Themen:
- Einführung
- Hybridformen
- Mikro-Hybrid
- Milder Hybrid
- Serieller Hybridantrieb
- Paralleler Hybridantrieb
- Plug-in-Hybrid
- Energierückgewinnung
- Systemübersicht Toyota Prius
- Systemübersicht Mitsubishi Outlander
- Getriebe eines Hybridfahrzeugs
Einführung:
Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wird Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Dieses CO2 reichert sich in der Atmosphäre an. Wenn Sonnenlicht auf die Erde fällt, kann die Wärmestrahlung aufgrund der CO2-Anreicherung nicht mehr entweichen, es entsteht der „Treibhauseffekt“. 120g CO2/km entsprechen:
- 5,2 l Benzin/100 km
- 4,5 l Diesel / 100 km
- 4,4 kg Erdgas/100 km
- 1,0 kg Wasserstoff/100 km
- 20 kWh Strom / 100 km
Durch die Hybridtechnologie wird die CO2-Reduktion (Emissionen) reduziert. Die Hersteller sind derzeit damit beschäftigt, immer mehr Technologien zu entwickeln, um die Energiewende vom CO2-neutralen Fahren zu realisieren.
Hybridformen:
Fahrzeuge mit Hybridantrieb nutzen sowohl den Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor. Ziel der Hybridisierung ist vor allem die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen. Weitere Vorteile durch den/die Elektromotor(en) sind höheres Drehmoment und mehr Komfort.
Bei Hybridantrieben unterscheidet man zwischen Micro-Hybrid-, Mild-Hybrid- und Voll-Hybrid-Fahrzeugen.
Ein Fahrzeug mit vollelektrischem Antrieb fällt nicht unter die Kategorie „Hybrid“. Ein mit einem Range Extender ausgestattetes Fahrzeug kann als „Serienhybrid“ eingestuft werden.
Das folgende Diagramm zeigt die verschiedenen Hybridformen von einer niedrigen bis zu einer hohen Form der elektrischen Unterstützung. fahren.
Mikrohybrid:
Ein Mikro-Hybrid-Fahrzeug verfügt nicht über einen Elektromotor, der den Verbrennungsmotor während der Fahrt unterstützt, sondern ist mit verschiedenen kraftstoffsparenden Technologien ausgestattet. So etwas gibt es hier also nicht HV-System (Hochspannung). Dadurch werden Kraftstoffeinsparungen erzielt Start-/Stopp-System, das den Motor bei stehendem Fahrzeug automatisch stoppt und startet, und ein Regenerationssystem für die Batterie. Dieses Regenerationssystem ermöglicht es der Lichtmaschine, sich beim Bremsen des Fahrzeugs maximal aufzuladen. Die Energie, die normalerweise in den Bremsbelägen verloren geht, wird nun teilweise zum Laden der 12-Volt-Batterie genutzt. Dadurch entfällt die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung für die erhöhte Belastung der Lichtmaschine bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit und es wird Kraftstoff gespart.
Milder Hybrid:
Bei Mild-Hybrid-Fahrzeugen ist das der Fall Verbrennungsmotor unterstützt durch ein oder zwei 48 Volt Elektromotoren die unter verschiedenen Betriebsbedingungen zusätzliche Leistung liefern. Der Elektromotor unterstützt den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen. Bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit wird der Elektromotor automatisch wieder abgeschaltet. Das Fahrzeug kann daher nicht vollelektrisch fahren.
In der Nähe befindet sich der Elektromotor vliegwiel, oder es gibt eine Ketten-/Zahnriemenübertragung zwischen dem Elektromotor und dem Ende des Kurbelwelle. Die relativ kompakte 48-Volt-Batterie befindet sich häufig im Kofferraum.
Das Bild zeigt einen Elektromotor im Schwungradgehäuse des Verbrennungsmotors. Auch hier handelt es sich nicht um ein HV-System. Daher darf auch ein Techniker ohne NEN-Zertifikat Arbeiten am elektrischen Antriebsstrang durchführen.
Ein Mikro-Hybridfahrzeug kann auch mit einem 48-Volt-Anlassergenerator ausgestattet sein, der im Wesentlichen eine Kombination aus Lichtmaschine und Anlasser ist. Hersteller geben diesem Anlassergeneratortyp folgende Bezeichnungen:
- Dynastart;
- Startergenerator;
- Riemengetriebener Starter-Generator;
- Riemenintegrierter Startergenerator (BSG).
Über einen Mechanismus lässt sich der Multigurt je nach Beladung oder Anfahrt auf der richtigen Seite spannen.
Die drei Bilder unten zeigen die drei möglichen Positionen beim (regenerativen) Laden der Batterie, beim Starten des Verbrennungsmotors und im Elektromotorbetrieb, bei dem dieser den Verbrennungsmotor unterstützt. Die Unterstützung bei Turbomotoren erfolgt hauptsächlich im niedrigen Drehzahlbereich, wo der „Boost“ des Elektromotors das sogenannte Turboloch ausgleicht.
Eine 48-Volt-Starterlichtmaschine ersetzt die „normale“ 12-Volt-Lichtmaschine. Neben der 48-Volt-Batterie verfügen wir auch über die 12-Volt-Batterie für das Bordnetz, die Beleuchtung, Türschlösser und Zubehör im Auto mit Energie versorgt. A DC-DC-Wandler / Wandler (Transformator) Wandelt 48 Volt in 12 Volt um, um die Batterie zu laden.
Serieller Hybridantrieb:
Ein Fahrzeug mit seriellem Hybridantrieb wird ausschließlich vom betrieben HV-Elektromotor angetrieben. Eine direkte Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Rädern besteht nicht. Das Bild unten zeigt ein Beispiel eines Serienhybridautos mit Hinterradantrieb.
Zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und dem Generator (3) besteht eine Kupplung (2). Bei laufendem Motor und geschlossener Kupplung erfolgt die HV-Batterie (7) mittels des Generators (3) und der Wechselrichter cq. Wandler (6) aufgeladen. Der Wechselrichter regelt die vom Generator gelieferte Wechselspannung in eine geregelte Gleichspannung.
Die elektrischen Komponenten im Antriebsstrang eines seriellen Hybrids arbeiten mit einer Hochspannung (HV). Dies ist an orangefarbenen Kabeln und Steckern zu erkennen. Nur zertifizierte Techniker dürfen Arbeiten an der HV-Anlage durchführen.
Vorteile des seriellen Hybridsystems:
- Einfache Konstruktion, da der Verbrennungsmotor nicht direkt für den Antrieb sorgt.
- Für vollelektrisches Fahren geeignet, wenn die Batterie groß genug ist.
- Zum Anfahren aus dem Stand ist keine Kupplung erforderlich; Dafür sorgt der Elektromotor.
- Es ist kein Rückwärtsgang nötig, da sich der Elektromotor in zwei Richtungen drehen kann.
- Geeignet zum Laden über das Stromnetz (Plug-in).
Nachteile:
- Der Elektromotor muss die volle Antriebsleistung erbringen
- Größere Masse als ein Fahrzeug mit Parallelantrieb.
Paralleler Hybridantrieb:
Bei einem Fahrzeug mit Parallelhybridantrieb kann eine direkte Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Rädern bestehen. Wenn die Kupplungen (3 und 5) im Bild unten geschlossen sind, kann das Fahrzeug mit dem Verbrennungsmotor betrieben werden. Der Elektromotor (4) dient sowohl zum Laden der Batterie als auch zum Antrieb der Räder.
Ein Parallelhybrid kann auch ausschließlich mit dem Elektromotor fahren. Durch Öffnen der Kupplung 3 wird die Verbindung zum Verbrennungsmotor unterbrochen; Dieser lässt sich abschalten, so dass Sie rein elektrisch fahren können. Beim Anfahren aus dem Stillstand wird die Kupplung 5 geschlossen.
Ebenso wie der Serienhybrid ist der Parallelhybrid mit einer HV-Installation mit orangefarbenen Kabeln und Steckern ausgestattet.
Vorteile des parallelen Hybridsystems:
- Geeignet für vollelektrisches Fahren, sofern die Batterie groß genug ist und eine Kopplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor besteht.
- Es ist kein Rückwärtsgang nötig, da sich der Elektromotor in zwei Richtungen drehen kann.
- Geeignet zum Laden über das Stromnetz (Plug-in).
- Kleinerer Verbrennungsmotor, da der Elektromotor beim Beschleunigen unterstützt.
- Kleinerer Elektromotor, da der Verbrennungsmotor beim Beschleunigen unterstützen kann.
- Geringere Masse als ein Fahrzeug mit Serienantrieb.
Nachteile:
- Mechanisch kompliziert.
- Für elektrisches Anfahren ist eine Kupplung erforderlich.
- Getriebe erforderlich.
Plug-in-Hybrid:
Die Batterie eines Hybridfahrzeugs wird normalerweise durch regeneratives Bremsen aufgeladen oder indem der Verbrennungsmotor den Elektromotor antreibt (der dann als Generator verwendet wird). Letzteres ist offensichtlich nicht effizient.
Bei einem Plug-in-Hybrid kann es zum Batteriepaket werden beladen indem man das Fahrzeug mit einem Stecker zu Hause an eine Steckdose oder eine öffentliche Ladestation anschließt und über das Stromnetz auflädt. Bei der Anreise mit dem Auto können die ersten Kilometer elektrisch (also emissionsfrei) zurückgelegt werden. Ideal, wenn Sie von der Stadt zur Autobahn fahren. Sobald SOC (Ladezustand)oder der Ladezustand der Batterie sinkt, springt der Verbrennungsmotor an und sorgt für den Hauptantrieb. Beim Bremsen wird die Batterie durch regeneratives Bremsen teilweise wieder aufgeladen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die elektrische Zusatzheizung und/oder Klimaanlage zu einem voreingestellten Zeitpunkt programmiert werden kann, sodass Sie in ein angenehmes Raumklima gelangen, ohne dass dies auf Kosten der Batteriekapazität oder des Kraftstoffs geht.
In den meisten Fällen hat ein Plug-in-Hybrid eine begrenzte elektrische Reichweite von 40 bis 60 km. Beispiele sind:
- BMW 225XXE Active Tourer (2021): 55 km;
- Hyundai Ioniq (2021): 52 km;
- Mitsubishi Outlander PHEV Modelljahr 2015: 43 km und Modelljahr 2021: 54 km;
- Volkswagen Passat GTE Business Plugin-Hybrid (2021): 55 km.
Bitte beachten Sie: Es handelt sich hierbei um Herstellerangaben. Bei ungünstigen Bedingungen wie niedrigen Temperaturen oder ungünstiger Fahrweise kann die Reichweite um bis zu 30 % sinken.
Energierückgewinnung:
Beim Beschleunigen liefert die Batterie elektrische Energie an den Elektromotor. Beim Abbremsen (Bremsen) wirkt der Elektromotor erzeugend; Der Elektromotor lädt die Batterie. Dies wird auch „regeneratives Bremsen“ oder „rekuperatives Bremsen“ genannt. Weitere Informationen hierzu finden Sie auf den Seiten zum Thema Wandler und die elektromotorisch zu finden.
Systemübersicht Toyota Prius:
Die Batterie eines Toyota Prius speichert eine Gleichspannung von etwa 200 Volt. Der Schub Konverter wandelt die Batteriespannung von 201,6 in eine höhere Gleichspannung (DC) von 650 Volt um. Der Aufwärtswandler ist ein DC/DC-Wandler; es bleibt Gleichstrom, nur die Spannung wird erhöht. Die 650 Volt Gleichspannung landet im Wechselrichter. Der Wandler wandelt Gleichspannung (DC) in Wechselspannung (AC) um und umgekehrt. Wir bezeichnen diesen Wandler daher als AC/DC-Gleichrichter oder DC/AC-Wandler. Neben der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom steuert der Wechselrichter auch die Elektromotoren mittels IGBTs. Die beiden Elektromotoren (MG1 und MG2) arbeiten mit einer dreiphasigen Wechselspannung von ca. 600 Volt.
Die Batteriespannung geht nicht nur an den Hochsetzsteller und den Klimakompressor, sondern auch an den DC/DC-Wandler für die Bordbatterie. Die Spannung von 201,6 Volt wird alle zwei Sekunden in 14 Volt umgewandelt Blei-Säure-Batterie laden zu können. An diese 14-Volt-Batterie werden die elektrischen Komponenten des Innen- und Außenbereichs angeschlossen, wie z. B. Radio, Beleuchtung, Türschlösser usw.
Systemübersicht Mitsubishi Outlander:
Die folgende Übersicht zeigt die Komponenten eines Mitsubishi Outlander (Modelljahr 2019 >).
Abhängig von den Fahrbedingungen verhält sich dieser (Plug-in-)Hybrid als Elektrofahrzeug, Serienhybrid oder Parallelhybrid. Die Abkürzungen lauten wie folgt:
- PDU: Power Drive Unit
- GCU: Generatorsteuereinheit
- FMCU: Frontmotor-Steuergerät
- RMCU: Heckmotorsteuergerät
- GCU: Generatorsteuereinheit
- OBC: On-Board-Ladegerät
EV-Modus: Beim rein elektrischen Fahren ist die Lamellen-Nasskupplung geöffnet und die Elektromotoren (jeweils mit einer maximalen Leistung von 60 kW) sorgen für den Antrieb. Der Benzinmotor und der Generator werden abgeschaltet.
Serienmodus: Bei einer Batterieladung von <30 % und einem Leistungsbedarf von >60 % werden Benzinmotor und Generator gestartet. Die Kupplung bleibt ausgekuppelt. Der Benzinmotor treibt den Generator an, der für die Batterieladung (und damit nicht für den Antrieb der Räder) sorgt. Das System verhält sich nun wie ein Serienhybrid. Die Drehzahl des Benzinmotors beträgt im Fahrbetrieb ca. 1700 Umdrehungen. / min. Beim Beschleunigen und Bremsen sinkt die Drehzahl auf 1100 U/min.
Parallelmodus: Wenn Sie schneller als 65 km/h fahren, ein erhöhter Leistungsbedarf besteht oder der Ladezustand der Batterie <30 % beträgt, wird das Getriebe so geschaltet, dass der Parallelmodus entsteht. Der Verbrennungsmotor und der vordere Elektromotor treiben die Räder an. Die Drehzahlen von Verbrennungsmotor und vorderem Elektromotor werden vor dem Einkuppeln synchronisiert. Im Parallelbetrieb wird der hintere Elektromotor um bis zu 5 % angesteuert, um Magnetfeldwiderstände bei hohen Geschwindigkeiten im Leerlauf zu verhindern.
Getriebe eines Hybridfahrzeugs:
Die meisten Hersteller (Ford, Honda, GM) passen 2019 CVT-Technologie (Continuously Variable Transmission) als Getriebe für ihre Hybridmodelle.
Die CVT-Technologie des Toyota Prius (siehe Bild) wird nicht durch einen Schubriemen und durchmesserverstellbare Riemenscheiben erreicht, sondern durch eine elektrisch gesteuerte Kombination aus Elektromotor, Generator und Planetengetriebesystem. Der Vorteil dieser Getriebeart gegenüber dem mechanischen CVT besteht darin, dass sie keinem Verschleiß unterliegt und deutlich weniger Gewicht hat.
Der abgebildete Antriebsstrang des Prius besteht aus:
- Verbrennungsmotor (Benzinmotor);
- Elektromotor MG1 (funktioniert als Generator/Dynamo beim regenerativen Bremsen);
- Elektromotor MG2 (der Motor für den Antrieb);
- Planetengetriebesystem (Power Split Device), das den Verbrennungsmotor und den Elektromotor mit dem Antriebsstrang verbinden und trennen kann;
- Kettenübertragung über Kettenräder, die mit dem Differential verbunden sind.
