Fahrzeugtechnik Fit für 2020

Im Jahr 2009 verpflichtete sich die Europäische Union, die Treibhausgasemissionen bis 2020 um mindestens 20% gegenüber dem Stand von 1990 zu verringern. Da der Verkehr für einen Anteil von etwa 26% der CO2-Gesamtemission verantwortlich ist, lag es nahe, an dieser Stellschraube zu drehen. Die Umsetzung stellt die Fahrzeughersteller - wenn es nicht gerade um Kleinwagen geht - jedoch vor Probleme, so ergreift ein großer Zulieferer nun die Initiative.

Eines der Ziele der »EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen« ist der ab 2020 geltende Grenzwert von 95 g CO2/km für Neuwagen. Diesbezüglich ist man bei Bosch optimistisch, dass sich dieses Ziel technisch erreichen lässt. Schon heute erfüllen immerhin Kleinwagen mit aktueller Technik diese Vorgaben. Die fortschrittlichsten Diesel in diesem Segment emittieren heute 81 g CO2/km.
Der am weitesten entwickelte Benziner schafft 99 g CO2/km. Die Emissionsziele für 2020 sind bei Kleinwagen also greifbar nahe oder sogar schon Realität. Innermotorische Optimierung kann die Flottenwerte weiter senken.
Gerade in der Mittelklasse ist der Preis ein wichtiges Kriterium. Deshalb arbeitet Bosch in diesem Segment ebenfalls an noch saubereren und effizienteren Motoren, die trotzdem bezahlbar bleiben sollen. Dafür sind neue Komponenten nötig. Beispiele hierfür sind Systeme, die Bremsenergie effektiv zurückgewinnen können und eine leichte Elektrifizierung des Antriebsstrangs erlauben. Auch in der Mittelklasse ist deshalb der angestrebte EU-Wert für 2020 mit weiteren Anstrengungen erfüllbar: Moderne Diesel erreichen heute 105 g CO2/km, moderne Benzinmotoren 115 g CO2/km.

Ein Hybridantrieb muss nicht immer elektrisch sein. Eine interessante Variante ist der hydraulische Full-Hybridantrieb, den Bosch in Zusammenarbeit mit PSA Peugeot Citroën entwickelt hat (Bild 1).
Neben einem klassischen Verbrennungsmotor verfügt der Antriebsstrang über einen Druckspeicher und ein Reservoir. Die Hydraulikeinheiten komprimieren mittels Hydraulikflüssigkeit ein Gaspolster. Die Flüssigkeit und das Gas werden voneinander getrennt. Im Gaspolster kann Energie gespeichert werden, dabei wird das Gas zusammengedrückt. Dann steht das System unter einem Druck von über 300 bar. Wie viel Energie in dem Druckspeicher eingelagert werden kann, hängt von der Größe des Systems ab. Sobald sich der Speicher entlädt, funktioniert das System umgekehrt. Das Gas dehnt sich wieder aus und treibt über die Flüssigkeit einen hydraulischen Motor an, der die gespeicherte 
Energie über das Getriebe wieder an das Fahrzeug abgibt. Im Vergleich zu einem Lithium-Ionen-Akku eines Elektrofahrzeuges hat der Druckspeicher zwar eine geringere Kapazität und Reichweite. Allerdings lädt er sich deutlich schneller auf und kann die Zusatzenergie des Verbrennungsmotors effizienter nutzen.
Der Aufbau des Hydraulik-Hybrids ermöglicht darüber hinaus einen Boost-Effekt, wie er von elektrifizierten Antrieben bekannt ist. Diese kurzzeitige Zusatzbeschleunigung entsteht durch die Zusammenarbeit eines klassischen Verbrennungsmotors mit den Hydraulikelementen und einem dazugehörigen Druckspeicher mit Stickstoff. Das Hybridsystem kann Benzin- oder Dieselaggregate dort unterstützen, wo diese nicht so effizient arbeiten.
Das Powersplit-Konzept ermöglicht verschiedene Antriebsarten: Kurze Strecken lassen sich rein hydraulisch mit der gespeicherten Energie zurücklegen. In diesem Fall steht der Verbrennungsmotor still und das Fahrzeug fährt emissionsfrei. Bei längeren Strecken oder höherer Geschwindigkeit sorgt der Verbrennungsmotor für den Vortrieb. Allerdings lassen sich auch beide Antriebe kombinieren. Dann sorgen sowohl die gespeicherte Energie des Hydrauliksystems als auch der verbrannte Kraftstoff für das Vorankommen.
Das hybride System gewinnt darüber hinaus Energie, die normalerweise verloren gehen würde. So lädt sich der hydraulische Speicher beim Bremsen schnell auf. Die kinetische Energie, die sich beim Bremsvorgang abbaut, wird in hydraulische Energie umgewandelt und im Druckbehälter gespeichert. Normalerweise würde sie als Wärme in den Reibbelägen der Bremse verloren gehen. Die Vorteile des hybriden Antriebs zeigen sich auch bei konstanter Fahrt. Hier kann der Motor in einem effizienten Bereich betrieben und gleichzeitig der hydraulische Energiespeicher aufgeladen werden. Der große Vorteil: Das hydraulisch-mechanische System erfordert keine spezielle Infrastruktur.

Sparen für den Luxus

Für viele Autohersteller ist diese Entwicklung bei Kleinwagen und in der Mittelklasse günstig: Denn je sparsamer die volumenstarken Kompaktmodelle einer Fahrzeugflotte sind, desto eher lassen sich die Emissionen von SUVs (Sport Utility Vehicle) ausgleichen. In der Oberklasse genügt eine reine Optimierung des Verbrennungsmotors nicht mehr, um die CO2-Ziele zu erreichen. Fahrwiderstände und Gewicht weiter zu verringern sind ein zusätzlicher Hebel. Der Zulieferer Bosch entwickelt parallel dazu Plug-in-Hybridsysteme, die es ermöglichen, bis zu 60 km rein elektrisch zurückzulegen. Mit diesen Systemen lassen sich auch bei einem SUV geringere CO2-Emissionen realisieren. In der Konsequenz werden in dieser Fahrzeugklasse jedoch Zusatzkosten entstehen. Andererseits bietet der Plug-in-Hybrid neue Funktionen, die das Premiumsegment weiter aufwerten. Ein Auto mit diesem Antrieb fährt im elektrischen Betrieb fast geräuschlos, hat jedoch die Reichweite eines »Verbrenners«. Das Drehmoment des zusätzlichen Elektroantriebs bietet auch einen gewissen Fahrspaß durch den Boost-Effekt.
Neben der Elektrifizierung des Antriebsstranges sieht Bosch über alle Fahrzeugklassen hinweg auch Einsatzmöglichkeiten für sparsame Erdgasantriebe. Ein Potenzial zur CO2-Reduzierung bei niedrigen Zusatzkosten bieten Erdgassysteme bereits heute. Voraussetzung für eine weitere Marktdurchdringung von Erdgasfahrzeugen ist allerdings, dass die Infrastruktur ausgebaut wird.
Generell ist die Hybridtechnik eine Übergangstechnik auf dem Weg zum vollelektrisch betriebenen Automobil. Bosch konzentriert sich auf zwei Vollhybrid-Konzepte, die über kurze Distanzen das rein elektrische Fahren möglich machen: der Parallel-Voll- und der Axle-Split-Hybrid. Beide unterstützen mittels Boost-Funktion in bestimmten Fahrsituationen den Verbrenner. Dadurch lassen sich künftig Otto- oder Dieselmotoren kleiner auslegen. Vom heutigen Stand ausgehend lässt sich - ohne weitere motorische Maßnahmen - eine Verbrauchs- und CO2-Reduktion von 25 bis 30 Prozent realisieren. Beim Parallel-Vollhybrid ist die elektrische Maschine zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe in den Antriebsstrang integriert.

Der Axle-Split-Hybrid (Bild 2) hat einen Verbrennungsmotor auf der Vorderachse und einen Elektro-antrieb für die Hinterachse. Positiver Nebeneffekt dieser Auslegung ist der zusätzliche Allradantrieb. 
Das komplexe Zusammenspiel von Verbrennungsmotor, E-Maschine und Kupplung ermöglichen auch nützliche Zusatzfunktionen wie etwa »Segeln« oder »Boosten«. Beim Segeln geht der Verbrennungsmotor aus und das Fahrzeug rollt frei, ohne Kraftstoff zu verbrauchen. Alle Sicherheits- und Komfortsysteme funktionieren uneingeschränkt weiter. Bei der Boost-Funktion wird der Verbrennungsmotor bei hohem Leis-tungsbedarf - etwa beim Überholen - durch den Elektromotor kurzzeitig unterstützt. Seit 2010 liefert Bosch die Parallel-Voll-hybridtechnik für 
Porsches »Cayenne« und den »Touareg« von Volkswagen sowie 
zwischenzeitlich auch für den »Pana-mera« von Porsche.

Plug-in-Hybrid

Der Plug-in-Hybrid lässt sich dank entsprechendem Ladegerät auch an jeder Haushaltssteckdose aufladen und verfügt über eine Batterie mit größerer Kapazität. Dadurch erhöht sich die rein elektrisch zu fahrende Distanz des Hybridfahrzeugs deutlich. In städtischen Ballungsgebieten ist damit über Wochen hinweg ein umweltfreundliches, rein elektrisch und lokal emissionsfreies Fahren möglich. Gleichzeitig lassen sich mit einem Plug-in-Hybriden auch lange Dis-tanzen per Verbrennungsmotor zurückzulegen.
Technisch betrachtet ist der Schritt vom Hybrid zum Elektroauto zwar nicht sehr groß, doch auf der Kostenseite stehen noch große Herausforderungen an. Einen wesentlichen Aspekt bei Weiterentwicklung und Produktion von Komponenten für elektrische Antriebe stellt daher die Senkung der Systemkosten dar. Wachsende Stückzahlen bedeuten zudem sinkende Preise, sinkende Preise zunehmende Akzeptanz. Dies trifft auf alle Projekte im Bereich der Elektromobilität zu: vom eBike über den Hybrid und Plug-in-Hybrid bis hin zum Elektrofahrzeug. 
Ein Entwicklungsschwerpunkt ist das Batteriesystem und insbesondere das Batteriemanagement sowie die Abstimmung des Speichers mit dem Gesamtfahrzeug. Dazu gehört die gesamte mechanische und elektronische Integration. Das optimale Zusammenspiel aller elektrischen und elektronischen Komponenten des E-Autos und das situationsgerechte Management wesentlicher Batteriekenngrößen wie Temperatur oder Ladezustand sind die Basis für leistungsfähige Elektromobile. In diesen sind noch signifikante Verbesserungen möglich.