Wie funktionieren Hybrid-Elektrofahrzeuge?

Was ist ein Antriebsstrang?

Der Antriebsstrang ist nicht nur der Motor eines Fahrzeugs: Er umfasst alle Komponenten, die an der Umwandlung von kinetischer Energie in Vortrieb beteiligt sind. Dazu gehören also auch das Getriebe, die Kupplung, die Antriebswelle, das Differential und die Achsen.

Der Verbrennungsmotor

Der im späten 18. Jahrhundert erfundene und ab dem frühen 19. Jahrhunderts praktisch genutzte Verbrennungsmotor, der heute in Pkw und Lkw zum Einsatz kommt, ist in zwei Grundtypen erhältlich:

• Fremdzünder (Ottomotor) – Bei diesem Motor, dem klassischen Benzinmotor, werden Luft und Kraftstoff in Zylindern gemischt und durch einen Funken entzündet, der von einer Zündkerze am oberen Ende des Zylinderraums erzeugt wird.

• Selbstzünder (Dieselmotor) – Bei diesem Motor wird Luft in die Zylinder gesaugt und dort stark komprimiert. Anschließend wird Dieselkraftstoff in die durch die Kompression erhitzte Luft eingespritzt, wo er sich selbst entzündet. Eine Zündkerze ist nicht erforderlich. Die meisten Lkw sind mit Dieselmotoren ausgestattet, weil diese langlebiger sind und mehr Drehmoment liefern, was für den Transport schwerer Lasten wichtig ist.

Fremdzündungs- und Selbstzündungsmotoren – also Benzin- und Dieselmotoren – arbeiten nach dem Verbrennungsprinzip. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird (entweder durch einen Funken oder durch Kompression), setzt ein exothermer Prozess die chemische Energie des Kraftstoffs frei, wodurch hohe Temperaturen und Drücke entstehen. Die dadurch bewirkte Ausdehnung des Gemisches drückt die Kolben in den Zylindern nach unten.

Je tiefer der Fahrer das Gaspedal durchtritt, desto häufiger zünden die Zylinder und desto schneller dreht sich die Kurbelwelle. 

Die obige Abbildung zeigt schematisch den typischen Antriebsstrang eines Pkw mit Hinterradantrieb. Heute sind auch Konfigurationen mit Vorderrad- oder Allradantrieb weit verbreitet.

The electric motor

Es gibt heute zwei grundlegende Arten von Wechselstrom-Elektromotoren:

• Synchronmotor – Der Läufer (Rotor) dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld. Vorteile sind ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und eine kompaktere und leichtere Bauweise als bei Asynchronmotoren.

• Asynchronmotor (Induktionsmotor) – Der Läufer (Rotor) dreht sich nicht synchron mit dem vom Stator erzeugten rotierenden Magnetfeld, sondern mit einer leicht geringeren Geschwindigkeit, sodass er dem Magnetfeld ständig nachläuft.

Während einige Systeme im Auto mit Gleichstrom arbeiten, wie z. B. die Scheinwerfer, die Unterhaltungs- und Navigationselektronik usw., wird der Motor in Elektrofahrzeugen mit Drehstrom betrieben. Daher wird ein Wechselrichter genutzt, um Gleichstrom aus den Batterien in Drehstrom für den Motor umzuwandeln.

Synchron-Elektromotoren bestehen typischerweise aus einem Stator und einem Käfigläufer.

Ein Stator enthält eine Dreiphasenwicklung. Das Wort „Stator“ ist von „stationär“ abgeleitet und bezieht sich auf den Teil des Motors, der sich nicht dreht. Die Wicklungen sind präzise in den Nuten des Stators angeordnet, der aus hochpermeablen Blechpaketen innerhalb eines Stahl- oder Gusseisenrahmens besteht. Wenn ein dreiphasiger Wechselstrom durch die Wicklungen fließt, erzeugt er ein rotierendes Magnetfeld (RMF). 

Wie wir aus der Grundlagenphysik wissen, erzeugt ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, ein Magnetfeld. Wenn ein dreiphasiger Strom an Spulen angelegt wird, die um 120° versetzt sind, „rotiert“ das erzeugte Magnetfeld, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Ein frei drehender Käfigläufer ist als Rotor innerhalb des feststehenden Stators platziert. Das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld induziert ein Drehmoment am Rotor, das ihn in Drehung versetzt. Wenn der Fahrer das Gaspedal durchtritt, wird mehr Strom zum Stator geleitet, und der Rotor dreht sich entsprechend schneller.

Der Hybrid-Antriebsstrang

Ein Hybrid-Antriebsstrang ist eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor. Hybridfahrzeuge nutzen bei niedrigen Geschwindigkeiten in der Regel den Elektromotor, während bei höheren Geschwindigkeiten der Verbrennungsmotor den Antrieb übernimmt. Ein prominentes Beispiel für ein Hybridfahrzeug ist der Toyota Prius. Inzwischen bieten aber auch alle anderen großen Automobilhersteller Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge an oder planen deren Einführung in naher Zukunft.

Obwohl Dieselhybride technisch möglich sind, sind nahezu alle aktuellen Hybridfahrzeuge mit Benzinmotoren ausgestattet.

Besondere Merkmale von Hybridfahrzeugen

Kleinerer Verbrennungsmotor

Da der Elektromotor einen großen Teil der Antriebsarbeit leistet, kann ein kleinerer Verbrennungsmotor verbaut werden. Ein kleinerer Verbrennungsmotor bedeutet einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch und geringere Schadstoffemissionen.

Hohes Drehmoment und hohe Spitzenleistung

Elektromotoren zeichnen sich durch ein hohes Drehmoment und eine hohe Spitzenleistung aus. Verbrennungsmotoren sind nicht besonders effizient beim Überwinden von Trägheit und Beschleunigen eines Fahrzeugs aus dem Stand, während Elektromotoren in diesem Bereich herausragen. Das Ergebnis ist eine insgesamt bessere Fahrzeugleistung.

Energierückgewinnung

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren kann der verbrauchte flüssige Kraftstoff nur ersetzt werden, indem das Fahrzeug angehalten und der Kraftstofftank aus einer externen Quelle aufgefüllt wird.

Das elektrische Antriebssystem arbeitet hingegen bidirektional: Der Elektromotor kann während des Betriebs Energie in das Batteriesystem zurückspeisen. Dies erfolgt durch regeneratives Bremsen, bei dem Bewegungsenergie in Strom umgewandelt wird. Dieser Prozess der Rückgewinnung der beim Bremsen erzeugten Energie wird als „Rekuperation“ bezeichnet. 

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor erfolgt das Bremsen dynamisch durch Reibungsbremsen mit Bremsbelägen. In diesem Fall wird die vom Fahrzeug erzeugte kinetische Energie in Form von Wärme abgeführt und geht verloren, was zu einer geringeren Kraftstoffeffizienz führt.

Die Rekuperation hingegen nutzt den Elektromotor: Wenn der Elektromotor im Generatorbetrieb arbeitet, erzeugt er eine Gegenkraft auf die Antriebsräder, wodurch diese abgebremst werden. Dabei wandelt er die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie um, die in das Batteriesystem zurückgespeist wird.

According to the US Department of Energy, a regenerative braking system can realize up to 22% recovered energy during a combination of urban and highway driving. Electric vehicles have only 15% to 20% energy loss compared to 64% to 75% for ICE vehicles. They consider electric vehicles to be 60% to 73% efficient. If we additionally consider the positive effects of minimal energy loss during idling and regenerative braking, this efficiency improves from 73% to nearly 100%.

It should be noted that conventional friction brakes are still used in parallel, because regenerative brakes may not slow the vehicle as fast as required. Also, they may not be able to stop the vehicle completely or prevent it from rolling when the car is on a hill. Because of their operating principle, regenerative brakes are referred to as Kinetic Recovery Systems (KERS).

Redundante Antriebsquellen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder reinen Elektrofahrzeugen können Hybrid-Elektrofahrzeuge durch den Verbrennungsmotor, den Elektromotor oder beide gleichzeitig angetrieben werden. 

Schnellere Betankung

Im Gegensatz zu reinen Elektrofahrzeugen verfügen Hybridfahrzeuge über ein Verbrennungsmotorsystem, das innerhalb weniger Minuten betankt werden kann. Die Batterien des Elektromotors können entweder während des Betriebs durch den Verbrennungsmotor oder bei stehendem Fahrzeug über eine externe Stromquelle aufgeladen werden.

Heutige Arten von Hybridantrieben

Es gibt heute verschiedene Konfigurationen von Hybrid-Elektrofahrzeugen (Hybrid Electric Vehicles, HEV):

Serieller Hybrid (S-HEV)

Bei seriellen Hybrid-Elektrofahrzeugen ist der Verbrennungsmotor nicht direkt mit dem Antriebsstrang verbunden, sondern wird zur Stromerzeugung für den Elektromotor genutzt.

Paralleler Hybrid (P-HEV)

Bei parallelen Hybrid-Elektrofahrzeugen sind der Verbrennungs- und der Elektromotor unabhängig voneinander mit dem Getriebe des Fahrzeugs verbunden, so dass sie beide gleichzeitig (parallel) für den Antrieb sorgen können. Wenn die Batterie zur Neige geht, kann der Verbrennungsmotor den Antrieb des Fahrzeugs übernehmen.

Leistungsverzweigter oder Mischhybrid (SP-HEV)

Bei leistungsverzweigten Hybrid-Elektrofahrzeugen werden der Verbrennungsmotor und der Elektromotor parallel für den Antrieb genutzt, während ein zweiter Elektromotor zum Aufladen der Batterie dient. Toyotas Bestseller Prius HEV ist ein leistungsverzweigter Hybrid.

Plug-in-Hybrid (PHEV)

Bei Standard-Hybridfahrzeugen wird das Batteriesystem durch den Benzinmotor und regeneratives Bremsen wieder aufgeladen. Plug-in-Hybride jedoch können zum Aufladen der Batterien an eine externe Stromquelle angeschlossen werden. Da sie über eine größere Batteriekapazität verfügen als Standard-Hybride, haben sie auch eine größere Reichweite mit reinem Elektroantrieb.

Vor- und Nachteile von Hybrid-Elektrofahrzeugen

Vorteile:

• Effizienter als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor

• Geringere CO2-Emissionen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor

• Besseres Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit als die meisten Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor

• Können im Gegensatz zu reinen Elektrofahrzeugen auf Langstrecken mit Benzin betrieben werden

• Durch den kleineren Benzinmotor leiser als konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 

• Kostengünstiger als die meisten reinen Elektrofahrzeuge

Nachteile:

• Höhere Anschaffungskosten als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor

• Reparaturen am elektrischen System meist teurer als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor

• Geringere Leistung bei hohen Geschwindigkeiten als die meisten Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor oder reinen Elektrofahrzeuge

• Weniger leise als reine Elektrofahrzeuge

• Höhere CO2-Emissionen als reine Elektrofahrzeuge, die im Betrieb keine Emissionen verursachen* 

* Hinweis: Die Batterien reiner Elektrofahrzeuge werden in der Regel über das Stromnetz geladen. 2021 wurden in den USA 61 % des Stroms aus fossilen Brennstoffen erzeugt, in Europa 76 % und im Asien-Pazifik-Raum 85 %. Weitere Details finden Sie auf IRENA.org.

Trends in der Industrie

Hybrid-Elektroautos wurden 2001 und reine Elektrofahrzeuge 2010 weltweit eingeführt. Bis 2021 wurden in den USA mehr als 800.000 Hybrid-Elektroautos verkauft, was 5 % der gesamten dortigen Leichtfahrzeugverkäufe entsprach. Mehr als die Hälfte dieser Verkäufe entfiel auf Toyota. 

Auch die Zahl der in den USA verkauften reinen Elektroautos war bis 2021 auf fast 500.000 gestiegen, und die Zahl der Plug-in-Hybride näherte sich 200.000 Fahrzeugen. Obwohl diese Zahlen einen positiven Trend zeigen, machen Hybrid-, Plug-in- und reine Elektrofahrzeuge insgesamt weniger als 1 % der in den USA zugelassenen Fahrzeuge aus. Schätzungen zufolge soll dieser Anteil im Jahr 2050 etwa 50 % betragen. Weltweit führt Norwegen den prozentualen Anteil von Elektrofahrzeugen an den Neuzulassungen an, gefolgt von anderen nordischen Ländern und den Niederlanden. China und Japan spielen ebenfalls eine bedeutende Rolle, wobei Japan besonders stark bei der Einführung von Hybridfahrzeugen ist.

Fazit

Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge sind auf dem Vormarsch. Sie erfreuen sich immer größerer Beliebtheit und sind ein wichtiger Schritt, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren und eines Tages zu eliminieren.