Moderne Sensorik optimiert Hybrid- und Elektrofahrzeuge Für hohe Ströme

Die Hindernisse im verringerten Verbrauch von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die Lösungen dazu.
Die Hindernisse im verringerten Verbrauch von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die Lösungen dazu.

Strengere gesetzliche Vorschriften in der EU sollen dafür sorgen, dass der Schadstoffausstoß von Fahrzeugen verringert und die Abhängigkeit von den schwindenden Ölreserven reduziert wird. Hierfür wurden Hybrid- und Elektrofahrzeuge entwickelt, doch in der Breite konnten sie sich bisher nicht durchsetzen. Wo liegen Hindernisse und wie lassen sich diese bewältigen?

Es ist bereits möglich, Kohlendioxid-Emissionen durch eine bessere Luftzuführung und Wärmemanagement-Systeme zu verringern. Das bezüglich der CO2-Emissionen für 2015 gesetzte Ziel der Europäischen Union von 130 g/km wurde bereits im Jahr 2013 erfüllt (Bild 1). Damit lassen sich kleinere Motoren in die Fahrzeuge verbauen. Der nächste große Schritt ist die weitere Reduzierung des CO2-Ausstoßes durch die verstärkte Einführung von Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen (HEVs). Die Last auf den Motor wird damit durch On-Demand-Systeme verringert, was den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert.

Die Elektrifizierung des Autos ist ein andauernder Trend, der nicht aufzuhalten ist und die Grundlage vieler moderner Fahrzeuge bildet. Der Austausch hydraulischer Lenkungen durch elektrische Servolenkungen ist nur ein Beispiel, das den CO2-Ausstoß erheblich verringert hat – nämlich bis zu 5 Prozent bei einigen Modellen. Durch eine steigende Zahl von Hybrid- und Elektrofahrzeugen sind hier weitere Verbesserungen möglich. Obwohl zu Beginn dieses Jahrzehnts einige Automobilhersteller noch Zweifel hatten, ist die weltweite Akzeptanz von HEVs mittlerweile groß. Die Bedeutung dieses Segments innerhalb des Automobilmarkts wächst kontinuierlich.

Die Analysten von Freedonia gehen davon aus, dass sich der weltweite Absatz von HEVs bis zum Jahr 2018 mehr als verdoppeln wird. Derzeit führt Japan bei den HEV-Neuzulassungen, die einen Anteil von 20 Prozent aller jährlichen Autoverkäufe ausmachen. Es folgen Nordamerika und Europa mit einem wesentlich geringeren Anteil. Bild 2 beschreibt die verschiedenen Arten derzeitig auf dem Markt verfügbarer HEVs. Dazu zählen:

  • Mikrohybrid,
  • Mildhybrid,
  • Vollhybrid,
  • Plug-in-Hybrid und
  • Elektrofahrzeuge.

Zu beachten ist, dass ein Hybridfahrzeug grundsätzlich durch zwei unterschiedliche für den Fahrzeugantrieb zum Einsatz kommende Energiewandler gekennzeichnet ist. Das ist beim Mikrohybrid allerdings nicht der Fall. Mikrohybride bieten lediglich eine Verstärkung des Anlassers und Bremsenergierückgewinnung. Sie verfügen aber nicht über einen elektrischen Antriebsstrang.

Energieeffizienz erhöhen

Fahrzeughersteller untersuchen verschiedene Möglichkeiten, um Motoren zu verkleinern und die geforderten Emissionsverringerungen zu erzielen. Turbolader sind seit Langem dafür bekannt, den Wirkungsgrad herkömmlicher Verbrennungsmotoren zu verbessern, weil sie für eine spezielle Luftzufuhr sorgen, die zu geringeren CO2/kWh-Werten führt. Dabei werden heiße Abgase unter hohem Druck zum Antrieb des sekundären, kalten Turbolader-Kreislaufs verwendet, der den Lufteinlass für den nächsten Verbrennungszyklus komprimiert. In Abgasrückführungssystemen kann eine Kombination aus Abgasen ebenfalls in den sekundärseitigen Lufteinlass gespeist werden, um den strengen Emissionsstandards zu entsprechen. Das trifft vor allem für Stickoxide (NOx) zu, Problemkind Nummer 2 bei der Luftverbesserung.

Ein Nachteil der Turbolader ist deren langsame Reaktion. Sie kommen erst ab einer bestimmten Drehzahl zur Wirkung. Selbst Optimierungen wie Turbolader mit variabler Geometrie, die das optimale Seitenverhältnis als Funktion der Drehzahl beibehalten, können die Verzögerung nicht verhindern. Es wäre besser, wenn dieser Effekt nicht auftritt und der Turbolader bei jeder Drehzahl kontinuierlich arbeitet. Eine Lösung dafür bietet ein elektrischer Kompressor. Dabei wird die Kompression des Lufteinlasses nicht über den hohen Abgasdruck erreicht, sondern durch einen Elektromotor, der sozusagen auf Abruf bereitsteht und die zuvor beschriebenen Verzögerungen verhindert.

Mittlerweile hat sich auch die Start-/Stopp-Automatik in fast allen Fahrzeugen durchgesetzt. Diese Technik allein wird jedoch nicht ausreichend sein, die für das Jahr 2020 gesetzten Ziele zu erreichen. Die Hybridisierung/Elektrifizierung muss stärker vorangetrieben werden.

Eigenschaften von Vollhybriden

Vollhybride verfügen in der Regel über einen 40- bis 70-kW-Elektromotor, der zusammen mit dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs arbeitet. Die bekannten Vollhy­brid-Fahrzeuge können den CO2-Ausstoß im Vergleich zu Modellen, die nur mit Verbrennungsmotor ausgestattet sind, um bis zu 35 Prozent senken. Der Elektromotor ist in den meisten Fällen auch dann in Betrieb, wenn der Verbrennungsmotor läuft oder er läuft zumindest mit einer bestimmten Drehzahl. Dabei ist eine große, sperrige und teure Batterie erforderlich, um die hohe Spannung bereitzustellen, die für die Hochleistungs-Elektromotoren und den rein elektrischen Antrieb erforderlich ist. Für Plug-in-Hybride ist eine zusätzliche Ladeelektronik an Bord erforderlich, um die Batterie für eine höhere Laufleistung aufzuladen.