Die Funktionsweise des Hybridantriebs

Zu den Elementen eines Hybridantriebes gehört ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor mit Hochleistungsbatterie sowie ein Getriebe, das die beiden Betriebsmodi und den Wechsel dazwischen regelt. Im Vergleich zum Verbrennungsmotor besitzt der Elektromotor ein hohes Drehmoment schon bei niedriger Drehzahl und kann das niedrige Drehmoment eines Verbrennungsmotors ergänzen. Das Anfahren kann der Elektromotor außerdem vollständig übernehmen. Während des Beschleunigungsvorgangs hingegen arbeiten beiden Motoren zusammen. Dadurch können die Hersteller den Verbrennungsmotor kleiner konzipieren. Der Elektroantrieb wandelt Bremsenergie in elektrische Energie um und trägt so zum Laden der Batterie bei (Rekuperation). Bei hohen Drehzahlen trägt zudem der Verbrennungsmotor zum Laden bei.

Fahrten im Stadtverkehr kann das Hybridfahrzeug in der Regel alleinig über den elektrischen Antrieb realisieren. Die Einsparung fossiler Brennstoffe kann demnach grundsätzlich am besten bei Langsamfahrten im Stadt- oder Nahverkehr stattfinden, wenn die Fahrt rein elektrisch stattfindet.
Bei hohen Geschwindigkeiten hingegen kommt der Verbrennungsmotor zum Einsatz. Der Kraftstoffverbrauch kann während der Beschleunigungsphase durchaus über den Verbrauch eines konventionellen Antriebs hinaus steigen, auch wenn der Elektroantrieb zusätzlich unterstützt.

Anforderungen an Elektromotoren

Zu den Anforderungen an Elektromotoren gehören vor allem eine hohe Leistung, verbunden mit einem geringen technischen Aufwand und niedrigen Kosten. Hybridfahrzeuge besitzen meist entweder einen Asynchronmotor oder einen Permanentmagnet-Synchronmotor.
Ein Asynchronmotor besitzt einen Stator und einen Rotor. Der Stator besteht aus drei Spulen oder einem Vielfachen davon. Auf die Spulen trifft Drehstrom, die dann ein magnetisches Drehfeld hervorrufen. Er kann demnach sowohl als klassischer Motor, aber auch als Generator genutzt werden. Permanent-Synchronmotoren ist eine Kombination aus einem Asynchronmotor und einem bürstenlosen Gleichstrommotor. 

Entscheidend bei der Umsetzung der Betriebsmodi ist das Modul, das für die Leistungsaddition (wenn beide Modi gleichzeitig betrieben werden) und die Leistungszufuhr an den Generator zuständig ist. Ein weiterer wichtiger Teil stellt außerdem die Elektronik dar, die diesen wichtigen Prozess steuert.
Ein Planetengetriebe stellt das normalerweise das dafür notwendige Modul zur Verfügung. Modulare Systeme eignen sich mit ihrem „Baukastenprinzip“ für solche komplexen Aufgaben am besten. Sie bieten auch deshalb Vorteile, weil sich Veränderungen in der Entwicklung in modularen Systemen einfacher umsetzen lassen.

Die unterschiedlichen Formen von Hybridantrieben und ihre Funktionsweise

Die Konzeption solcher Hybridantriebe kann sich bisweilen stark unterscheiden. Sie reicht von der simplen Startunterstützung des Verbrennungsmotors bis zum Einsatz beider Antriebsaggregate. Elektromotoren sind in der Lage, das maximale Drehmoment direkt vom Start zu erreichen. So ergänzen sie die anfängliche Schwäche des Verbrennungsmotors sinnvoll. Radantriebe ermöglichen eine Zu- und Abschaltung je nach Bedarf.

Der Hybridmotor existiert in zahlreichen Varianten. Mit dem Micro-Hybrid wird eine 5 – 10-prozentige Kraftstoffeinsparung erzielt. Hier wird der Verbrennungsmotor beim Anhalten abgeschaltet und durch den Elektromotor unterstützt. Der Mild-Hybrid kommt insbesondere bei der Beschleunigung zum Tragen. Fossiler Brennstoff kann zwischen 15 – 20 Prozent eingespart werden. Der Full-Hybrid kann einen ausschließlich elektrischen Betrieb ermöglichen, bei dem die Kraftstoffeinsparung bei über 20 Prozent liegt. Ihn gibt es in drei unterschiedlichen Bauarten: parallel, seriell oder leistungsverzweigt. Mittels eines Plug-Ins besteht außerdem die Möglichkeit, die Batterien extern über das Stromnetz aufzuladen.

Soll Kraftstoff eingespart und Emissionen maximal gemindert werden, bietet sich lediglich ein Full-Hybridmotor an. Hybridmotoren, die parallel oder leistungsverzweigt betrieben werden, besitzen eine ähnliche Leistungsfähigkeit. Die serielle Bauweise hingegen eignet sich vor allem bei einer vorhersehbaren Betriebsweise, ähnlich wie bei Stadtbussen oder Fahrzeugen im Stadt- und Nahverkehr.

Die Funktionsweisen im Einzelnen

Mikro-Hybrid

Als Mikro-Hybrid werden meist Autos mit Start-Stopp-System bezeichnet. Diese durchaus etablierte Technik deaktiviert den Motor beim Stopp an der Ampel. Der Startergenerator kann aber noch etwas mehr: er unterstützt den Verbrennungsmotor beim Anfahren oder Beschleunigen. Im Vergleich zum Voll-Hybrid findet dies zwar mit weniger Kraft statt, trägt aber dennoch dazu bei, den Kraftstoffverbrauch deutlich zu senken.

Mild-Hybrid

Während der Mikro-Hybrid mit nur einem Energieumwandler ausgestattet ist, sorgen beim Mild-Hybrid zwei solcher Wandler für den Antrieb. Der Verbrennungsmotor des Mild-Hybrid wird zusätzlich durch einen Elektromotor unterstützt, eignet sich aber nicht für den alleinigen Antrieb des Fahrzeugs.

Beim sogenannten Mild-Hybrid erzeugt ein Starter-Generator beim Bremsen und Rollen Energie. Eine Batterie speichert diese Energie und setzt sie beim Beschleunigen wieder ein. Der Elektromotor unterstützt damit den Verbrennungsmotor bei Bedarf. Beim Beschleunigen erhöht sich die Antriebsleistung insgesamt. Während einer Normal- oder Bergabfahrt lädt der Elektromotor in der Funktion eines Generators die Batterie wieder auf. Außerdem verfügt er über das Start-Stopp-System.

Voll-Hybrid

Toyota Prius Vollhybrid Bj.2001
Toyota Prius weltweit erste Auto mit Hybridantrieb in Großserie – Die ersten Modelle waren Vollhybriden | Foto © by Toyota

Der Voll-Hybrid besitzt ein ähnliches Antriebsprinzip wie der Mild-Hybrid. Allerdings ist der Elektromotor beim Voll-Hybrid auch für den alleinigen Antrieb zuständig und weist dabei eine höhere Leistung als beim Mild-Hybrid auf. Während der Fahrt wird automatisch der optimale Betriebsmodus ausgewählt. Bei geringer Geschwindigkeit oder beim Anfahren kommt der Elektromotor zum Einsatz und verwendet die Energie der Batterie zum Antrieb. Ist die Batterie nur gering geladen oder sind weitere Verbraucher aktiv, setzt der Verbrennungsmotor ein.

Während des normalen Fahrbetriebs verwendet der Voll-Hybrid beide Antriebe. Der Benzinmotor sorgt für die ausreichende Kraftzufuhr des Generators, dieser wiederum stellt dem Elektromotor den notwendigen Strom zur Verfügung. Der Benzinmotor treibt außerdem die Vorderräder an. Beim Voll-Hybrid wird die optimale Kraftverteilung zwischen Elektro- und Verbrennungsmotor stets überwacht, so dass der geringstmögliche Verbrauch erreicht wird.

Beschleunigt der Fahrer das Fahrzeug, unterstützt die Batterie Benzin- und Elektromotor zugleich. Bei Bergabfahrten ist der Elektromotor gleichzeitig Generator und lädt die Batterie auf. Im EV-Modus (Electric Vehicle Modus) wird das Fahrzeug ausschließlich vom Elektromotor angetrieben, der Verbrennungsmotor ist inaktiv.

Plug-In-Hybrid

MB A-Klasse Plug-in-Hybrid Technik
Komponenten der Mercedes-Benz A-Klasse Plug-In Hybrid | Foto © by Mercedes-Benz

Bei einem Plug-In-Hybrid kann die Batterie auch über eine externe Stromzufuhr aufgeladen werden. Im Gegensatz zu Voll-Hybriden besitzen Plug-In-Hybride einen starken Elektromotor und eine entsprechend leistungsstärkere Batterie. Sie ermöglicht den reinen Betrieb über den Elektromotor bis etwa 100 km/h über eine Distanz zwischen dreißig und sechzig Kilometern. Aus diesem Grund eignen sich Plug-In-Hybride besonders für den innerstädtischen Betrieb und damit für Berufspendler, die sich hauptsächlich innerhalb dieser Reichweite bewegen. Dennoch sind auch Langstrecken für sie in der Regel kein Problem, diese sollten aber eher die Ausnahme bilden.

Range Extender

Beim Range Extender handelt es sich um ein ähnliches Konzept wie dem Plug-In-Hybrid. Beide vereinen einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor in sich. Der Plug-In-Hybrid fährt zuerst elektrisch, bevor der Verbrennermotor schließlich übernimmt. Beim Range Extender verlängert sich die Dauer der elektrischen Fahrt. Neben der unterschiedlichen Größe der Batterie ist das Hybridsystem ebenfalls anders aufgebaut. Die Batterien von Range Extendern verfügen über eine größere Reichweite sowie einen seriellen Hybridantrieb. Die Leistung solcher Range Extender wird zudem hauptsächlich von der Stärke des Elektromotors bestimmt

Herausforderungen des Hybridantriebs

Die Energiespeicherung ist neben der Entsorgung der Batterien bis heute eine Herausforderung in der Entwicklung von Hybridmotoren. Insbesondere das hohe Gewicht der Batterie, ihre Energiedichte und die vergleichsweise hohen Investitionskosten gehören zu den Hauptproblemen. Die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers hat daher einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs.

Alltagstauglichkeit der Hybrid-Antriebe

Im Alltag sind die Fahrzeuge mit Hybrid-Antrieb ebenso sicher wie jene mit Verbrennungsantrieb. Die verbaute Technologie sorgt dafür, dass bei Unfällen alle elektrischen Verbraucher sofort deaktiviert werden und der Batteriekontakt unterbrochen wird. Außerdem gibt es die Möglichkeit der manuellen Deaktivierung der Batterie. Dabei wird der Wartungsstecker entfernt und so der Stromkreis unterbrochen. Allerdings ist die Hybridbatterie dabei in der Regel im Gepäckraum unter der Reserveradabdeckung verstaut und zusätzlich gesichert.

Tests mit Hybridfahrzeugen haben deren Alltagstauglichkeit nachgewiesen. Dabei fielen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen keine ungewöhnlichen Pannen oder Reparaturen an.

Quellen und Nachweise:

net4energy.com – Der Guide zu Hybridantriebe

elektroauto-news.net-Hybrid-Auto – Was sollte man wissen

umweltbundesamt.de- Zukunftsmarkt Hybride Antriebe

efahrer.chip.de – Hybrid-Autos: Unterschiedliche Varianten, Funktionsweisen & Kosten

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