DPMA - Erfinderaktivitäten 2006/2007

Hybridantriebssysteme im Kfz-Bereich - ein Überblick
Dr. Christian Aumüller, Abt. 1.51
Durch die in letzter Zeit sehr intensiv geführte Debatte über den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen
und die Einhaltung von CO2-Grenzwerten sind Hybridfahrzeuge in den Mittelpunkt dieser Diskussion
gerückt. In der Presse und Literatur findet man eine Vielzahl von Beiträgen über serielle oder parallele,
Mild-, Micro- oder Full-Hybridfahrzeugvarianten. Ein Anlass, einen kurzen Überblick über den Aufbau, die
Geschichte sowie die unterschiedlichen Betriebsmodi von Hybridantriebssystemen zu geben.
1. Einleitung
Die Vorsilbe „hybrid“ stammt aus dem Lateinischen und
bedeutet „gemischt“, „von zweierlei Herkunft“, „aus
Verschiedenem zusammengesetzt“ [1]. Internationale
Gremien haben den Begriff „Hybridfahrzeug“ festgelegt als
ein Fahrzeug, das mit mindestens zwei
Energieumwandlern und zwei Energiespeichersystemen
ausgerüstet ist, um das Fahrzeug anzutreiben. Ein
Hybridfahrzeug ist nach dieser Definition ein Fahrzeug, in
dem zwei unterschiedliche Antriebssysteme vorhanden
sind. In der Regel ist dies bei Kraftfahrzeugen die
Kombination aus einem Verbrennungsmotor, der mit
Benzin, Dieselkraftstoff oder mit Gas betrieben wird, und
einem Elektromotor mit einem Zwischenspeicher für
elektrische Energie, beispielsweise einer Batterie oder
Doppelschicht-Kondensatoren. Aber auch weitere
Antriebssysteme mit Schwungrad, Brennstoffzelle,
Hydraulikmotor, Nutzung der Abwärme eines
Verbrennungsmotors usw. sind denkbar. [2, 3, 4].
Durch die Kombination aus einem Verbrennungsmotor
und einem Elektromotor mit einem elektrischen
Zwischenspeicher ergibt sich nun die Möglichkeit, mittels
geeigneter Ansteuerung der Antriebsquellen durch ein
Steuergerät einerseits die Vorteile dieser beiden
Antriebssysteme zu nutzen und andererseits die Nachteile
des einen Antriebssystems durch den Einsatz des jeweils
anderen auszugleichen [2, 3].
Der ideale Einsatzbereich des Elektromotors liegt im
Bereich niedriger Geschwindigkeiten, wo er mit großem
Wirkungsgrad, lautlos und emissionsfrei ein hohes
Drehmoment ohne Getriebeübersetzung abgeben kann.
Nachteile eines Antriebs mit Elektromotor sind die hohen
Kosten und das Mehrgewicht sowie die vergleichsweise
geringe Energiedichte des elektrischen Energiespeichers,
die zu einer begrenzten Reichweite führt. Im antriebslosen
Schubbetrieb eines Fahrzeugs mit elektrischem
Antriebssystem jedoch kann die freiwerdende kinetische
Energie genutzt werden, indem der Elektromotor als
Generator angesteuert wird und somit der elektrische
Energiespeicher regenerativ wieder aufgeladen werden
kann. [2, 3].
Im Gegensatz dazu hat der Verbrennungsmotor im
niedrigen Lastbereich einen schlechten Wirkungsgrad mit
hohem Verbrauch. Insbesondere im Stadtverkehr kommt
es daher zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch bei
entsprechendem Emissions- und Schadstoffausstoß [2, 3].
Zudem benötigt ein Fahrzeug, das von einem
Verbrennungsmotor angetrieben wird zum Anfahren,
Beschleunigen und Rückwärtsfahren ein entsprechend
abgestimmtes Schaltgetriebe.
In der DE 10 2005 049 992 A1 werden die typischen
Arbeitsbereiche von Verbrennungsmotor und Elektromotor
in einem Drehzahl-Drehmoment-Diagramm beschrieben.
Sie unterscheiden sich nun dadurch, dass der
Verbrennungsmotor erst ab seiner Leerlaufdrehzahl ein
Drehmoment abgibt und sein maximales Drehmoment bei
einer Drehzahl erreicht, die kleiner ist als die maximale
Drehzahl des Verbrennungsmotors. Demgegenüber erzielt
der Elektromotor bereits bei einer Drehzahl von Null sein
maximales Drehmoment, das dann mit zunehmender
Drehzahl abfällt.
In den Figuren 1 und 2 sind nun die unterschiedlichen,
charakteristischen Drehmomentverläufe eines
Elektromotors und eines Verbrennungsmotors im
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