Das Potenzial von KFZ-Hybridantrieben als Ersatz für konventionelle Antriebe und als Übergangslösung bis zur Umstellung auf reine Elektromotor-Antriebslösungen für KFZ

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise

2 Grundlagen der Hybridantriebe
2.1 Entwicklungsgeschichte von Hybridantrieben
2.2 Definition und Ziele von Hybridantrieben
2.3 Funktionen
2.3.1 Betriebszustände
2.3.1 Start/Stopp
2.3.2 Boosten
2.3.3 Rekuperation
2.3.4 Lastpunktanhebung
2.3.5 Elektrisches Fahren
2.3.5.1 Segeln
2.4 Komponenten
2.4.1 Verbrennungsmotor
2.4.2 Elektrische Maschine
2.4.3 Energiespeicher
2.4.4 Leistungselektronik

3. Hybridantrieb-Konzepte
3.1 Serielle Hybridantriebe
3.2 Parallele Hybridantriebe
3.3 Leistungsverzweigte Hybridantriebe
3.4 Einteilung nach Hybridfunktionen

4. Vergleich der Antriebstechnologien
4.1 Kraftstoffverbrauch
4.2 Emissionen
4.3 Verbindung zwischen CO2-Ausstoß und Kraftstoffverbrauch
4.4 Ökobilanz
4.5 Zwischenfazit: Technischer Vergleich

5. Marktanalyse
5.1 Marktentwicklung in Deutschland
5.2 Marktentwicklung in den USA
5.3 Marktentwicklung in China
5.4 Marktentwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen
5.5 Kundenhaltung
5.6 Prognose der Entwicklung

6 Zusammenfassung und Ausblick

Eidesstattliche Erklärung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

„Für die Zukunft nimmt ein Trend immer deutlicher Form an: Die vollständige Elektrifizierung des Antriebs.“

Mit diesem Zitat von Daimler-Chef Dieter Zetsche aus dem Jahr 2008 wird beschrieben, was viele Menschen innerhalb der Automobilbranche denken, die aufgrund der zugespitzten Zustände des Klimawandels und der aktuellen Energiepolitik immer mehr unter Druck geraten. Das Thema Nachhaltigkeit betrifft nicht mehr nur die persönliche Haltung von umweltbewussten Menschen, sondern gehört mittlerweile zu den wesentlichen Unternehmenszielen. Die Automobilbranche befindet sich aktuell in einem strukturellen Wandel. Die angesprochenen veränderten Marktbedingungen werden in der vorliegenden Arbeit als die drei Treiber alternativer Antriebskonzepte definiert. Sie beruhen auf Regulierungen der Legislative, einem zunehmenden ökologischen Bewusstsein der Kunden sowie der Endlichkeit fossiler Brennstoffe (siehe Abbildung 1: Drei Treiber der alternativen Antriebe).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Drei Treiber der alternativen Antriebe

Quelle: Strategie zur Elektrifizierung des Antriebsstranges¹

Beim Treiber „Verfügbarkeit fossiler Kraftstoffe“² geht es um die Endlichkeit dieser. Dabei wird die Problematik momentan verwendeter Kraftstoffe bei Fahrzeugen beschrieben. Da Benzin und Diesel aus Erdöl gewonnen werden, die entsprechenden Ressourcen aber geringer werden, weil der Verbrauch steigt, jedoch seit 1970 die Funde neuer Ölfelder und deren Ertrag abnehmen, ist der Umstieg auf alternative Antriebe in der Zukunft zwingend. Hinter dem Treiber „Gesetzgebung/Politik“³ steckt die Ambition von Staaten, die Emissionen, vor allem von CO2, das als Hauptgrund für die steigende Erderwärmung angesehen wird, zu senken. Diese Bemühungen und Ziele mündeten in Normen sowie Klimaabkommen, an die sich Staaten und Automobilhersteller halten müssen. Werden die definierten Maximalwerte überschritten, müssen Strafzahlungen getätigt werden. Aus diesem Grund investieren Autobauer sowie Zulieferer in die Entwicklung und Forschung im Bereich der Elektromobilität, um das eigene Produktportfolio zu erweitern. Der Staat treibt dieses Gebiet nicht nur durch Normung und Strafzahlungen, sondern auch durch die Einführung von Kaufprämien und das Ausbauen der Ladeinfrastruktur an. Im dritten Treiber, „Ökologische Kundenanforderungen“⁴, werden die Anforderungen der Kunden, die sich zunehmend mit den sozialen und ökologischen Folgen ihres Handels beschäftigen und somit neue Erwartungen an die Automobilbranche stellen, widergespiegelt.

Laut momentanen Berechnungen Verband der Automobilindustrie (VDA) ist es anzunehmen, dass die deutsche Automobilindustrie bis zum Jahr 2020 40 Mrd. € investieren wird, um den alternativen Antrieben zum Durchbruch zu verhelfen.⁵ Jedoch ist es zweifelhaft, ob Menschen dazu bereit sind, ihren Verbrennungs- gegen einen reinen Elektromotor einzutauschen, denn auch wenn die Zahl verkaufter Elektroautos steigt, findet ein Wandel in solch einer Branche nur stufenartig statt. Eine Zwischenstufe ist diesbezüglich das Hybridmotor-getriebene Fahrzeug. Die Forschungsfragen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit beantwortet werden sollen, lauten demnach:

Warum haben Hybridantriebe das Potential, konventionelle Antriebe zu verdrängen? Warum sollten sie in den nächsten Jahren bis zur Umstellung auf den reinen Elektromotor als Übergang dienen?

1.2 Zielsetzung

Ziel der Arbeit ist, das Potential der Hybridantriebe als realistische Alternative zu Verbrennungsmotoren zu untersuchen sowie mit anderen Antriebsarten, vor allem mit Elektromotoren, zu vergleichen und dahingehend zu bewerten.

1.3 Vorgehensweise

Um die Forschungsfragen zu beantworten, werden zunächst in Abschnitt 2 und 3 die Grundlagen des Hybridantriebs genauer erläutert und dimensioniert. Dabei wird insbesondere auf den Aufbau und die Wirkweise, die Varianten der Hybridantriebe sowie deren Vor- und Nachteile eingegangen. Im darauffolgenden Kapitel werden Hybridantriebe mit anderen Antriebsarten verglichen und anschließend bewertet. Um einen besseren Überblick darüber zu geben, in welchen Aspekten die Stärken und Schwächen im Vergleich zu anderen Antrieben liegen, werden die resultierenden Ergebnisse in einer Vergleichsmatrix zusammengetragen. Damit wird verdeutlicht, wie sich die Vor- und Nachteile der Hybridantriebe im Vergleich zu anderen Arten verhalten. In Abschnitt 5 wird eine Marktanalyse durchgeführt, in der sich auf Deutschland, die USA sowie China bezogen und der Fokus auf alternative Antriebe gelegt wird. Hierfür werden die Entwicklung der Verkaufszahlen, gesetzliche Regelungen sowie Kaufargumente bewertet und analysiert. Weiterhin erfolgt eine Darlegung der Einflussfaktoren auf die Entwicklungsrichtung des Marktes. Dies dient zum einen als Prognosegrundlage für den Folgeabschnitt und zum anderen werden relevante Themen, durch die die Entwicklung beeinflusst wird, aufgezeigt. Es wird zudem eine mittel- und langfristige Prognose der Marktdurchdringung von Hybridmotoren angeführt, die mit den Ergebnissen in Zusammenhang gebracht wird.

2. Grundlagen der Hybridantriebe

2.1 Entwicklungsgeschichte von Hybridantrieben

Der Begriff hybrid stammt vom lateinischen Wort hybrida und bedeutet aus Verschiedenartigem zusammengesetzt. In der Technik werden jene Lösungen Hybride genannt, in denen zwei Technologien kombiniert werden.⁶ Ferdinand Porsche entwickelte 1899 für Bela Egger ein elektrisches Fahrzeug (siehe Abbildung 2: Break-Version des Egger-Lohner-Elektromobils, das 1899 auf der ersten internationalen Automobilausstellung Berlins gezeigt wurde).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Break-Version des Egger-Lohner-Elektromobils, das 1899 auf der ersten internationalen Automobilausstellung Berlins gezeigt wurde

Quelle: Ferdinand Porsche als Wegbereiter des Hybridantriebs 2017

Das innovative Antriebskonzept bestand im Wesentlichen aus einem Akkumulator als Energiequelle und einem Elektromotor (Radnabenmotor), der die elektrische Energie in kinetische umwandelte. Dabei wurde durch den Direktantrieb ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Jedoch bewegten eine geringe Reichweite und Gewichtsprobleme Ferdinand Porsche zum Umbau des Fahrzeugs. Bei Mixte - so wurde das neue Fahrzeugsystem genannt - übernahmen zwei Benzinmotoren mittels eines Generators die Aufladung des Radnabenmotors und der Batterie. Das Gewicht der Ladestation betrug 370 kg. So versorgte innerorts der Akkumulator die Radnabenmotoren mit Energie und außerorts übernahmen dies der Benzinmotor und der Generator.⁷ Bereits 1900 gab es somit das erste Hybridfahrzeug. Die Weiterentwicklung war durch die Problematik der Wärmeabführung geprägt, da die von den Elektromotoren erzeugte Hitze nicht ausreichend abgeführt werden konnte. Trotz kontinuierlicher Gewichtsreduktion wog und kostete das Hybridauto deutlich mehr als Benzinfahrzeuge. Da zu dieser Zeit Emissionsentwicklung und Kraftstoffverbrauch nicht im Vordergrund standen, konnte es sich folglich nicht durchsetzen.⁸

In der Folgezeit dominierten Verbrennungsmotoren gegenüber Elektro-, Hybrid- und Dampfmaschinenantrieben den Markt. Die Diskussion um alternative Antriebe wurde erst 1960 durch Smog-Probleme in einigen Metropolen wie z. B. Los Angeles oder New York und die daraus resultierenden Abgasnormen wieder verstärkt geführt. Zwar wurde zu der Zeit im Bereich von Gasturbinen-, Elektro- und Hybridantrieben geforscht, die entsprechend weiterentwickelt wurden, Serienproduktionen blieben jedoch aus.⁹

Einen weiteren Schub erhielten die alternativen Antriebe durch die Energiekrise im Jahr 1970, durch die sich die Ölpreise vervierfachten. Universitäten und Automobilhersteller experimentierten mit alternativen Konzepten. So präsentierte Volkwagen 1977 im Museum of Modern Art in New York das VW-T2-City-Taxi mit Ottohybridantrieb. Dieser bestand aus einem Elektro- und einem Ottomotor mit hydrodynamischem Wandler. Dabei wurde versucht, die Drehmomente mechanisch zu addieren, indem diese überlagert wurden¹⁰ (siehe Abbildung 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Konzept des Hybridantriebs im VW T2

Quelle: WV: Ein Bus als Taxi mit Hybrid-Antrieb 2010

Im asiatischen Raum war vor allem der Hersteller Toyota aktiv und präsentierte 1977 auf der Tokyo Motor Show mit dem Modell ,Sports 800 GT‘ ein weiteres hybrides Konzept.¹¹ Bei diesem bildeten die Gasturbine und ein Generator eine Ladestation, um die Batterie und den Elektromotor zu betreiben. In Abbildung 4 ist der Systemfluss des Modells

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Systemfluss des Toyota Sports 800 GT

Quelle: Eigene Darstellung angelehnt an Toyota Sports 800 Gas Turbine-Hybrid

Knapp zehn Jahre später präsentierte Audi 1989 die erste Generation des Hybridfahrzeugs ,Audi Duo‘, das auf dem Modell ,100 avant quattro‘ basierte. Audi Duo war ein Elektro- und Verbrennungsmotorhybrid, bei dem die beiden Antriebe voneinander entkoppelt waren. Bei der ersten Generation 1989 wurde die Vorderachse mit einem Fünfzylinder­Benzinmotor (100 kW) angetrieben, die Hinterachse hingegen mit einem Elektro­Gleichstrommotor mit 8,8 kW.¹² Die elektrische Energie lieferte eine Nickel-Cadmium­Batterie. Diese ist seit 2017 wegen ihrer hohen Umweltschädlichkeit aufgrund der Verwendung von Cadmium und der komplexen Recyclingprozesse in der EU verboten, hatte jedoch zu der Zeit einige Vorteile gegenüber anderen Akkus: Sie ist elektrisch und mechanisch robust, hat eine lange Lebensdauer und bei niedrigen Umgebungstemperaturen einen höheren Wirkungsgrad als andere Akkuarten.¹³ 1997 schloss Audi die Entwicklungsreihe mit der serienreifen dritten Generation des Audi Duos ab, der über einen Vierzylinder-Dieselmotor mit 66 kW und einen Elektromotor mit 21 kW verfügte. Auf die Vorderachse wirkten nun beide Antriebe und als Energiequelle für den Elektromotor wurden Bleibatterien mit einem Gewicht von 320 kg eingesetzt.¹⁴ In Tabelle 1 ist im Überblick die Entwicklung des Audi Duos über die Generationen hinweg dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Die Leistungsentwicklung des Audi Duo über die drei Generationen Quelle: Eigene Darstellung

Der Kaufpreis des Audi Duo belief sich auf 60.000,- DM¹⁵, was im Vergleich zum damaligen Durchschnittspreis eines Fahrzeugs von 34.000,- DM¹⁶ relativ teuer ist. Auch dies trug zum Misserfolg des Audi-Hybrides bei - es gelang kein Durchbruch auf dem europäischen Markt. Schließlich wurde die Produktion nach nur 90 Fahrzeugen aufgrund der geringen Nachfrage eingestellt.

Der europäische Markt schien noch nicht bereit für das Hybridfahrzeug zu sein, in Japan hingegen sah es anders aus: Im selben Jahr (1997) brachte der Hersteller Toyota sein erstes Serien-Hybridfahrzeug ,Prius‘ auf den Markt und konnte innerhalb von nur einem Jahr rund 18.000 Exemplare verkaufen. Bei diesem Modell wurden ein Elektro- und ein Benzinmotor an die Antriebsachse gekoppelt, basierend auf dem Toyota-Hybridsystem (THS), das in Kapitel 3.3.1 ausführlicher erläutert wird.¹⁷

Im Jahr 2001 wurden auch die amerikanischen und europäischen Märkte mit einer überarbeiteten Version des Prius beliefert. Der Prius II folgte 2003. Mit ihm wurde nicht nur an den Erfolg der ersten Generation angeknüpft, sondern aufgrund gestiegener Umweltprobleme, einer Sensibilisierung für den CO2-Ausstoß und alternativer Kraftstoffe wurden Hybridantriebe auf dem Markt etabliert. Daraufhin begannen viele namhaften Fahrzeughersteller mit der Entwicklung von Hybridfahrzeugen.¹⁸

2.2 Definition und Ziele von Hybridantrieben

Die UN/ECE, die Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen, definiert einen Hybridantrieb als ein Antriebssystem, das über mindestens zwei verschiedene Energiewandler und zwei unterschiedliche Energiespeichersysteme verfügt. Daraus lässt sich ableiten, dass ein Hybridfahrzeug dadurch definiert wird, dass es von einem Hybridantrieb betrieben wird.¹⁹

Das Ziel von Hybridantrieben ist das Ausgleichen der Nachteile und Schwächen der jeweiligen Antriebsart durch Kombination mehrerer Systeme. So haben beispielsweise Verbrennungsmotoren vor allem in unteren Drehzahlbereichen einen relativ geringen Wirkungsgrad von 35-45 %, während dieser bei Elektromotoren bei 95 % liegt.²⁰ Letztere hingegen haben den Nachteil einer geringen Reichweite, die auf den Leistungsmangel der Batterien zurückzuführen ist. Abgesehen von den technischen Faktoren, die für die Kombination unterschiedlicher Antriebsarten sprechen, werden auch nachhaltige Ziele verfolgt, z. B. die Senkung von Kraftstoffverbrauch sowie Emissionen und die Nutzung weiterer auftretender Effekte, etwa der Brems- und Abgasenergie zur Aufladung der Batterie.²¹ Die Vorteile, die die Motivation zum Bau dieser Antriebe darstellen, werden in Kapitel 2.3 genauer betrachtet.

2.3 Funktionen

Mit den Funktionen der Hybridantriebe werden zum einen Vorteile aus der Kombination zweier Antriebstechniken gezogen, durch die das Fahrerlebnis und die Leistung verbessert werden. Andererseits sind wesentliche technische Gründe für die Nutzung dieser Funktionen höhere Wirkungsgrade, Kraftstoffeinsparungen und Verringerung des Emissionsausstoßes.²² Das Ausschöpfen des Potentials der jeweiligen Funktion hängt vom Hybridkonzept und der Dimensionierung der Bauteile ab. Daher wird die Effizienz dieser Funktionen nochmal in Kapitel 3. in Zusammenhang mit dem jeweiligen Hybridkonzept angeschnitten.

2.3.1 Betriebszustände

Die Koordination vorhandener Antriebe und Energiespeicher erfordert den Einsatz unterschiedlicher Betriebszustände, um ein effizientes Zusammenwirken der Komponenten zu erreichen. Die grundsätzlich möglichen Zustände und deren Funktion in Hybridfahrzeugen werden in diesem Abschnitt erläutert.²³

2.3.1 Start/Stopp

Um bei einem Stillstand, z. B. bei Stop-and-go-Verkehr oder an einer Ampel, den Verbrauch von Kraftstoff und die Emissionen zu senken, wird der Verbrennungsmotor in solchen Situationen bzw. beim Unterschreiten einer bestimmten Geschwindigkeit abgeschaltet. Dies geschieht unter der Voraussetzung, dass der Fahrer das Bremspedal getätigt hat und keine Kupplung aktiviert ist. Sobald diese wieder betätigt wird, erfolgt der Start des Motors mit Hilfe des E-Motors. Die Start-Stopp-Automatik greift auch nur unter der Voraussetzung, dass der Motor und das Abgasnachbehandlungssystem ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Diese Funktion ist auch bei reinen Otto- und Dieselantrieben möglich. Dazu muss neben einem Batteriemanagement eine verstärkte Dimensionierung der Anlasser vorgenommen werden.²⁴

2.3.2 Boosten

Unter Boosten wird die Unterstützung des Verbrennungs- durch den Elektromotor verstanden. Dies geschieht kurzzeitig bei der Anfahrt und in der Beschleunigungsphase.²⁵

2.3.3 Rekuperation

In konventionellen Fahrzeugen wandelt sich die Bewegungsenergie bei Brems- und Verzögerungen in Wärme um, die ungenutzt bleibt. Rekuperatives Bremsen bezeichnet im Fall des Hybridantriebs die beim Bremsen entstehende Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie. Beim Betätigen der Bremse schaltet der Elektromotor auf Generatorbetrieb um. Die Räder übertragen die Bewegungsenergie über den Antriebsstrang zum Generator, der sich dadurch dreht, einen Teil in elektrische Energie umwandelt und damit die Batterie auflädt. Daraus lässt sich ableiten, dass die Rekuperationsfähigkeit des Generators von der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt, da diese dessen Drehzahl beeinflusst. Das Einsparungspotential der Rekuperation beträgt je nach Hybridkonzept 2-10 %. Dies ist vor allem davon abhängig, ob sich der Verbrennungsmotor abkoppeln lässt oder nicht. Ist dies der Fall, wird das Schleppmoment des Verbrennungsmotors durch ein vom Generator erzeugtes ersetzt. Ist die Abkopplung nicht möglich, so kann ein geringeres Moment vom Generator erzeugt werden, das zusätzlich zu dem des Verbrennungsmotors auf den Antriebsstrang wirkt.²⁶

Es wird zwischen der parallelen und der seriellen Rekuperation bzw. Regeneration unterschieden. Bei Erstgenannter wirken Generator und Reibungsbremse gleichzeitig. Dabei kann weniger Energie gewonnen werden. Die serielle Regeneration hingegen wirkt wie folgt: Zunächst wird rein generatorisch gebremst. Die Reibungsbremse wird nur dann aktiv, wenn das Bremsmoment des Generators nicht ausreichend ist oder es aus Stabilisationsgründen notwendig ist.²⁷ In Abbildung 5 ist ein Vergleich der beiden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Vergleich zwischen serieller und paralleler Regeneration

Quelle: HOFMANN 2014, S. 118

2.3.4 Lastpunktanhebung

Verbrennungsmotoren weisen aufgrund des geringen Wirkungsgrades in Teillastbereichen gegenüber dem Hochbetrieb einen höheren Verbrauch auf, der durch den größeren Anteil an Schleppverlusten und Reibungen entsteht. Üblicherweise werden Fahrzeuge eher bei niedrigeren Teillasten betrieben (siehe Abbildung 6). Bei der Lastpunktanhebung geht es um die Verschiebung des Betriebspunkts eines Verbrennungsmotors in einen günstigeren Wirkungsgrad durch die Senkung bzw. meistens Erhöhung der Lasten.²⁸ Dies kann mittels zweier Methoden erfolgen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die erste Methode ist die Anhebung des Lastpunktes durch den Elektromotor. Dabei wird der Verbrennungsmotor auch bei geringen Lastanforderungen des Fahrers in effektiveren Bereichen betrieben. Überschüssige Energie, die den Antriebsbedarf übersteigt, wird in der Batterie zwischengespeichert. Um das Ziel der Einsparung von Kraftstoff und der Senkung von Emissionen zu erreichen, sollten die durch die Energieumwandlung entstehenden Verluste durch elektrisches Fahren kompensiert werden.²⁹ Die zweite Methode wird durch sogenanntes Downspeeding realisiert. Dabei wird das Drehmoment bei gleicher Leistungsanforderung durch eine längere Übersetzung erhöht und die Drehzahlen werden gesenkt. Dies führt dazu, dass der Betriebspunkt des Motors in einen Bereich mit niedrigerem spezifischen Verbrauch verlagert wird. Downspeeding führt zur Verringerung der Elastizität durch die Senkung der Antriebsübersetzung und durch den Drehmomentanstieg (Differenz zwischen Nenn- und Maximaldrehmoment). Dies kann durch den Einsatz des Elektromotors überkompensiert werden - was zu einer besseren Fahrleistung führt auch in Verbindung mit Downsizing-Konzepten (Hubraumverkleinerung bei gleichbleibender bzw. steigender Leistung)³⁰ mit Turboaufladung, da der Ladedruckaufbau beschleunigt wird. In Abbildung 7 ist das Verbrauchskennfeld eines Multi-Point-Fuel-Injection-Saugmotors dargestellt. Die Geschwindigkeiten (50 km/h, 100 km/h und 130 km/h) werden mittels Hyperbeln dargestellt. Hier zeigt sich erneut in der Übersicht, wie durch beide Methoden jeweils der Betriebspunkt in einen günstigeren Bereich verschoben wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Verbrauchskennfeld eines MPFI-Motors (Multi point fuel injection). Verbrauchswerte in (g/kWh)

Quelle: HOFMANN 2014, S. 106

2.3.5 Elektrisches Fahren

Beim elektrischen Fahren wird - um Betriebsbereiche mit ungünstigen Wirkungsgraden des Verbrennungsmotors zu umgehen - bis zum Unterschreiten eines definierten Wertes des Ladezustands der Batterie das Fahrzeug rein vom Elektromotor angetrieben. So können Hybridautos je nach Speicherkapazität bis zu 50 km zurücklegen. Diese Funktion besitzt ein hohes Zukunftspotential, da die zurückgelegte Distanz von der Batterieleistung abhängig ist und diese fortlaufend verbessert wird.

3.3.5.1 Segeln

Segeln ist ein Sonderfall des elektrischen Fahrens, bei dem das fahrende Auto ohne den Antrieb des Elektro- und Verbrennungsmotors ausgerollt wird. Dabei wird der Antriebsstrang von der Antriebsachse getrennt. Die Realisierung dieser Funktion bei Hybridfahrzeugen ist einfacher als bei konventionellen. Dies lässt sich durch den Einsatz des Elektromotors begründen, der einerseits den Antrieb in der Beschleunigungsphase übernimmt und andererseits für eine raschere Zündung des Verbrennungsmotors sorgt.

2.4 Komponenten

2.4.1 Verbrennungsmotor

Die Auswahl des jeweiligen Verbrennungsmotors und der entsprechenden Bauteile hängt von der Betriebsstrategie des Hybridfahrzeugs ab, da sich die Lastzustände von Verbrennungsmotoren bei der Koppelung mit elektrischen verändern. Dies bedeutet, dass je nach Betriebsstrategie Anpassungen des Thermomanagements, der Lagerung und/oder der Schmierung vorgenommen werden müssen.³¹

Bei Hybridantrieben werden in der Regel Otto- oder Dieselmotoren verbaut. Dies liegt vor allem daran, dass deren spezifische Eigenschaften mit denen eines Hybridantriebes gut harmonieren.³²

2.4.1.1 Ottomotor

Der Ottomotor verfügt über einen effektiven Wirkungsgrad von 36 %. Der Grund dafür ist, dass die Voraussetzungen für den idealen Wirkungsgrad von 60 % in einer realen Umgebung nicht vorhanden sind, z. B. fehlende Reibverluste und isentrope Kompression. Der Wirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch sind vom Betriebszustand abhängig. Gerade bei niedrigen Drehzahlen und Lastanforderungen erreichen die Wirkungsgrade ein Minimum. Der E-Motor kann das fehlende Drehmoment bei niedrigen Lasten ausgleichen.³³ Der hohe Einsatz von Ottomotoren in Hybridfahrzeugen liegt zum einen daran, dass deren Einbaurate in den Hauptabsatzmärkten von Hybridfahrzeugen - in den USA und in China - wesentlich höher ist als die von Dieselmotoren. Zum anderen sind hier die günstigeren Kosten (ca. 8 %) der Otto- im Vergleich zu den Dieselmotoren zu nennen, deren Abgasnachbehandlung wesentlich komplexer ist. Durch die Elektro- und Ottomotor-Hybridkombination werden höhere Wirkungsgrade sowohl in Teil- als auch in Volllasten erzielt. Optimale Steuerzeiten der Ventile und das Anheben der Drehzahlgrenzen führen bei Volllasten zu einem besseren Wirkungsgrad. Höhere Verdichtungen bei Teillasten erhöhen jedoch die Klopfneigung.³⁴ Aufgrund dessen wird häufig auf den Atkinson-Zyklus zurückgegriffen, um das effektive Verdichtungsverhältnis bei Volllast zu senken. In diesem Zyklus wird die Expansionsphase durch die späte Schließung des Einlassventils verlängert, wodurch ein Teil des Gemisches aus dem Brennraum ausgeschoben wird. Daraus folgt eine Senkung des effektiven Verdichtungsverhältnisses. Das hohe Expansionsverhältnis bewirkt aufgrund besserer thermodynamischer Gegebenheiten einen höheren Wirkungsgrad.

2.4.1.2 Dieselmotor

Dieselmotoren besitzen höhere Wirkungsgrade als Ottomotoren. Dies hängt mit dem konstruktionsbedingten höheren Verdichtungsverhältnis und dem Brennverfahren zusammen. So weisen Dieselmotoren bei hohen, aber auch bei Teillasten günstigere Kraftstoffverbrauchswerte und niedrigere CO2-Emissionsraten als Ottomotoren auf. Diesen Umstand machen sich vor allem europäische Automobilhersteller wie Daimler und BMW zu Nutze. Jedoch sind Dieselmotoren sowohl lauter wie auch schwerer als Ottomotoren und durch den komplexen Abgasnachbehandlungsprozess sowie den Einsatz von DeNoX-Katalysatoren³⁵ und SCR-Systemen (Selective-Catalytic-Reduction- Systeme) teurer. Downsizing von Dieselmotoren findet ebenso wie bei Ottomotoren mit dem Ziel statt, den Lastpunkt in günstigere Wirkungsgrade zu verschieben. Das Prinzip des Downsizings wird oft in Kombination mit Abgasturboaufladung umgesetzt.³⁶

2.4.1.3 Alternative Antriebe

Der Einsatz von Turbinen, Brennstoffzellen und Stirlingmotoren in Hybridfahrzeugen ist grundsätzlich möglich, wie mit dem Toyota 800 gezeigt wurde, ist jedoch aus derzeitiger Sicht unvorteilhaft. Je nach Hybridkonzept gelten andere Dynamikanforderungen an Verbrennungskraftmaschinen. Somit sind gerade bei Micro- und Mildhybridkonzepten die Diesel- und Ottomotoren aufgrund des hohen Entwicklungsstands und produktionstechnischer Kostenvorteile, die mit den hohen Produktionszahlen zusammenhängen, alternativlos. Auch bei Fullhybridkonzepten erfüllen die Diesel- und Ottomotoren Anforderungen in Bezug auf Effizienz, Dynamik und Emission besser als die alternativen Antriebe.³⁷

2.4.2 Elektrische Maschine

Elektrische(E)-Maschinen haben die Funktion, mechanische in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt. Es wird zwischen zwei Betriebsarten der E-Maschine unterschieden. Der motorische Betrieb ist durch die Umwandlung in mechanische Energie gekennzeichnet und dient dem Antreiben. Der generatorische Betrieb bezieht sich auf die Umwandlung in elektrische Energie. Durch Stromregulation (maximales Strombegrenzen) wird die E-Maschine aus thermischen Gründen in einem bestimmten Grunddrehzahlbereich betrieben. Physikalisch basiert sie auf vier Gesetzen: Induktionsgesetz, Durchflutungsgesetz, Krafteinwirkungsgesetz und Energieerhaltungssatz. In Abbildung 8 ist die Einteilung der elektrischen Maschinen nach Bauarten dargestellt. Es wird hierbei zwischen Gleichstrom-, Drehstrom- und Wechselstrommaschinen unterschieden. In Hybridkonzepten werden Drehstrommaschinen eingesetzt.³⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Einteilung der elektrischen Maschinen nach Bauart

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an BASSHUYSEN 2017, S. 1245

2.4.2.1 Drehstrommaschine

In Drehstrommaschinen wird mittels eines dreiphasigen Wechselstroms, der durch drei getrennte Leiter fließt, eine Leiterspannung erzeugt, die jeweils um 120° versetzt ist.

Werden drei Spulen mit jeweils einer dieser dreiphasigen Leiterspannungen eingespeist, so entsteht in jeder Spule ein Magnetfeld, das den im Kern der Drehmaschine angebrachten Leiter (Rotor) zum Rotieren bringt.³⁹ Bei den Drehstrommaschinen wird zwischen synchronen und asynchronen unterschieden. Diese sind prinzipiell identisch aufgebaut, allein der Läufer unterscheidet sich. Bei der Synchronmaschine befindet sich im Läufer ein elektrischer oder Permanentmagnet und der Läufer folgt dem Ständerdrehfeld synchron. Hingegen weist die Asynchronmaschine eine Kurzschlusswicklung im Läufer auf. Durch die Abweichung zwischen Läufer und Synchrondrehzahl, das sogenannte Schlupf, wird ein Strom induziert, was in einem Drehmoment resultiert. Die Synchron- bietet einige Vorteile gegenüber der Asynchrontechnik. Sie ist verschleißarm und besitzt somit eine höhere Leistungsdichte und einen besseren Wirkungsgrad. Allerdings sind die Materialkosten hoch.⁴⁰ In Abbildung 9 ist die Außenansicht einer Drehstrommaschine dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Schematischer Aufbau einer Drehstrommaschine in Außenansicht

Quelle: REIF 2012, S. 94

2.4.3 Energiespeicher

Energiespeicher dienen der Speicherung von Energie zur späteren Nutzung. Grundsätzlich werden sie nach deren unterschieden. In Abbildung 9 wird eine Übersicht über die Formen von Energiespeicherung gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Klassifizierung der Energiespeicher nach Form der Speicherung

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an HOFMANN 2014, S. 210

Nicht all die angeführten Energiespeicher eignen sich für die Automobilbranche, da die Anforderungen hier vielschichtig sind: Abgesehen von Sicherheit, Lebensdauer, Betriebstemperatur und Kosten spielen die Leistungs- und Energiedichte⁴¹ die wesentlichste Rolle, da diese zwei Faktoren in direktem Zusammenhang mit den Reichweitenproblemen von elektrischen Fahrzeugen stehen. In Tabelle 2 ist ein Vergleich der praktischen und theoretischen Energiedichte von ausgewählten Batteriesystemen und flüssigen Kraftstoffen dargestellt. Auch unter Berücksichtigung des Volumens des jeweiligen Speichers werden die Unterschiede deutlich.⁴²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Theoretische und praktische Energiedichten ausgewählter Batteriesysteme im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an HOFMANN 2014, S.211

In herkömmlichen Fahrzeuge, die von einem Diesel- bzw. einem Otto- Verbrennungsmotor angetrieben werden, kommen Bleibatterien zum Einsatz. Diese besitzen aber für die Hybridtechnologie nicht genügend Leistungs- und Energiedichte, weshalb hier Nickel-Metall- und Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Die spezifischen Anforderungen variieren je nach Fahrzeugtyp. In der nachfolgenden Tabelle 3 sind die Anforderungen an Batteriesysteme aufgelistet.⁴³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Anforderung an Speichersysteme nach Fahrzeugtyp

Quelle: HOFMANN 2014, S.214

Die gängigen Kenngrößen zur Leistungsbeschreibung einer Batterie sind Kapazität, elektrische Energie, Leistung und Wirkungsgrad. Sie hängen von Temperatur, Entladespannung, Entladestrom und Aktivmaterialien ab. Mit der Kapazität [Ah] wird die Menge an elektrischer Ladung bezeichnet, die beim Entladen geliefert wird. Die Energie [Wh] ist das Produkt aus Kapazität und mittlerer Entladespannung. Spezifische Kenngrößen beziehen die Masse der Batterie mit ein und haben daher die Einheit [Wh/kg]. Mit der Energiedichte [Wh/l] wird das Volumen der Batterie berücksichtigt. Das Produkt aus Strom und Spannung wird Leistung [W] genannt. Der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis zwischen gespeicherten (Entladung) und freigesetzten (Ladung) Energie.

Durch das Gewicht der Batterie werden sowohl die Beschleunigung als auch der Verbrauch eines Fahrzeugs beeinflusst. Dieses beträgt bei Elektro- und Hybridfahrzeugen je nach Kapazität 240 kg. In Tabelle 4 ist das Gewicht ausgewählter Elektrofahrzeuge angeführt.⁴⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4: Anforderung an Speichersysteme nach Fahrzeugtyp

Quelle: BERJOZA und JURGENA 2017, S.2

[...]

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¹ Vgl. Wallentowitz und Freialdenhoven 2011, S. 3

² Vgl. Ebd.

³ Vgl. Wallentowitz und Freialdenhoven 2011, S. 3

⁴ Vgl. Ebd.

⁵.o.V. „Mobilität und Wachstum“ 2017, S. 6

⁶ Vgl. o.V. „Hybrid definition“ o.J.

⁷ Vgl. KÖPPEN 1993, S.219-236

⁸ Vgl. KÖPPEN 1993, S.219-236

⁹ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1233-1237

¹⁰ Vgl. Ebd.

¹¹ Vgl. o.V. „Toyota Sports 800 Gas turbine-Hybrid“ 2017

¹² Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1233-1237

¹³ Vgl. RADECKE und HALACZEC 1996, S.90-96

¹⁴ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1233-1237

¹⁵ Vgl. Ebd.

¹⁶ ZDK. (n.d.). Entwicklung der durchschnittlichen Neuwagenpreise in den Jahren 1995 bis 2017 in Deutschland (in Euro). In Statista - Das Statistik-Portal. Zugriff am 6. Dezember 2018, von https://de.statista.com/statistik/daten/studie/36408/umfrage/durchschnittliche-neuwagenpreise- in-deutschland/.

¹⁷ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1233-1237;PETER 2014, S.450ff

¹⁸ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1233-1237

¹⁹ Vgl. UNECE 2005, S. 6

²⁰ Vgl. SYNWOLDT 2008, S.22; BASSHUYSEN 2017, S.1238f.

²¹ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1238; JOACHIM 2016, S. 95

²² Vgl. HOFMANN 2014, S.105

²³ Vgl. HOFMANN 2014, S.289

²⁴ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1239; HOFMANN 2014, S.109

²⁵ Vgl. HOFMANN 2014, S. 289 und BASSHUYSEN 2017, S.1240

²⁶ Vgl. REIF 2011, S. 32 und REIF 2016, S.104 und HOFMANN 2014, S.117

²⁷ Vgl. HOFMANN 2014, S.118

²⁸ Vgl. HOFMANN 2014, S.105-109

²⁹ Vgl. HOFMANN 2014, S.105-109 und KEILHOFF 2016, S.15

³⁰ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.140

³¹ Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.1238

³² Vgl. HOFMANN 2014, S. 145

³³ Vgl. SCHREINER 2015, S.62

³⁴ Klopfneigung: Mit Klopfen beschreibt man die im Brennraum entstehenden Druckwellen die durch eine Selbstzündung des Gemisches entstehen. Vgl. BASSHUYSEN 2017, S.729

³⁵ DeNoX: Beschreibt den Prozess zu Verringerung von Stickstoffoxiden aus Rauchgasen. Vgl. DENOX. Zugriff am 22. Oktober, von http://www.enzyklo.de/Begriff/DENOX.

³⁶ Vgl. HOFMANN 2014, S.148 und REIF 2016, S.15

³⁷ Vgl. HOFMANN 2014, S.163

³⁸ Vgl. HOFMANN 2014, S.93f und BASSHUYSEN 2017, S.144ff

³⁹ Vgl. HOFMANN 2014, S.174f und DREHSTROMMASCHINE. Zugriff am 9. Januar 2018, von https://de.wikipedia.org/wiki/Drehstrommaschine.

⁴⁰ Vgl. HOFMANN 2014, S.175-177 und BASSHUYSEN 2017, S.1248

⁴¹ Energiedichte „In diesem Wert kommt der Volumenbedarf zum Ausdruck, der für die Unterbringung des Energiespeichersystems benötigt wird.“ HOFMANN 2014, S.213

⁴² Vgl. HOFMANN 2014, S. 209ff und BASSHUYSEN 2017, S.1253ff

⁴³ Vgl. BUSSHUYSEN 2017, S.1255

⁴⁴ BERJOZA und JURGENA 2017, S.2