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Die Entwicklung von Hybrid-Fahrzeugen stellt in vielen Details völlig neue Anforderungen an die Automobilentwickler. Doch nur eine kompromisslose technische Umsetzung wird die Kunden auch auf Dauer überzeugen

Wusste noch vor wenigen Jahren kaum jemand, was man unter einem Hybridantrieb zu verstehen hat, kennt ihn heute fast jedes Kind. Der Begriff Hybrid steht für innovativ, ökologisch, verbrauchs- und emissionsarm. Die Werbung, vor allem des so erfolgreichen Herstellers Toyota, hat diesen Zusammenhang in den Köpfen der Menschen verankert. Schauspieler und andere „öffentliche Personen“ transportieren diese Werte und können dabei noch etwas für ihr eigenes Image tun.

Die Wirkung ist nicht ausgeblieben: Selbst unsere Politiker setzen auf Hybridfahrzeuge, wenn es darum geht, mit Hilfe sauberer Fahrzeuge einen Beitrag für Klima- und Umweltschutz zu leisten. Das wusste beispielsweise auch Frau Künast, die für ihren Vorschlag, die Dienstfahrzeuge der Ministerien durch den Toyota Prius zu ersetzen, allerdings nicht den einhelligen Beifall ihrer Kollegen bekam.

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Emotion und Image allein reichen nicht
Doch Emotion und Image alleine reichen nicht, den Hybrid auf Dauer zu etablieren. Vielmehr muss die Technik beweisen, dass sie dem konventionellen Verbrennungsmotor allein überlegen ist. Dieser Nachweis muss unter Abwägung aller ökologischen und ökonomischen Auswirkungen geführt werden.

Im weiteren Sinne werden unter der Bezeichnung Hybridantrieb Fahrzeugantriebe mit mehr als einer Antriebsquelle verstanden. Das, was wir heute als Hybridantriebe auf der Straße sehen, sind Kombinationen aus Verbrennungsmotor und Elektroantrieb. Die konkrete Auslegung im Fahrzeug kann jedoch sehr unterschiedlich sein. Übergeordnetes Ziel jedes Hybridantriebs ist in jedem Fall, die verschiedenartigen Antriebskomponenten so zu kombinieren, dass die Vorteile größer sind als die Nachteile durch den erhöhten technischen Aufwand des Hybridantriebs.

Micro-, Mild- und Full-Hybrid
Für den Pkw-Einsatz kommen ausschließlich parallele oder leistungsverzweigte Hybridstrukturen in Frage, die sich dadurch auszeichnen, dass es neben dem elektrischen auch immer einen mechanischen Pfad der Kraftübertragung gibt. Eine serielle Struktur, bei der der Verbrennungsmotor nur zur Stromerzeugung herangezogen wird, die Kraftübertragung jedoch rein elektrisch erfolgt, kommt sowohl aus energetischen als auch aus preislichen und Platzgründen nicht in Frage.

Nach der Dimensionierung der elektromotorischen Leistungsfähigkeit (Elektromotor und Batterie) unterscheidet man zwischen Micro-, Mild- und Full-Hybrid. Der Aufwand wächst mit dem Grad der Elektrifizierung, die Verbrauchsvorteile steigen jedoch nicht im gleichen Maße. Also müssen Full-Hybrid-Fahrzeuge im Sinne des „besseren“ Systems noch weitere Vorteile aufweisen als die Micro- und Mildhybride.

Bremsenergie nutzen
An erster Stelle der Vorteile steht die Möglichkeit der Bremsenergierückgewinnung. Die Bewegungsenergie des Fahrzeugs, die beim Verzögern an den Bremsen normalerweise in nicht mehr nutzbare Wärmeenergie umgewandelt wird, kann im Hybridfahrzeug mit Hilfe der als Generator betriebenen elektrischen Maschine in Strom gewandelt und in den mitgeführten Batterien gespeichert werden. Anschließend wird diese elektrische Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs genutzt. Da Energieumsetzungen immer auch mit Verlusten einhergehen, kann jedoch nur ein kleiner Teil wiedergewonnen werden. Bezogen auf den Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ ergibt sich durch die Bremsenergierückgewinnung ein Verbrauchsvorteil von etwa 5 Prozent.

Verbrennungsmotor ausschalten
Der zweite große Vorteil eines Hybridantriebs besteht in der Vermeidung des verbrennungsmotorischen Leerlaufbetriebs. Auch hier sind im NEFZ Verbrauchsvorteile von etwa 5 Prozent möglich. Allerdings ist eine Motorabschaltung in Stillstandszeiten auch im konventionell angetriebenen Fahrzeug machbar, eine entsprechende Auslegung von Starter und Starterbatterie vorausgesetzt. Es bleibt jedoch der Vorteil des schnellen und komfortablen Hochlaufs des Verbrennungsmotors – möglich durch die leistungsfähige Elektromaschine.

Wo bleibt der europäische Hybrid?

Ungünstige Lastbereiche vermeiden
Ein dritter Vorteil auf der Verbrauchsseite ist das elektrische oder elektrisch unterstützte Fahren und damit die Vermeidung des verbrennungsmotorischen Betriebs in ungünstigen Lastbereichen. Dadurch ist auch ein Downsizing des Verbrennungsmotors möglich, der wegen der elektromotorischen Unterstützung leistungsärmer als im konventionellen Antriebsstrang ausfallen kann. Allerdings ist die elektromotorische Unterstützung von der endlichen Batteriekapazität abhängig. Der elektrische Antrieb ist daher nicht geeignet, den Verbrennungsmotor dauerhaft zu ergänzen, was beispielsweise bei langen Bergauffahrten mit Hänger berücksichtigt werden muss. Die möglichen Kraftstoffeinsparungen beziffert man auch hier auf etwa 5 Prozent im NEFZ, so dass sich in der Summe die immer wieder propagierten bis zu 15 Prozent Verbrauchsvorteil des Hybriden gegenüber dem konventionellen Antrieb ergeben.

Die genannten Zahlen sind natürlich nur grobe Richtwerte. Sie können in Abhängigkeit vom betrachteten Fahrzeug, den verbauten Aggregaten, den Betriebsphilosophien und letztlich dem Einsatzzweck erheblich davon abweichen. In einer Veröffentlichung der TH Aachen [1] wurden die Kraftstoffverbrauchsvorteile eines hybridisierten Ottomotors im NEFZ mit 16 bis 27 Prozent angegeben.

Neue Anforderungen für Entwickler
Bei der Entwicklung eines Hybridfahrzeugs ist es nicht damit getan, ein paar elektrische Komponenten hinzuzufügen. Tatsächlich sieht sich die die Automobilindustrie teilweise völlig neuen Herausforderungen gegenüber [2], die vielen Außenstehenden nicht bekannt sind. Das beginnt bei der Integration von Bauteilen wie Elektromotoren und Energiespeicher, die im Automobil bisher nicht angewendet wurden, geht über die Vernetzung zusätzlicher Steuerungseinheiten bis hin zu Sicherheitskonzepten, die vollständig überarbeitet werden müssen. Vor allem der Umgang mit Spannungen von mehreren hundert Volt ist ein Novum, das die Entwickler, aber auch später die Werkstätten, beherrschen müssen. Schließlich ist die Entsorgung oder die Wiederaufbereitung und Wiederverwendung der neu hinzugekommenen Bauteile zu lösen.

Die Hybridentwicklung betrifft das gesamte Fahrzeug. Dabei wird in Zukunft erschwerend hinzukommen, dass derselbe Fahrzeugtyp wahlweise mit einem konventionellen oder hybriden Antrieb ausgestattet wird. Das Hybridfahrzeug als eigenständige Fahrzeugkategorie wie der Toyota Prius wird eher die Ausnahme bleiben.

Packaging – veränderte Bauräume im Hybridfahrzeug
Im Motorraum, in dem es in modernen Fahrzeugen bereits äußerst eng zugeht, müssen der Elektromotor, etwaige Steuergeräte und gegebenenfalls ein zweiter Kühlkreislauf untergebracht werden – denn auch die hinzugekommenen elektrischen Komponenten geben zum Teil erheblich Wärme ab. Hinzu kommt der Platzbedarf für die Leitungsführung und Steckkontakte, die wasserdicht und EMV-sicher sein müssen. Den größten zusätzlichen Raum nimmt in jedem Fall die elektrische Speichereinheit ein. Eine Einschränkung des Fahrgast- und Gepäckraums kann in Serienfahrzeugen nicht hingenommen werden. Daher müssen die Entwickler den Raum für die Komponenten bereits in der Auslegung des Fahrzeugs berücksichtigen, was auch für die Wartbarkeit und schnelle Austauschbarkeit dieser Module gilt.

Die Komponenten des elektrischen Antriebs haben auch ein nicht zu unterschätzendes Gewicht, das in einem Vollhybrid ohne Weiteres 200 kg betragen kann. Dadurch ändert sich nicht nur die zulässige Nutzlast, sondern unter Umständen auch das Fahrverhalten und das Handling des Fahrzeugs, besonders dann, wenn es nicht gelingt, das Speicherpaket möglichst tief und nahe am Fahrzeugschwerpunkt zu positionieren. Dass zusätzliches Gewicht grundsätzlich auch einen Kraftstoffmehrverbrauch, geringere Agilität und Spontaneität mit sich bringt, leuchtet jedem ein. Der Hybridantrieb tritt also auch hier mit einem Nachteil an, den er durch größere Effizienz und die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebs kompensieren muss.

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Komfort und Geräusch unter neuen Vorzeichen
Die Kunst des Fahrzeugentwicklers besteht darin, den Fahrzeuginsassen unabhängig davon, ob elektrisch oder verbrennungsmotorisch gefahren wird, einen einheitlichen Eindruck zu vermitteln. Im E-Motor-Modus ist wegen des geringeren Geräuschpegels des Antriebs mit akustischen Auffälligkeiten zu rechnen. So ergeben sich hochfrequente Verzahnungs-Anregungen des Getriebes, verursacht durch die Körperschallübertragung über die Aggregatlager, die zu einer vermehrten Schallabstrahlung des Getriebes führen. Auch Windgeräusche, Abrollgeräusche der Reifen, Fahrwerksgeräusche sowie Geräusche der Nebenaggregate, der Leistungselektronik und deren Kühlung werden stärker als sonst wahrgenommen.

Im Verbrennungsmotor-Modus ist mit schwingungsbedingten Problemen zu rechnen, die aus der Übertragung der Motorschwingungen durch zusätzliche Körperschallbrücken der relativ massiven Elektrokabel entstehen. Im Hybridfahrzeug wird es größere Schwingwege an den Aggregatlagern durch einen längeren und schwereren Antriebsstrang geben. Bei der Betriebsartenumschaltung zwischen E-Motor- und Verbrennungsmotor-Modus ist es notwendig, die Stöße durch Kupplungsvorgänge zu bedämpfen sowie die Start- und Abschaltvorgänge des Verbrennungsmotors komfortabel auszulegen.

Verändertes Crashverhalten
Das Crashverhalten des Fahrzeugs verändert sich erheblich mit einer Änderung der Schwerpunktlage. Je nach Anordnung muss das Batteriepack bei einem Seitenaufprall oder auch einem Heckcrash einen Teil der Aufprallenergie aufnehmen. Dies fällt umso mehr ins Gewicht, wenn die Bewegungsenergie durch das Zusatzgewicht nicht mehr durch ein Herumschleudern des Fahrzeugs abgebaut werden kann. Im Hinblick auf einen Frontalaufprall muss die Batterie so in das Fahrzeug integriert werden, dass die nach vorn drängende Batteriemasse weder für die Insassen noch für die Umgebung eine Gefährdung darstellt. Eine Zerstörung der Batterie sollte unter allen Umständen vermieden werden, es darf bei einem Crash kein Gas austreten und etwaiges Löschwasser darf nicht unter Spannung geraten. Somit muss auch für eine sichere Abschaltung aller Energieträger gesorgt werden, und es dürfen keine spannungsführenden Teile freiliegen.

Nichts für Hobbybastler
Sicherheit ist jedoch nicht nur im Falle eines Fahrzeugcrashs, sondern auch im normalen Betrieb erforderlich. Die Batterie sollte so eingebaut werden, dass der Bereich gegen Flüssigkeiten aus dem Innenraum oder dem Fahrzeugumfeld abgedichtet ist. Eine besondere Anforderung kann hier die vorgeschriebene Wattiefe des Fahrzeugs sein. Das Batteriegehäuse muss so ausgeführt sein, dass der Betreiber des Fahrzeugs, auch und gerade der „Hobbybastler“, nicht mit elektrischen Teilen, in Kontakt gerät – vor allem im Hochvoltbereich. Auch für den Ausfall des elektrischen Systems muss vorgesorgt werden. Dafür müssen Funktionen in der Fahrzeugsteuerung hinterlegt sein, die entscheiden, ob das Fahrzeug stillgelegt werden muss oder ob es im Notlauf bis zur Werkstatt bewegt werden kann. Der elektrische Antrieb stellt ohnehin ein wesentliches Sicherheitsrisiko des Hybridantriebs dar. Anders als der Verbrennungsmotor ist er unmittelbar nach Inbetriebnahme des elektrischen Netzes voll funktionsfähig. Zudem arbeitet er praktisch geräuschlos.

Neue Anforderungen für Verbrennungsmotoren
Für bestmögliche Performance des Gesamtantriebs genügt es nicht, den unveränderten Verbrennungsmotor eines konventionellen Antriebs zu verwenden. Mit dem zweiten Energiewandler im Antriebsstrang kann der Verbrennungsmotor kleiner (Downsizing) oder auch nur einfacher konzipiert sein, denn er muss nicht mehr allein den gesamten Betriebsbereich möglichst effizient bedienen.

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Wenn man den Weg der Hybridisierung konsequent geht, entfallen sämtliche Nebenaggregate, die bisher per Riemen vor dem Motor durch die Kurbelwelle angetrieben werden. Die Kurbelwelle ist dadurch entlastet, während beim „Einwellenhybrid“ am anderen Ende mit der E-Maschine eine zusätzliche Belastung hinzukommt. Dies macht eine grundsätzliche Neuauslegung und versuchstechnische Absicherung aller angetriebenen Aggregate nötig, einschließlich Kurbelwelle und Nockenwellen.

Trotz Arbeitsteilung – höhere Lasten für den Verbrennungsmotor
Ein Verbrennungsmotor in einem „idealen“ Hybridantrieb wird durch höhere Lasten gekennzeichnet sein, da er in diesen Bereichen effizienter arbeitet. Man kann davon auszugehen, dass diese Betriebsweise die Lebensdauer und das Verschleißverhalten beeinflusst. Möglicherweise müssen spezielle Motorenöle für diese Einsatzspezifikation entwickelt werden. Die Konzentration auf hohe Lastbereiche bietet andererseits die Chance, den Verbrennungsmotor konsequent darauf zu optimieren. Die negativen Auswirkungen in Form einer Verschlechterung des Teillastwirkungsgrades sind durch die Kombination mit dem elektrischen Energiewandler dann nicht mehr relevant.

Der Motor kann einfacher konstruiert werden
In dieselbe Richtung zielen Maßnahmen zur Vereinfachung des Verbrennungsmotors. Bauteile wie Nockenwellensteller und Saugrohrumschaltung, die für einen guten Teillastwirkungsgrad sorgen, könnten entfallen. Ein weiterer Ansatz zur Optimierung des Gesamtaggregats ist eine zeitweilige Zylinderabschaltung. Die geringere Dynamik kann in diesem Fall zusätzlich zur Unterstützung durch die E-Maschine mit einem Abgasturbolader gesteigert werden, der elektrisch unterstützt wird.

Eine besondere Beachtung erfordert die Auslegung des Abgasnachbehandlungssystems. Ohne Gegenmaßnahmen kommt es nach längerem Fahren im E-Modus zur Auskühlung des Katalysators, sodass die Abgasreinigung nicht mehr einwandfrei funktioniert. Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, wäre die Rückbesinnung auf einen elektrisch beheizten Katalysator, der sich im konventionellen Fahrzeug wegen des hohen Stromverbrauchs nicht durchsetzen konnte. Mit den weitaus größeren Stromreserven eines Hybridfahrzeugs kommt diese Technik wieder in Frage. Allerdings ist auch hier zu beachten, dass der Nutzen in einem gesunden Verhältnis zum (Energie-) Aufwand stehen muss.

Der Hybrid braucht speziell konzipierte Getriebe
Wenn der Elektromotor nicht integraler Bestandteil des Getriebes ist, wie zum Beispiel beim Toyota Prius, wird man zunächst meist nur geringfügig modifizierte Standardgetriebe einsetzen. In Zukunft werden jedoch vermehrt speziell konzipierte Getriebe auf den Markt kommen, die in der Regel kein Anfahrelement mehr enthalten, möglicherweise eine geringere Spreizung und weniger Schaltstufen haben und auf den Rückwärtsgang verzichten. Getriebehersteller können dadurch eine neue Rolle als Modullieferanten von E-Motor und Getriebe spielen.

Der Getriebetyp kann ebenso ein Stirnradgetriebe in Ein- oder Zweikupplungsbauweise sein wie ein Planetengetriebe. Vorzugsweise sollte das Getriebe automatisiert sein, da nur so, in Verbindung mit einer elektronischen Steuerung, das komplizierte Zusammenspiel der zwei Antriebseinheiten und damit die volle Leistungsfähigkeit des Antriebs dargestellt werden kann.

Hybridfahrzeuge von allen Automarken
Noch bieten vor allem japanische Unternehmen Hybridfahrzeuge an. Doch die gesamte Automobilindustrie arbeitet intensiv an der Entwicklung von Serienlösungen. In den kommenden Jahren werden alle Automarken mit Hybridfahrzeugen auf dem Markt vertreten sein. Die Full-Hybrid-Versionen sind in der Regel den großen Limousinen und SUVs vorbehalten, während die kleineren Fahrzeuge mit Micro- oder Mild-Hybrid-Lösungen starten werden.

Wo bleibt der europäische Hybrid?

Der Otto-Hybrid wird schon aus Kostengründen die vorherrschende Variante sein. Insbesondere im US-amerikanischen Markt, wo gleichzeitig und durchaus konkurrierend die Einführung von Diesel-Pkw beginnt, ist in absehbarer Zeit mit einem Dieselhybrid nicht zu rechnen. Anders in Europa: Hier arbeiten Automobilfirmen ernsthaft an der Entwicklung von Dieselhybridfahrzeugen [3, 4, 5].

Über die zu erwartenden Stückzahlen für die nächsten Jahre liegen keine verlässlichen Daten vor. Die Automobilhersteller antworten sehr zögerlich und sprechen davon, alle Szenarien von einer Randerscheinung bis hin zu einer Marktdurchdringung von 50 Prozent zu betrachten. Etwas konkreter wurde Prof. Ferdinand Dudenhöffer [6]: Er prognostiziert für den US-amerikanischen Markt 3,0 Mio. Hybridfahrzeuge im Jahre 2015, was einem Marktanteil von annähernd 18 Prozent entspricht.

Schritte in die richtige Richtung
Der Hybridantrieb ist sicher nicht die einzige Lösung der durch Kraftfahrzeuge verursachten Umweltprobleme. Er ist aber vielleicht der erste Schritt in eine neue Richtung. Der Elektroantrieb wird in ferner Zukunft sicher eine größere Rolle spielen, wenn die Brennstoffzelle die größte Schwäche der heutigen Elektrofahrzeuge, den Energiespeicher, weitgehend ersetzt. Bis dahin wird man mit den heutigen und zukünftigen Hybridfahrzeugen so viel Erfahrung gesammelt haben, dass die benötigten elektrischen Bauteile im „Automobil-Standard“ vorliegen und auch der Umgang mit hohen Spannungen kein unlösbares Problem mehr ist.

Doch auch bis dahin können die Hybridfahrzeuge einen Beitrag für umweltschonenderes Autofahren leisten. Richtig ausgeführt haben sie einen Verbrauchsvorteil gegenüber dem konventionellen Fahrzeug, der in Anbetracht ständig steigender Kraftstoffpreise und schärferer CO2-Anforderungen immer entscheidender wird. Die Hybridtechnik ist keine Konkurrenz für den Verbrennungsmotor, sie fordert jedoch neue Ansätze und neue Wege in seiner Entwicklung. Die Hybridtechnik macht den Weg frei für mehr Elektrifizierung im Auto. Auch das nahezu konventionell motorisierte Fahrzeug profitiert mit einem hocheffizienten Generator und einer weiterentwickelten Starterbatterie von den Fortschritten der Hybridentwicklung.

Ein guter Hybrid braucht Zeit
Eine Hybridisierung verändert die gesamte Fahrzeugentwicklung, weil sie in vielen Details Änderungen und Anpassungen am Fahrzeug erfordert. Ein neues Hybridfahrzeug wird die Kunden auf längere Sicht nur überzeugen können, wenn die technischen Anforderungen und Möglichkeiten kompromisslos umgesetzt werden – und das kostet Zeit. So lässt sich der Vorsprung von Toyota erklären, aber auch die scheinbare Zögerlichkeit der Europäer. Ein Hybridfahrzeug lässt sich nicht schnell nebenher entwickeln – umso spannender ist es, welche Hybridkonzepte von europäischen Herstellern zu erwarten sind.

Literatur
[1] Pischinger, S. et al: Optimierte Auslegung von Ottomotoren in Hybrid-Antriebssträngen. In: MTZ 7-8/2007
[2] Voß, B. et al: Anforderungen an die Serienentwicklung von Hybridfahrzeugen. In: ATZ 6/2006 und 7-8/2006
[3] Predelli, O. et al: Auslegung von Dieselmotorsteuerungen in Pkw-Hybridantrieben. Tagung „Hybridfahrzeuge und Energiemanagement“. Braunschweig, 14. und 15.02.2007
[4] Blumenröder, K. et al: Dieselmotor und Hybrid: Widerspruch oder sinnvolle Alternative? 28. Internationales Wiener Motorensymposium. 26. – 27. April 2007
[5] Nietschke, W: Interview: Kommt der Diesel-Hybrid? [3] In: heise Autos, Juni 2007
[6] Dudenhöffer, F.: Die Marktentwicklung von Hybrid-Fahrzeugkonzepten. In: ATZ 04/2005

(Dr. Burghard Voß, IAV GmbH) (ggo [4])

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[3] http://www.heise.de/autos/artikel/s/4032/0
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