Hybrid-Antrieb: Eine Frage der Spannung

14. August 2015, 14:09
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Ein Hybridantrieb beginnt nicht erst bei 400 Volt. Wesentlich preisgünstigere Lösungen lassen sich auch schon mit 48 Volt verwirklichen. Bei einer Tagung des Antriebs- und Messgerätentwicklers AVL in Graz wurde der wahre Strombedarf für unterschiedliche Arten der Elektrifizierung des Antriebs diskutiert.

Spätestens seit Einzug der Hybridtechnik in den Automobilbau gewinnt der elektrische Strom an Bord zunehmend an Bedeutung. Aber auch immer mehr Nebenaggregate, die statt direkt von der Kurbelwelle elektrisch angetrieben werden wollen, fördern diesen Trend, weil das effizienter ist. Aber es begann schon früher.

Anfang der 1990er-Jahre versuchten die europäischen Autohersteller bereits, sich über die Einführung eines 42-Volt-Bordnetzes zu einigen. Die Anforderungen an die Stromversorgung stiegen durch immer neue Komforteinrichtungen und die zunehmende Bedeutung der Elektronik steil an. Doch man konnte sich nicht einigen und beschloss stattdessen, einfach dickere Kabel zu verwenden.

Zwischen 12 und 800 Volt

Die Elektrifizierung des Automobils schreitet nun munter weiter voran, und die im Wortsinn spannende Frage wird neu diskutiert. Aus diesem Anlass hat der weltweit agierende Antriebs- und Messgeräteentwickler AVL in Graz seine jährliche stattfindende Tagung "Motor und Umwelt" unter das Motto "Motor und Getriebe im Globalen Spannungsfeld 12-48-96-400-800 Volt" gestellt.

An dieser Stelle sei gleich an den grundsätzlichen Zielkonflikt in Sachen Strom hingewiesen, um den sich alles dreht: Leistung (Watt) ist Spannung (Volt) mal Stromstärke (Ampere). Je stärker der Strom, umso dicker müssen die Kabel sein, damit sie nicht heiß werden oder verschmoren. Das heißt, wenn die Spannung in die Höhe geht, geht bei gleicher Leistung die Stromstärke nach unten. Die Kabel können dünner gemacht werden.

Gefahrenpotenzial

Mit der Spannung steigt im Wesentlichen aber auch das Gefahrenpotenzial für die menschliche Gesundheit, das vom Strom ausgeht. Hohe Spannungen erfordern umfangreiche Maßnahmen für die Sicherheit einer elektrischen Anlage. Beliebiges Erhöhen der Spannung geht deshalb nicht. Darum ist die Fragestellung nach der jeweils passenden Spannung ganz essenziell.

Klar ist, dass ohne weitere Hybridisierung der Antriebe die Flottenverbrauchsziele und Abgaslimits künftig nicht mehr zu schaffen sind. Ein aufwendiger Vollhybrid, wie ihn Toyota anbietet, ist aber für untere Fahrzeugklassen und viele Märkte zu teuer. Zudem kann man mit deutlich weniger Aufwand auch schon sehr viel erreichen.

So spitzt sich die Diskussion nun tatsächlich auf ein zusätzliches 48-Volt-Bordnetz zu. Das herkömmliche 12-Volt-Netz muss bleiben, da viele klassische Funktionen auf dieser Basis funktionieren und es keinen Sinn ergeben würde, das umzustellen. Denken wir dabei etwa an die Beleuchtung der Fahrzeuge.

Einerseits kann eine leistungsstarke Elektromaschine, die abwechselnd auch als Starter und Generator fungiert, den Motor im unteren Drehzahlbereich unterstützen (boosten), in anderen Fahrsituationen kann damit Strom erzeugt werden, mit dem auch noch ein elektrischer Turbolader betrieben werden kann. Auch die Effizienz einer wirkungsvollen Rekuperation, also die Energierückgewinnung im Auslaufen und beim Bremsen, hängt von der Leistungsfähigkeit des Generators ab.

Zusätzliches Bordnetz

Die Kernfunktion fürs Kraftstoffsparen: Durch elektrisches Boosten, und durch den elektrischen Turbolader kann der Motor die überwiegende Zeit in einem hocheffizienten und abgasarmen Bewegungszustand gehalten werden. Das bedeutet: weniger CO2, weniger Aufwand für Abgasreinigung. Die zusätzlich notwendige Batterie für das 48-Volt-Netz ist relativ klein und damit kostengünstig und leicht unterzubringen. In Lithium-Ionen-Technologie ist sie etwa so groß wie die herkömmliche Bleibatterie eines alten Diesel-Mercedes.

Natürlich sind in vielen Fällen auch höhere Spannungen erwünscht oder erforderlich. Es gibt aber Schwellenwerte, die ganz bedeutend den Aufwand beeinflussen. Nach europäischen Standards existieren unter 60 Volt keine besonderen Sicherheitsvorschriften, die über das hinausgehen, was bei Autos ohnehin seit Jahrzehnten üblich ist. Das hält den Aufwand in Grenzen. Andersrum werden Autos in den USA unter 96 Volt Bordnetzspannung nicht als Hybridautos anerkannt. Erhöhte Sicherheitsanforderungen sind dann auf alle Fälle zu beachten, wenn es auf 200, 400 oder gar 800 Volt hinaufgeht. Vollhybride begannen mit 200 Volt, liegen derzeit bei 400 und darüber. Dabei liegen die Grenzen für den sicherheitstechnischen Aufwand von der Gesetzgebung her global auf unterschiedlichen Niveaus, irgendwo zwischen 800 und 1000 Volt.

Bei Premium- und Sportwagenherstellern lässt man sich von Vorschriften aber nicht bremsen, in diesen Segmenten ist Geld genug vorhanden. Wenn man Leistung braucht, wird auch der dazu notwendige Aufwand betrieben. Für Porsches Rennsporteinsätze, etwa in Le Mans, sind 800 Volt und mehr kein Problem. (Rudolf Skarics, 14.08.2015)

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AVL

Hinweis im Sinne der redaktionellen Leitlinien: Die Teilnahme an internationalen Fahrzeug- und Technikpräsentationen erfolgt großteils auf Basis von Einladungen seitens der Automobilimporteure oder Hersteller. Diese stellen auch die hier zur Besprechung kommenden Testfahrzeuge zur Verfügung.

  • Der Porsche 919 Hybrid holte sich den Sieg in Le Mans. Er hat über 1000 PS Systemleistung, 800 Volt und zwei Energierückgewinnungssysteme: beim Bremsen und vom Abgas. Für Renneinsätze eines Premiumherstellers wie Porsche ist so eine Umsetzung kein Problem, Massenhersteller hadern mit dem hohen sicherheitstechnischen Aufwand.
    foto: porsche

    Der Porsche 919 Hybrid holte sich den Sieg in Le Mans. Er hat über 1000 PS Systemleistung, 800 Volt und zwei Energierückgewinnungssysteme: beim Bremsen und vom Abgas. Für Renneinsätze eines Premiumherstellers wie Porsche ist so eine Umsetzung kein Problem, Massenhersteller hadern mit dem hohen sicherheitstechnischen Aufwand.

  • Die AVL Graz hat gemeinsam mit Hyundai Europa ein 48-Volt-Hybridsystem entwickelt. Besondere Merkmale in Grün: elektrischer Turbolader (rechts), riemengetriebener Starter-Generator (links).
    foto: avl

    Die AVL Graz hat gemeinsam mit Hyundai Europa ein 48-Volt-Hybridsystem entwickelt. Besondere Merkmale in Grün: elektrischer Turbolader (rechts), riemengetriebener Starter-Generator (links).

  • Helmut List: Die AVL geht auf ihren Gründer, den Dieselmotorenexperten Hans List zurück, der als einer der bedeutendsten Väter heutiger Berechnungs- und Versuchsmethoden im Fahrzeugbau gilt, woraus sich auch eine intensive Beschäftigung mit Prüfständen und Messgeräten ergab. Sein Sohn Helmut List (Bild) baute das Unternehmen zu einem weltweit agierenden Automobilzulieferer auf dem Gebiet der Entwicklung von Messeinrichtungen, Prüfständen und Fahrzeugantrieben aus.
    foto: avl

    Helmut List: Die AVL geht auf ihren Gründer, den Dieselmotorenexperten Hans List zurück, der als einer der bedeutendsten Väter heutiger Berechnungs- und Versuchsmethoden im Fahrzeugbau gilt, woraus sich auch eine intensive Beschäftigung mit Prüfständen und Messgeräten ergab. Sein Sohn Helmut List (Bild) baute das Unternehmen zu einem weltweit agierenden Automobilzulieferer auf dem Gebiet der Entwicklung von Messeinrichtungen, Prüfständen und Fahrzeugantrieben aus.

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