Hybrid-Technik
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Fahrzeug-Antrieb, bei dem das Fahrzeug neben einem Verbrennungsmotor auch einen Elektromotor hat.
Förderung für Hybrid-Technologie
(21. März 2005) - Das Bundesforschungsministerium fördert die Hybrid-Technologie als Fahrzeug-Antrieb, bei dem das Fahrzeug neben einem Verbrennungsmotor auch einen Elektromotor hat. Die nächste Generation der Hybridfahrzeuge wird ihre größeren Batterien vor allem nachts an der Steckdose aufladen. Diese Energie reicht für mittlere Strecken aus - zugleich ist der Akku leicht genug, um das Fahrzeug nicht unnötig schwer zu machen.
Da Experten mit deutlich steigenden Spritkosten rechnen, haben Fahrer künftig ein großes Interesse, möglichst viel mit Strom und möglichst wenig mit Benzin und Diesel zu fahren. Der Elektromotor hat einen deutlich besseren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren. Für die Energie, mit der Hybridfahrzeuge mit Netzanschluss fahren, werden folglich deutlich weniger Treibhausgase ausgestoßen als bei heutigen Fahrzeugen. Sie werden im Stadtbereich wesentlich leiser und schadstoffärmer sein. Denkbar ist auch, dass die Hybrid-PKWs ihre Batterien als Speicher für fluktuierende Energien wie Wind- und Solarstrom zur Verfügung stellen.
Autos mit Elektro- und Verbrennungsmotor: die Hybrid-Technik
Sparsame und umweltfreundliche Autos: Dafür braucht man nicht auf die Brennstoffzelle zu warten. Hybridautos kombinieren die Vorteile von Verbrennungs- und Elektromotor und sind schon heute serienmäßig verfügbar. Der Toyota Prius und der Honda Civic IMA sind die sparsamsten und umweltfreundlichsten Benzinautos ihrer Klasse und unterbieten sogar manche Kleinwagen im Verbrauch.
Von Gottfried Staubach M. A.
cognitas - Gesellschaft für Technik-Dokumentation
www.cognitas.de
(14. Dezember 2003) Die Verbrennungsmotoren normaler Autos sind so ausgelegt, dass sie auch beim Beschleunigen und Bergauffahren ausreichend Leistung liefern. Bei geringer Last, also zum Beispiel beim Fahren mit gleichmäßiger Geschwindigkeit auf ebener Straße, braucht der Motor aber nur ganz wenig Energie. Die meiste Zeit fahren normale Autos darum mit einem Riesenpaket an ungenutzter Leistung herum. Das geht zu Lasten der Energieeffizienz und die Autos verbrauchen mehr Treibstoff als nötig.
Elektrofahrzeuge haben dem gegenüber zwar ein sehr hohes Drehmoment und beschleunigen deshalb ungewohnt zügig. Auch wird die frei werdende Energie beim Bremsen und im Schiebebetrieb in der Antriebsbatterie abgelegt, indem der Elektromotor zum Generator umgepolt wird. Jedoch stellt die mangelnde Batteriekapazität und damit die geringe Reichweite bei Elektrofahrzeugen immer noch ein gravierendes Problem dar.
Hybridfahrzeuge verbinden dagegen die Vorteile eines Verbrennungsmotors mit denen eines Elektromotors, während sie die Nachteile beider Antriebsarten minimieren.
Hybridfahrzeuge: Vorteile von Benzin- und Elektromotor kombinieren
Wie erreichen Hybridfahrzeuge diese Ziele?
- Zwei unterschiedliche Antriebsquellen, in der Regel ein Verbrennungsmotor und ein elektrischer Motor/Generator:
- Der Verbrennungsmotor ist der Hauptantrieb. Im Vergleich zu "normalen" Verbrennungsmotoren hat er weniger Leistung, ist kleiner, leichter und läuft häufiger im günstigen Wirkungsbereich.
- Der elektrische Motor/Generator unterstützt den Verbrennungsmotor bei Bedarf mit seinem hohen Drehmoment, lädt die Antriebsbatterie und dient "nebenbei" noch als Starter für den Verbrennungsmotor.
- Überschüssige Energie wird vom elektrischen Motor/Generator in einer Antriebsbatterie gespeichert:
- Leistungsüberschuss beim Verbrennungsmotor - zum Beispiel bei gleichmäßiger Fahrt auf ebener Fahrbahn
- Bewegungsenergie des Fahrzeugs beim Gaswegnehmen und beim Abbremsen ("regenerative" Energie)
- Gespeicherte Energie wird bei Bedarf wieder aus der Antriebsbatterie entnommen und für den Antrieb des E-Motors verwendet, zum Beispiel fürs Überholen und an Steigungen.
- Keine Ressourcenvergeudung:
- Wenn das Fahrzeug steht (zum Beispiel an der Ampel oder im Stau), wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet.
- Wenn das Fahrzeug verzögert/abbremst, wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet oder er läuft ohne Kompression und Zündung einfach mit - sozusagen "im Leerlauf".
- Das Fahrzeug braucht nie an die Steckdose, da die Antriebsbatterie immer mit "Bordmitteln" - also mit dem E-Motor/Generator - nachgeladen wird.
- Eine intelligente Elektronik (Computer) steuert das Zusammenwirken aller Komponenten.
All diese Eigenschaften führen zu folgenden Vorteilen:
- Hybridfahrzeuge verbrauchen deutlich weniger Energie als vergleichbare Fahrzeuge mit "normalen" Verbrennungsmotoren.
- Hybridfahrzeuge stoßen damit entsprechend weniger Schadstoffe aus als konventionelle Fahrzeuge. Die Einstufung in die steuerbegünstigte Kfz-Steuerklasse Euro-4 gelingt ihnen darum mühelos.
- Hybridfahrzeuge beschleunigen bei gleicher Leistung wesentlich besser als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor durch das hohe Drehmoment des Elektromotors.
- Hybridfahrzeuge sind leiser als normale Fahrzeuge, denn:
- Der Verbrennungsmotor läuft bei normaler Fahrt mit niedriger Drehzahl.
- Der Elektromotor kann bei manchen Hybridfahrzeugen auch alleine laufen, zum Beispiel beim Anfahren oder bei Langsamfahrt. Dann ist das Fahrzeug nahezu "unhörbar" wie ein richtiges Elektromobil.
- Die Motoren werden im Stand abgeschaltet.
- Hybridfahrzeuge haben weniger Verschleiß , denn:
- Der Verbrennungsmotor arbeitet in Zusammenarbeit mit seinem "Kollegen" Elektromotor immer im optimalen Drehzahlbereich. Ein Überdrehen oder "Abwürgen" des Verbrennungsmotors ist dank der Steuerelektronik unmöglich.
- Der elektrische Motor/Generator fungiert als "Anlasser im Schongang": Der Verbrennungsmotor wird beim Starten ohne Kompression und Zündung auf Leerlaufdrehzahl gebracht. Erst, wenn Öldruck und Schmierung sichergestellt sind, werden die Zylinder "befeuert".
- Der elektrische Motor/Generator ist einfach gebaut und daher praktisch wartungsfrei.
- Bei manchen Hybridfahrzeugen gibt es weder Kupplung noch herkömmliches Getriebe.
- Die regenerativen Bremsen arbeiten berührungslos. Die hydraulischen Bremsen greifen erst bei stärkerem Pedaldruck - das schont die Bremsbeläge.
Beispiele für Hybridfahrzeuge
Der Toyota Prius
Der Prius ist das erste in Serie produzierte Hybridfahrzeug der Welt. Seit 1997 wurden mehr als 120.000 Prius weltweit ausgeliefert, die meisten davon in Japan. Seit dem Jahr 2000 gibt es den Prius in einer für den Rest der Welt angepassten Modellversion. Diese Version hat einen Benzinmotor mit 72 PS und einen Elektromotor mit 44 PS. Die kombinierte Leistung beider Antriebsaggregate beträgt ca. 100 PS, der Normverbrauch 5,1 l auf 100 km. In den USA sind inzwischen mehrere 10.000 Prius auf den Straßen unterwegs. Nicht so in Deutschland: Ende 2003 waren vom ersten Prius-Modell nur ca. 1.200 Exemplare auf deutschen Straßen unterwegs. Im restlichen Europa sieht es eher noch magerer aus.
Erstes Großserien-Hybridfahrzeug der Welt: Prius Modell 2000-2003
Seit Anfang 2004 gibt es in Europa ein neues Prius-Modell, das aufgrund seiner moderneren Form bessere Absatzchancen verspricht. Der neue Prius hat einen Benzinmotor mit 78 PS und einen Elektromotor mit 68 PS, die beide zusammen eine maximale Leistung von 113 PS erbringen können. Das kombinierte maximale Drehmoment beider Motoren beträgt 478 Nm. Der Wagen hat einen Normverbrauch von 4,3 l / 100 km und ist damit das sparsamste Benzinauto am Markt. Sogar Dieselfahrzeuge können mit dem Prius in diesem Fahrzeugsegment im Verbrauch nicht konkurrieren, geschweige denn die hervorragenden Abgaswerte des Prius erreichen (CO2 : 104 g/km, CO: 0,180 g/km, CH: 0,020 g/km, NOx : 0,010 g/km).
Das sparsamste Benzinauto am Markt: der Prius Modell 2004
Der Honda Civic IMA
Einziges Hybrid-Konkurrenzprodukt für den Prius ist zurzeit der Honda Civic IMA (I ntegrated M otor A ssist), der einen Normverbrauch von 4,9 l / 100 km hat und ebenfalls seit Anfang 2004 in Europa auf dem Markt ist. Die kombinierte Leistung von Verbrennungsmotor und Elektromotor beträgt beim Civic IMA 90 PS, das kombinierte maximale Drehmoment beider Motoren beläuft sich auf 159 Nm bei bereits 1000 U/min. Die Abgaswerte des IMA lauten wie folgt: CO2 : 116 g/km, CO: 0,309 g/km, CH: 0,038 g/km, NOx : 0,036 g/km.
Einziger Prius-Konkurrent: Civic IMA
(Die folgenden Abschnitte beziehen sich auf den Prius Modell 2001.)
Mit dem Prius im Winter unterwegs - Ein Erfahrungsbericht
Ein eiskalter Morgen Anfang Januar: Die Außentemperatur beträgt -14 Grad, alle Autoscheiben sind überfroren. Wie wird sich der Prius-Hybride mit seiner komplexen Antriebstechnik bei diesen Temperaturen verhalten?
Startvorgang: Die Scheiben von Schnee und Eis befreit, in den Prius gesetzt, angeschnallt und den Schlüssel kurz gedreht. Ganz unspektakulär, ohne "Orgeln" und kaum hörbar fährt der Generator als E-Starter den Benzinmotor hoch. Kein Wunder bei einer Starter-Leistung von 24 PS/18 kW, von der 270-Volt-Antriebsbatterie gepowert. Kompression, Benzinzufuhr und Zündung werden erst zugeschaltet, wenn die Leerlaufdrehzahl erreicht und ausreichende Zylinderschmierung gewährleistet ist. Motorschonender geht's nicht.
Und ab geht die Post, denn betriebswarm wird auch der Prius nur "auf der Piste" und nicht im Stand. Die 2-Zonen-Klimaanlage auf "Automatik" und "Defrost" gestellt: Nach kurzer Zeit ist der Beschlag innen an der Windschutzscheibe beseitigt und die Feuchtigkeit nach draußen transportiert.
Die Wohnstraße ist nicht geräumt und nicht gestreut. Kein Problem für den Prius: Mit Drehzahlsensoren an allen Rädern prüft die Traktionskontrolle ständig, ob sich die Antriebsräder vorn schneller drehen als die Hinterräder. Auch wenn das rechte Vorderrad auf dem eisigen Seitenstreifen durchdreht: Die Elektronik übernimmt die Funktion eines Sperrdifferenzials und bremst das durchdrehende Rad automatisch ab.
Unterwegs auf der Bundesstraße: Beim Gasgeben und Gaswegnehmen gibt es keine abrupten Lastwechselreaktionen wie bei normalen Fahrzeugen. Das Fahrpedal ist nicht durch eine mechanische oder hydraulische Kraftübertragung mit dem Motor verbunden, sondern elektronisch und computergesteuert ("by wire"). Zusätzlich bringt das stufenlose Automatikgetriebe die Antriebskraft der beiden Motoren kontinuierlich und elektronisch sanft reguliert an die Antriebsräder.
Dasselbe Bild beim Bremsen: Bei zurückhaltender Bremsung wird zunächst nur die progressiv wirkende Bremsfunktion des E-Motors aktiviert. Der dabei erzeugte Strom wird in der Antriebsbatterie gepuffert. Wenn der Fahrer dann zunehmend mehr Bremskraft abruft, werden die hydraulischen Scheibenbremsen übergangslos und unmerklich zugeschaltet. Dank ABS können die Räder beim Bremsen nicht blockieren und dank EBD (elektronische Bremskraftverteilung) wird der Bremsweg zusätzlich verkürzt.
Fassen wir zusammen: Angefangen beim Startvorgang über die Klimatisierung bis hin zur Fahrt auf winterlichen Straßen erweist sich der Prius-Hybride als ideales Fahrzeug für die kalte Jahreszeit. Vorteilhaft zusätzlich, dass alle Funktionen sehr materialschonend wirken und damit sowohl der gesamte Antriebsstrang (Motoren und Getriebe) als auch die Reifen länger halten als bei konventionellen Fahrzeugen.
Der Vergleich: Toyota Prius versus VW Bora
Die Auswahl
Ein mit dem Toyota Prius vergleichbarer Wagen der unteren Mittelklasse ist zum Beispiel der VW Bora mit zirka 100 PS Benzinmotor, 1.600 ccm Hubraum, Schadstoffklasse Euro-4 und einem Leergewicht von ca. 1.300 kg. Wenn man den Bora mit den serienmäßigen Ausstattungsmerkmalen des Prius konfiguriert (Automatik-Getriebe, Klima-Anlage, Multifunktions-Display, Funkfernschließung, LM-Räder, elektr. Fensterheber, ...), so kommt man auf einen vergleichbar hohen Kaufpreis.
Die Rechnung
Der Bora verbraucht nach EU-Norm 8,1 Liter Super auf 100 Kilometer. Das vergleichbar ausgestattete und ähnlich schwere Hybrid-Fahrzeug kommt dagegen mit drei Liter weniger aus, nämlich mit 5,1 Liter auf 100 Kilometer. Bei einer Jahresfahrleistung von 20.000 Kilometern macht das einen Unterschied von jährlich etwa 690 Euro. Nach fünf Jahren sind es bereits 3.450 Euro!
Werden die Wagen überwiegend im Stadtverkehr bewegt, so erhöht sich der Abstand noch: Der Bora hat in der Stadt einen Normverbrauch von 11,4 Liter (!) auf 100 km, während der Prius sich in der Stadt mit 5,9 Litern (!) begnügt. Auf 20.000 gefahrene Jahreskilometer ergibt sich somit beim Bora ein finanzieller Mehraufwand von jährlich 1.265 Euro; auf fünf Jahre gerechnet macht das schlappe 6.325 Euro! Die Versicherungseinstufung wurde nicht betrachtet.
Die Umweltbilanz
Da beide Fahrzeuge die Euro-4-Norm einhalten, ergeben sich keine großen Differenzen bei CO, NOX und HC. Drastisch der Unterschied allerdings beim CO2: Da der Kohlendioxid-Ausstoß proportional zum Verbrauch ist, ergibt sich beim Bora ein CO2-Wert von 194 g/km. Der Prius emittiert aber nur 120 g/km; also fast 40 Prozent weniger!
Damit liegt er beim CO2-Wert ähnlich günstig wie der - wesentlich kleinere - Smart. Bei der angenommenen Jahresfahrleistung von 20.000 km stößt der Bora 3.880 kg CO2 aus, der Prius aber nur 2.400 kg, also 1.480 kg weniger.