] http://www.technologyreview.de/auto-serie
[9] mailto:ssu@ct.de

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