Hybridelektrokraftfahrzeug

mini|Das weltweit wahrscheinlich erste Hybridelektrokraftfahrzeug: Armstrong Phaeton Benzin-Elektro-Hybrid (von 1896) im Louwman Museum in Den Haag, Niederlande mini|Lohner-Porsche „Mixte“ (ca. 1902) Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor der Daimler-Motoren-Gesellschaft; vorne zwei Radnabenmotoren je 1,5 kW; bis 50 km/h

mini|Toyota Prius NHW 20, Nachfolgemodell des ersten Großserien-Pkw mit Hybridantrieb mini|Fisker Karma Plug-in-Hybrid mini|Range Extender: Generator mit Einzylinder-Verbrennungsmotor von swissautomacht Elektrofahrzeuge zu Hybridfahrzeugen; präsentiert auf der IAA 2011

Ein Hybridelektrokraftfahrzeug (, HEV), gemäß EU-Richtlinie. In: Amtsblatt der Europäischen Union. L263, 9. Oktober 2007, S. 5. kurz Hybridelektrofahrzeug, umgangssprachlich auch Hybridfahrzeug oder Hybridauto, akademisch Fahrzeug mit Hybridantrieb oder aber auch Fahrzeug mit Hybridmotor, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.Die Transport-Abteilung der UN-Wirtschaftskommission für Europa (United Nations Economic Commission for Europe, UNECE) definierte 2003 den Begriff Hybrid electric vehicle (Hybridelektrofahrzeug) als Fahrzeug, das mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme zum Antrieb eingebaut hat. Siehe

Nur in der Ausführung als Plug-in-Hybrid ist eine elektrische Aufladung am Stromnetz vorgesehen. Klassisch wird dazu ein Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Generator eingesetzt, zunehmend auch Brennstoffzellen, die aus mitgeführtem Wasserstoff direkt Elektrizität gewinnen, speziell bezeichnet als Brennstoffzellenfahrzeug (, FCHV).

Ein Hybridantrieb kann mit unterschiedlichen Zielvorgaben gestaltet werden: Schon in seiner historischen Entwicklung für erste Elektrofahrzeuge um 1900 ging es allein um Reichweite. Im Serien-Automobilbau sowie im Motorsport wird er zuweilen ergänzend als Beschleunigungsreserve eingesetzt, die vor allem im niedrigen Drehzahlbereich das Drehmoment steigert, und um mit Rekuperationsbremse sowie durch optimalen Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors dessen Effizienz und Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Gegenwärtig werden Verbrennungsmotoren mit Akkumulatoren kombiniert, es lassen sich aber auch Superkondensatoren als besonders leistungsstarke Kurzzeit-Reserve für höchste Beschleunigung einsetzen.

Wirkungsgrad-Vorteile mini|Verbrauchsanzeige im Toyota Prius

Ein Verbrennungsmotor lässt sich folgendermaßen charakterisieren: Die chemische Energie des Kraftstoffes wird zunächst teilweise in Wärme umgewandelt. Ein Teil der Wärme wird in mechanische Energie (Rotation der Kurbelwelle) gewandelt und zum Antrieb genutzt. Der überwiegende Teil der Primärenergie wird an Kühlwasser und Abgase abgegeben. Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt bei optimaler Drehzahl und Auslastung maximal ca. 37 %. Er ist bei gegebener Drehzahl stark lastabhängig – knapp unter Volllast am höchsten, Absinken bis zum Leerlauf auf null. Das heißt, im Teillastbetrieb, wenn wenig Gas gegeben wird, haben Ottomotoren einen schlechten Wirkungsgrad. Bei Peter Marx Peter Marx: Wirkungsgrad-Vergleich zwischen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und Fahrzeugen mit Elektromotor werden für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 20 % Effizienz angegeben.

Teillast und Leerlauf des Verbrennungsmotors kommen im Stadtverkehr häufig vor und können in Hybrid-Elektrokraftfahrzeugen weitgehend vermieden werden. Der Verbrenner kann nun häufiger und länger bei hoher Last mit günstigem Wirkungsgrad betrieben werden. Die anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Akkuladung verwendet. Beim Beschleunigen können Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam arbeiten. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden (Downsizing). Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird der größere Teil der Bremsenergie in den Akkumulator zurückgeführt (Nutzbremse). Insbesondere im Stadtverkehr tragen diese Rückgewinnungen zur Verbrauchsverminderung um bis zu 60 % bei. Der Verbrennungsmotor ist abgeschaltet, wenn keine oder wenig Antriebsleistung benötigt wird. Die Lärmreduktion im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei Langsamfahren (Einparken) mit geladenem Akku ist im städtischen Raum ein weiterer Gewinn. Auf einen separaten Anlasser kann verzichtet werden, weil der Elektromotor die Funktion mit übernimmt.

Elektromotoren haben einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von über 90 %. Dieser bleibt über einen weiten Drehzahlbereich hoch. Die Effizienz sinkt bei hohem Drehmoment ab, insbesondere bei Überlastung.

In die elektrische Gesamtbilanz geht noch der Speicherwirkungsgrad des Akkumulators ein. Superkondensatoren werden bisher selten verbaut.i-Eloop im neuen Mazda 6: Ungewöhnliches Rekuperationssystem. In Auto-Motor-Sport. Heft 17, 2012. Letztere sind ebenso wie die Leistungselektronik sehr effizient (> 90 %), während die Effizienz des Akkumulators aufgrund des Peukert-Effektes je nach Akkuchemie und Belastung geringer sein kann. Für Elektroantriebe wird ein Gesamtwirkungsgrad von 85 % angegeben.

Elektromotoren sind zudem überlastbar, das heißt, sie können ein höheres Drehmoment und kurzzeitig eine höhere Leistung abgeben als ihre Nennleistung. Dieses Drehmoment steht auch bei stehendem Motor zur Verfügung, anders als beim Verbrennungsmotor, der erst ab einer Mindestdrehzahl belastet werden kann. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug bei gleicher Systemleistung um etwa 10–20 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten). Aufgrund des bei Hybridfahrzeugen oft klein ausgelegten Verbrennungsmotors haben sie häufig eine etwas geringere Höchstgeschwindigkeit und sind bei hoher Leistungsanforderung lauter, weil sie dann in höheren Drehzahlbereichen arbeiten müssen.

Das Fahrmanagement sorgt einerseits für einen hohen Fahrkomfort und gewünschte Beschleunigungswerte, andererseits optimiert es durch die Wahl und Aufteilung der zwei Antriebe den Gesamtwirkungsgrad. Es bestehen drei Möglichkeiten: Rein elektrisches Fahren, Verbrennungsmotor abgeschaltet, z. B. beim Einparken Elektrische Unterstützung des Verbrennungsmotors, z. B. zum Beschleunigen bei hoher Geschwindigkeit Lastpunktanhebung: Verbrennungsmotor zum Antrieb und zum Akku-Laden, dadurch höhere Effizienz Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeuges auf über 38 % steigern. W. R. Canders, A. B. Asafali, Jue Wang: Energieverbrauch von Hybridfahrzeugen. Posterbeitrag im Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der TU Braunschweig, S. 32. Zur Anzeige des Betriebszustands kann ein Econometer dienen.

Dieselmotoren haben einen etwas günstigeren Wirkungsgradverlauf (kleine Drosselverluste), weshalb sie weniger vom Einbau eines Elektromotors und Akkumulators profitieren.

Masse Bei konstanter, schneller Fahrt auf der Autobahn kann sich das Zusatzgewicht in einem höheren Verbrauch niederschlagen.Auto-Touring. Das ÖAMTC-Magazin, 9/2011, S. 32 Wird beschleunigt und abgebremst oder wechseln sich Berg- und Talfahrten ab, kann der durch das Zusatzgewicht bedingte Mehrverbrauch durch die Möglichkeit der Nutzbremse überkompensiert werden. Eine vorausschauende Fahrweise kann schon beim normalen Pkw 10 bis 20 Prozent des Verbrauchs einsparen,, ADAC. während dieser Wert beim Hybrid nochmals zunimmt, weil jedes vorausschauende Bremsen der Energiegewinnung dienen kann. Der Verbrennungsmotor arbeitet bei Autobahngeschwindigkeit bereits in einem relativ günstigen Wirkungsgradbereich.

Verbrenner-Optimierung Der Hybridantrieb ermöglicht es, den Verbrennungsmotor anders auszulegen als in einem Fahrzeug, in dem er allein ständig das Fahrzeug antreiben muss. So betreiben u. a. Toyota und Honda den Verbrennungsmotor im Atkinson-Zyklus und erzielen damit Kraftstoffeinsparung und Lautstärkereduzierung bei niedriger bis mittlerer Leistung.

Klassifizierung Werden die Akkumulatoren nur mit dem Verbrennungsmotor über den eingebauten Generator geladen, wird der Hybrid als autark bezeichnet. Beim Plug-in-Hybrid können die Akkus hingegen auch am Stromnetz geladen werden.

Im Allgemeinen wird nach der elektrischen Leistung klassifiziert in drei Hybridisierungsstufen: Mikro-, Mild- und Vollhybrid. Zudem wird nach der Systemstruktur unterschieden in Seriell-, Parallel- und Mischhybrid.

Einteilung nach Systemstruktur Serieller Hybrid

mini|Serieller Hybrid mit Verbrennungsmotor

Bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb, der dem dieselelektrischen Antrieb zum Beispiel bei Schiffen oder Lokomotiven entspricht, hat der zweite Energiewandler keine mechanische Verbindung mehr zur Antriebsachse. Meist treibt ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator an, der die Fahrenergie bereitstellt oder den Fahrakku lädt. Beim Brennstoffzellenfahrzeug übernimmt die Brennstoffzelle die Funktion des Generators. Die Leistungsfähigkeit der Motor-Generator-Kombination oder der Brennstoffzelle bestimmt dabei die Dauerleistung und -höchstgeschwindigkeit. Bei kurzzeitigem höheren Leistungsbedarf kann der Akku zusätzlichen Strom liefern. Der oder die antreibende(n) Elektromotor(en) müssen immer das gesamte geforderte Drehmoment und die gesamte geforderte Leistung erbringen.

Beispiele mit Motor + Generator: Mazda MX-30 R-EV, BMW i3 mit Range Extender, Fisker Karma, Nissan Qashqai e-Power, sowie die Studie Opel Flextreme GT/E.

Beispiele für aktuelle Brennstoffzellenfahrzeuge als serieller Hybrid: Toyota Mirai (leistungsverzweigt), Hyundai Nexo oder der Transporter Renault Kangoo Z.E. Hydrogen.

Die Darstellung mit einem magnetisch-elektrischen Getriebe-Automaten wird auch Direkthybrid genannt.

Paralleler Hybrid mini|Paralleler Hybrid

Anders als beim seriellen Hybridantrieb kann beim parallelen Hybridantrieb ein Betriebszustand eingeschaltet werden, bei dem Elektromotor und Verbrennungsmotor zugleich auf den Antriebsstrang wirken, was die Drehmomente der einzelnen Antriebe addiert. Das ermöglicht eine schwächere Auslegung aller Motoren, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart, im Falle des Verbrennungsmotors auch Kraftstoff (downsizing). Parallelhybride lassen sich vergleichsweise kostengünstig als Mildhybrid verwirklichen. Falls auch ein rein elektrischer Fahrbetrieb möglich sein soll, muss der Elektromotor dementsprechend ausgelegt werden. Dietrich NauninDietrich Naunin: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge. 3. Auflage. expert-Verlag, Renningen 2004. (* 1937, Sohn von Helmut Naunin)Walter Habel (Hrsg.): Wer ist wer? Das deutsche Who’s who. 24. Ausgabe. Schmidt-Römhild, Lübeck 1985, ISBN 3-7950-2005-0, S. 884. schreibt dazu: Charakteristisch für den parallelen Hybrid ist, dass beide Antriebsaggregate aufgrund der Leistungsaddition bei gleichen Fahrleistungen im Vergleich zum konventionellen Antrieb kleiner dimensioniert werden können.

Die Parallelhybride werden je nach Position und Eingriffspunkt der E-Maschine (EM) zum Verbrennungsmotor (VM) in die Kategorien P0-P4 eingeteilt: P0: EM vor dem VM, z. B. über Riemen mit der Kurbelwelle des VM verbunden P1: EM fest mit der Kurbelwelle des VM verbunden P2: EM sitzt zwischen VM und Getriebeeingangswelle, zwischen VM und EM befindet sich eine Kupplung (C0). Die EM ist fest oder über eine zweite Kupplung (C1) mit der Getriebeeingangswelle verbunden P2.5: EM sitzt in einem Doppelkupplungsgetriebe an der Eingangswelle einer Getriebeseite P3: EM fest mit der Getriebeausgangswelle verbunden, die EM befindet sich zwischen Getriebe und Differential P4, auch Axle-Split: Elektrische Achse aus EM und Differential oder EMs als Radnabenmotoren, keine mechanische Verbindung (Welle) zum VM

Für P0 und P1 gilt: Im geschleppten Betrieb (Schubbetrieb) vermindern die zusätzlichen Reibungsverluste der VM die Rekuperationsleistung der EM.