Der Hybridantrieb : Mit zwei Systemen unterwegs

26.7.2019

Ein Hybridantrieb ist die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder Energiequellen. Gebräuchlich sind Hybride mit Benzin- und Gasantrieb (Erdgas oder Autogas) sowie mit Benzin- oder Diesel- und Elektroantrieb. Zu Letzteren haben wir hier die wichtigsten Punkte zusammengefasst. 

Armaturenbrett vom Mitsubishi Outlander Hybrid

Technik und Umwelt

Der Grundgedanke bei Benzin-/Diesel-Elektro-Hybridfahrzeugen ist, die Vorteile des Elektro- und die des Verbrennungsmotors so miteinander zu kombinieren, dass das Gesamtsystem möglichst effizient und mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Überschüssige Leistung des Verbrennungsmotors wird in elektrische Energie umgewandelt und in einer Batterie gespeichert. Letztere wiederum speist bei Bedarf den Elektromotor. Dies ist energetisch sinnvoll, solange die Wirkungsgradverbesserungen die Verluste aus den Umwandlungen von mechanischer in elektrische Energie und deren Speicherung in einer Batterie übersteigen. Zusätzlich kann beim Bremsen frei werdende kinetische Energie in der Batterie gespeichert und für den Vortrieb genutzt werden. Lässt die Batterieleistung nach, arbeitet der Elektromotor automatisch als Generator und lädt die Batterie während der Fahrt wieder auf. Um die Vorteile der beiden Antriebe optimal auszunutzen und die Nachteile zu kompensieren, wird permanent automatisch der optimale Betriebsmodus ausgewählt. 

Vorteile: geringerer Kraftstoffverbrauch und bessere Beschleunigung

Um die gleichen Fahrleistungen zu erhalten wie bei einem nur mit Verbrennungsmotor ausgestatteten Fahrzeug, genügt bei der Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromotor meist ein kleinerer Verbrennungsmotor („Downsizing“). Letzterer wird zusätzlich so geregelt, dass er stets mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Überschüssige Energie verwendet der Generator zum Laden der Batterie. Beim Bremsen wird ebenfalls Energie zurückgewonnen und in die Batterie eingespeist. So sind Kraftstoffeinsparungen von ca. 15 bis 25 Prozent – je nach Auslegung des Systems – im Vergleich zu einem herkömmlichen Benzinfahrzeug gleicher Größenordnung möglich. 

Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor, der erst im oberen Drittel des Drehzahlbereichs sein maximales Drehmoment erreicht, beherrscht dies der Elektromotor bereits aus dem Stand heraus. Durch die Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor kann das Fahrzeug um etwa 10 bis 20 Prozent schneller beschleunigt werden.

Unterschiede zwischen Mild-Hybrid und Voll-Hybrid

Mild-Hybrid
Ein kombinierter Starter-Generator erzeugt einerseits beim Rollen und Bremsen Strom, der in einer Batterie gespeichert wird, und unterstützt andererseits als Elektromotor bei Bedarf den Verbrennungsmotor.

Beispiel: Honda Integrated Motor Assist System (IMA) 
Das Integrated Motor Assist System (IMA) von Honda speichert die Energie, die beim Bremsen oder Verzögern normalerweise verloren geht, um sie dann beim Beschleunigen wieder einzusetzen. Das IMA-System wählt dabei während der Fahrt automatisch immer die energiesparendste Antriebsvariante.

  • Beschleunigen/Überholen: Bei Beschleunigungs- bzw. Überholvorgängen unterstützt der Elektromotor den Benzinmotor und erhöht so die Gesamt-Antriebsleistung. 
  • Normalfahrt: Nach Erreichen der Reisegeschwindigkeit arbeitet der Benzinmotor allein, während der Elektromotor im Generatorbetrieb die Batterie bei Bedarf auflädt.  
  • Verzögern/Bergabfahrt: Beim Verzögern oder bei Bergabfahrt fungiert der Elektromotor als Generator und lädt die Batterie wieder auf.  
  • Fahrzeug-Stopp: Sobald das Fahrzeug anhält oder sich im Leerlauf befindet, wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und spart dadurch Benzin. Wird die Bremse gelöst oder die Kupplung betätigt, startet er sofort wieder.


Voll-Hybrid 
Gleiches Antriebsprinzip wie beim Mild-Hybrid. Zusätzlich ist auch das Fahren allein mit Elektromotor bis etwa 50 km/h möglich (z.B. Toyota Prius). Die Leistung des verwendeten Elektromotors ist dabei höher als beim Mild-Hybrid. 

Beispiel: Toyota Hybrid Synergy Drive Technologie (HSD) 
Die HSD-Technologie ist darauf ausgelegt, Leistung und Effizienz gleichzeitig zu optimieren. Sie nutzt die Synergie zwischen dem Elektro- und Benzinantrieb, indem während der Fahrt permanent automatisch der optimale Betriebsmodus ausgewählt wird. 

  • Anfahren: Beim Anfahren und bei geringer Geschwindigkeit nutzt der Elektromotor Energie aus der Batterie, um das Fahrzeug anzutreiben. Bei niedrigem Batteriestand setzt der Benzinmotor ein, um die Batterie zu laden; ebenso bei kaltem Katalysator sowie bei gleichzeitiger Verwendung zusätzlicher elektrischer Verbraucher (z. B. Klimaanlage, Heizung).
  • Normalfahrt: Im normalen Fahrbetrieb nutzt der Hybridantrieb sowohl den Elektro- als auch den Benzinmotor. Der Benzinmotor liefert Kraft für den Generator, der seinerseits den Elektromotor mit Strom versorgt. Gleichzeitig treibt der Benzinmotor über eine Kraftweiche die Vorderräder an. Das Verhältnis der Kraftverteilung wird permanent überwacht und stets so geregelt, dass ein maximaler Wirkungsgrad gewährleistet ist. 
  • Beschleunigen/Überholen: Für Beschleunigungs- bzw. Überholvorgänge, in denen Höchstleistung gefordert ist, speist die Batterie – sofern der Ladezustand ausreicht – zusätzlich Energie ins System ein, um Benzin- und Elektromotor wirkungsvoll zu unterstützen. 
  • Verzögern/Bergabfahrt: Beim Verzögern und beim Bergabfahren fungiert der Elektromotor als Generator und lädt die Batterie wieder auf. 
  • EV-Modus: Aktiviert der Fahrer den EV-Fahrmodus, so wird das Fahrzeug – sofern möglich (abhängig von bestimmten Parametern wie z. B. Geschwindigkeit, Ladezustand der Batterie, Katalysator-Temperatur) – ausschließlich von seinem Elektromotor angetrieben, der die erforderliche Energie aus der Batterie bezieht, und verbraucht keinen Kraftstoff. 
  • Fahrzeug-Stopp: Sobald das Fahrzeug anhält, wird der Benzinmotor gestoppt, der Kraftstoffverbrauch geht auf Null.

 

Plug-In-Hybrid und Range Extender

Lässt sich bei einem Hybridfahrzeug die Batterie zum Antrieb des Elektromotors auch über das Stromnetz aufladen, so spricht man vom Plug-In-Hybrid. Plug-In-Hybride haben einen deutlich stärkeren Elektromotor und eine größere Hochvoltbatterie als Voll-Hybride. Damit können sie bis über 100 km/h rein elektrisch fahren und elektrische Reichweiten je nach Batteriegröße und Effizienz zwischen 30 und 60 Kilometern realisieren und somit vorzugsweise in den Städten lokal emissionsfrei fahren. Auch Elektrofahrzeuge mit Range Extender zählen zu den Hybridfahrzeugen, da sie zum Antrieb zwei verschiedene Energiequellen nutzen. Der direkte Antrieb erfolgt zwar in der Regel nur über den Elektromotor, ist die über das Stromnetz geladene Batterie jedoch leer, so wird diese über einen Verbrennungsmotor geladen, um die Reichweite zu verlängern.

Plug-In-Hybride eignen sich besonders dann, wenn das Fahrzeug überwiegend für Fahrten innerhalb der elektrischen Reichweite verwendet wird und an den Start-/Zielorten wieder aufgeladen werden kann (z. B. für Berufspendler) und dennoch aber auch für Langstrecken und Urlaubsfahrten geeignet sein muss. Um insgesamt möglichst hohe elektrische Fahranteile im Alltag realisieren zu können, sollten Langstreckeneinsätze aber eher die Ausnahme sein. 

Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt

Seine Vorteile zeigt der Hybridantrieb vor allem bei Fahrten in der Stadt und im urbanen Umfeld mit häufigen Beschleunigungen und Verzögerungen, da hierbei anteilig mehr Energie zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann als auf Autobahnen. Dies spiegelt sich in geringeren Schadstoffemissionen und insbesondere in einem geringeren Kraftstoffverbrauch wieder.   

Sicherheit und Alltagstauglichkeit

Sicherheit

Dass Hybridfahrzeuge genauso sicher sind, wie Fahrzeuge mit konventionellen Antrieben, zeigen die Ergebnisse im EuroNCAP-Crashtest. Hier erzielten die Modelle Honda Insight, Mitsubishi Outlander PHEV, Opel Ampera, Toyota Prius und Volvo V60 D6 Hybrid in der Gesamtbewertung fünf Sterne. Bei den Tests des Honda Insight und Toyota Prius wurden jedoch Rechtslenkermodelle verwendet. Da der Einbau der Aggregate im Motorraum eine wichtige Rolle spielt, sind die Ergebnisse der Frontcrashs (Teil der Bewertung für den Insassenschutz) somit nicht uneingeschränkt auf die in Deutschland verkauften Modelle (Linkslenker) übertragbar. 

Beispiel Toyota Hybrid Synergy Drive Technologie (HSD): Toyotas Hybridsystem schaltet – basierend auf dem Airbag-Auslösesignal – alle elektrischen Systeme bei einem Unfall sofort ab und unterbricht den Batteriekontakt.

Kommt es bei leichteren Unfällen nicht zur Auslösung der Airbags, gibt es zwei Möglichkeiten zur manuellen Deaktivierung der Hybridbatterie: Durch Entfernung des Wartungssteckers oder des IGCT-Relais wird der Hochspannungsstromkreis ebenfalls unterbrochen. Es ist jedoch grundsätzlich zu beachten, dass nach der Deaktivierung der Hybridbatterie die Hochspannung (Toyota Prius: 500 Volt, Lexus RX450h: 650 Volt) noch etwa drei Minuten erhalten bleibt. Alle Hochspannungskabel sind orange markiert. Die Hybridbatterie selbst ist sicher im Gepäckraum hinter den Rücksitzen untergebracht und wird durch eine zusätzliche Stahlstruktur geschützt.

Alltagstauglichkeit

Ein ADAC Langzeittest mit einem Toyota Prius über 90.000 Kilometer hat gezeigt, dass sich die Hybridtechnik auch im Alltag bewährt. Der Prius lief absolut problemlos. Keine Pannen, keine Ausfälle, keine außerordentlichen Reparaturen – weder im konventionellen Bereich des Fahrzeuges noch bei der Hybridtechnik und der Batterie.     

Kontakt zur Redaktion: redaktion@adac.de 

Foto: Mitsubishi