Sanfte Hybride: Sauber und sparsam

18. Oktober 2016, 12:06
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Kleine Spannung, große Wirkung: Es müssen nicht gleich ein paar Hundert Volt sein, wenn es darum geht, ein Auto umweltfreundlicher zu machen. 48 Volt genügen, um ein hohes Einsparungspotenzial durch Hybridisierung zu erschließen.

Wien – Schon zur Jahrtausendwende sprachen die Autohersteller auffällig oft von der Notwendigkeit einer höheren Bordspannung. Die Rede war von 42 Volt. Vor allem die vielen neuen Komforteinrichtungen versetzten das Bordnetz oft in Stress. Letztlich kam man aber ohne höhere Spannung durch.

Jetzt folgt ein neuer Anlauf. Diesmal lautet das Thema 48 Volt, und den Hintergrund dafür bilden nicht mehr primär Komforteinrichtungen und Spielereien, sondern es geht um den enormen Druck in Richtung Senkung des CO2-Ausstoßes und Einhaltung immer schärferer Abgaslimits.

Hybridfunktion

Kern der Überlegungen: Es sind nicht unbedingt mehrere Hundert Volt notwendig, um in einem Auto Hybridfunktionen darzustellen. Mit einem zusätzlichen 48-Volt-Netz lässt sich bereits eine breite Palette an Maßnahmen verwirklichen, von einer hocheffizienten Start-Stopp-Automatik bis hin zu einem Funktionsumfang nahe einem vollwertigen Vollhybrid.

Der Vorteil dabei: Durch Entfall einer Hochvolt-Ebene (die beginnt erst bei mehr als 60 Volt) bleibt das ein ganz normales Auto ohne besondere elektrotechnische Sicherheitsvorkehrungen bei der Herstellung und in der Werkstätte und mit deutlich preisgünstigeren Komponenten und Bauteilen.

Kraftstoffeinsparungen

Kern der Sache ist, dass durch diese Art der Hybridisierung Kraftstoffeinsparungen möglich sind, die nahe an vollwertige Hochspannungshybriden heranreichen, aber doch zu einem günstigeren Preis. Continental spricht hier von 13 Prozent bei einem einfacheren System, das mit vergleichsweise geringem Aufwand in den vorhandenen Riementrieb eingesetzt wird – und bis zu 20 Prozent bei einem 48-Volt-Motor, der räumlich und funktional in das Getriebe integriert ist.

Ein wichtiger Punkt ist, dass bereits mit einer Spannung von 48 Volt Leistungen bis etwa 15 Kilowatt umgesetzt werden können, das betrifft sowohl die elektrische Unterstützung des Verbrennungsmotors als auch das Rekuperieren, also die Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim sanften Bremsen und Bergabfahren.

Die einfachste Basis einer 48-Volt-Architektur stellt eine Elektromaschine dar, die anstatt des herkömmlichen Generators mit wenigen Modifikationen in den bestehenden Riementrieb integriert ist und auch gleich die Funktion des Starters übernimmt. Für die Übertragung der auf zehn bis 15 kW beschränkten Leistung des 48-Volt-Systems reicht auch meist ein Keilrippenriemen aus.

Rückspeisung

Durch die etwa fünffache Leistung eines 48-Volt-Starter-Generators gegenüber einer herkömmlichen Zwölf-Volt-Lichtmaschine (maximal drei kW) können erst wirklich nennenswerte Mengen an Strom ins Bordnetz zurückgespeist werden (wenngleich der mitlaufende und damit mitbremsende Verbrennungsmotor diesen Erfolg zum Teil wieder zunichtemacht). Ein weiterer positiver Effekt ist, dass mit fünf kW (Dauerleistung) bis 15 kW (Spitzenleistung) der Verbrennungsmotor beim Beschleunigen durchaus nennenswert unterstützt wird und im Teillastbereich in einen sparsameren abgasärmeren Kennfeldbereich gedrückt werden kann.

Interessanterweise lässt sich das Thema 48-Volt-Netz bis hin zu einer hochkomplexen Hybridarchitektur steigern, mit der Möglichkeit, den Verbrennungsmotor abzukoppeln. Dann ist wie bei einem Vollhybrid auch rein elektrisches Fahren möglich. Auch die Rekuperation erfolgt bei abgekoppeltem Verbrennungsmotor effizienter. Allerdings ist das rein elektrische Fahren durch die limitierte Leistung der 48-Volt-Elektromaschine nur auf kurzen Distanzen bei geringen Geschwindigkeiten möglich und sinnvoll.

Kombination mit Automatikgetriebe

Für eine komplexe Funktionsweise des elektrischen Zusatzantriebs genügt es allerdings nicht, den 48-Volt-Starter-Generator einfach in den vorhandenen Riementrieb zu integrieren. Dann ist schon eine direkte Verbindung zur Kurbelwelle mit Trennkupplung notwendig. Die Elektromaschine kann dabei koaxial oder achsparallel angeordnet sein.

Es ist vor allem eine Frage des vorhandenen Bauraumes, des Antriebskonzepts (Front/Heck) und der Art des Elektromotors, wofür man sich entscheidet. Je diffiziler die Hybridisierung ausfällt, umso eher wird sie auch mit einem Automatikgetriebe kombiniert sein. Bei einer derart komplexen 48-Volt-Architektur erscheint auch die Verarbeitung von Navigationsdaten zur weiteren Verbrauchsabsenkung zielführend.

Kraftstoffersparnis also bis zwanzig Prozent bei überschaubarem Aufwand. Das betrifft auch den Energiespeicher. Wesentlich geringere Leistungsumsätze des Systems gegenüber einem Hochvolt-Hybriden bedeuten auch, dass der Energie-Inhalt der Batterie, üblicherweise in Lithium-Ionen-Bauweise ausgeführt, kleingehalten werden kann. (Rudolf Skarics, 18.10.2016)

  • Sinnvoll ist die vorausschauende Verwendung von Navigationsdaten zur Steuerung eines 48-Volt-Hybriden.
    foto: werk

    Sinnvoll ist die vorausschauende Verwendung von Navigationsdaten zur Steuerung eines 48-Volt-Hybriden.

  • Die günstigere Möglichkeit ist die Integration in den Riementrieb, der Starter-Generator ersetzt dabei auch die Lichtmaschine (blau).
    foto: werk

    Die günstigere Möglichkeit ist die Integration in den Riementrieb, der Starter-Generator ersetzt dabei auch die Lichtmaschine (blau).

  • Teurer – aber mit noch mehr Spareffekt – ist die axiale Integration in den Antrieb.
    foto: werk

    Teurer – aber mit noch mehr Spareffekt – ist die axiale Integration in den Antrieb.

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