Skalierbare Antriebssysteme

Zwar sind Hybridautos noch nicht voll im Fokus der deutschen Autohersteller, doch auch sie steigen nun in diesen Markt ein. So sind bereits mehrere Serienprojekte in Zusammenarbeit mit Zulieferern angelaufen. Ein Beispiel dafür ist Continental Automotive Systems, die der Automobilindustrie modulare Komponenten für Hybridantriebssysteme sowie ein flexibles Baukastensystem für die Leistungselektronik und langjähriges Integrations-Know-how zur Verfügung stellt.

Zwar sind Hybridautos noch nicht voll im Fokus der deutschen Autohersteller, doch auch sie steigen nun in diesen Markt ein. So sind bereits mehrere Serienprojekte in Zusammenarbeit mit Zulieferern angelaufen. Ein Beispiel dafür ist Continental Automotive Systems, die der Automobilindustrie modulare Komponenten für Hybridantriebssysteme sowie ein flexibles Baukastensystem für die Leistungselektronik und langjähriges Integrations-Know-how zur Verfügung stellt.

Der Hybridantrieb ist eine umweltfreundliche Technologie, und es ist das Ziel der Zulieferer, diese möglichst schnell und zu attraktiven Kosten in den Markt zu bringen. Schließlich sind über 25 Prozent weniger Verbrauch und Abgase mit zukunftsweisenden Hybridantrieben möglich. Die Einsparung an Kraftstoff kann sogar – abhängig von der Fahrsituation – bis zu 40 Prozent betragen, betonte Dr.- Ing. Karl-Thomas Neumann, verantwortlicher Continental-Vorstand der Automotive Systems, anlässlich einer Presseveranstaltung. Schon ein Start-Stopp-System kann den Benzinverbrauch um rund 8 Prozent reduzieren. Ein Mildhybrid, basierend auf einem Elektromotor von 10 bis 15 kW, schafft etwa 15 Prozent Ersparnis und liefert ein spürbares Zusatz- Drehmoment beim Beschleunigen, gleichzeitig wird die Bremsenergie zum Laden des Energiespeichers genutzt. Der Vollhybridantrieb ist in der Regel mit einem zusätzlichen Elektromotor von 20 bis 70 kW ausgestattet, der bis in die oberen Drehzahlbereiche zugeschaltet wird. Ein Hochvolt- Batteriesystem (Li-Ion oder NiMH) ermöglicht das zeitlich begrenzte Fahren ohne Verbrennungsmotor, weshalb die Benzineinsparung bis zu 25 Prozent oder mehr reicht. Ein weiteres Kennzeichen sind unterschiedliche Drehmomentverläufe. Während z.B. ein Verbrennungsmotor bei einer Drehzahl von 1500 U/min ein Drehmoment von etwa 125 Nm erreicht, liegt der entsprechende Wert für den Mildhybrid bei 180 Nm und für den Vollhybrid bei ca. 270 Nm. Das modulare Baukasten-Konzept von Conti Automotive umfasst den Energiespeicher (Hochleistungsbatterie), einen Spannungswandler zur Versorgung des 14-V-Bordnetzes, einen Elektromotor, die Leistungselektronik sowie alle elektromechanischen Umfänge für unterschiedliche Leistungsklassen. Aus den Einzelkomponenten lassen sich skalierbare Hybridsysteme mit elektrischen Zusatzleistungen zwischen 6 und mehr als 150 kW bilden, die unterschiedliche Anforderungsprofile abdecken. Die modularen Komponenten eignen sich auch für Elektroantriebe in „Plug in“-Hybrid-Anwendungen, reine Elektro- sowie Brennstoffzellenfahrzeuge der weiteren Zukunft. Mit deren Systemarchitekturen harmonieren auch die Bremssysteme inklusive der „Simulator Brake Actuation“ (By-Wire-Bremspedal).

Das Unternehmen hat von General Motors einen Auftrag zur gemeinsamen Entwicklung und Fertigung eines Prototypen für ein Energiespeichersystem erhalten, das in dem Antriebssystem „E-Flex“ für den Chevrolet von GM eingesetzt werden soll. Damit soll der Zeitraum bis zur Markteinführung entsprechender Serienbatterien auf Lithium- Ion-Technologie verkürzt werden. Schon 2003 leisteten Continental und GM mit dem ersten serienmäßigen Hybridantrieb für Lastwagen bei den Hybrid- Modellen Chevrolet Silverado und GMC Sierra Pionierarbeit.

Dank dieser Eigenschaft verbraucht ein Parallelhybrid noch weniger – bei gleichzeitig mehr Fahrdynamik und Fahrspaß. Denn wie beim Beschleunigen hat das Doppelschaltgetriebe auch Vorteile im Schubbetrieb und beim Bremsen. Der Hybrid- „Drive Controller“ stellt je nach Ladezustand des Energiespeichers eine Balance zwischen dem Schleppmoment der elektrischen Maschine und der Verzögerungswirkung der Radbremsen her. Ganz gleich, ob der Fahrer manuell zurückschaltet oder dies der elektronischen Getriebesteuerung überlässt: Der Kraftschluss zwischen den Antriebsrädern und der elektrischen Maschine wird nicht unterbrochen. So kann der Hybrid-„Drive Controller“ den vom Elektromotor aufgebrachten Bremskraftanteil so bemessen, dass der Energiespeicher optimal geladen wird. In Summe ergeben sich durch die unterbrechungsfreie Rekuperation und Boost-Unterstützung weitere Verbrauchsvorteile für Mildhybridantriebe. „Mit dieser Kombination können wir der umweltfreundlichen Hybridtechnologie neue Impulse geben“, sagt Dr. Karl-Thomas Neumann. „Und sie zeigt ebenso wie unser Baukastensystem der Leistungselektronik, dass wir nicht nur einzelne Komponenten liefern können, sondern die Kompetenz für den gesamten Hybridantriebsstrang inklusive der wichtigen Bremse und deren By Wire-Betätigung besitzen“.

Die von Continental Automotive Systems entwickelte elektrisch-hydraulische Combi-Bremse (EHC) stellt ein innovatives Bremssystem dar und ist ein idealer Partner für den Hybridantrieb. Denn sie kombiniert hydraulische Vorderachs-Radbremsen mit rein elektrischen Radbremsen an der Hinterachse. Dadurch verbessert sich die Rekuperation. Das Bremsen eines Hybridfahrzeugs ist mit einer Vielzahl von Rechen- und Regelungsprozessen verbunden. Denn gerade in dieser Phase schöpft der Hybridantrieb Kraft für kommende Anfahr- oder Beschleunigungsvorgänge. Die elektrische Maschine wirkt in diesen Bremsphasen als Generator, um die Batterien zu laden (Rekuperation). Bei dieser Energierückgewinnung während des Bremsvorgangs in Hybridfahrzeugen arbeitet die Combi- Bremse besonders effektiv und komfortabel. Denn durch die schnelle elektrische Ansteuerung der Hinterradbremsen lässt sich die Bremskraft zwischen den Achsen so dynamisch variieren wie die zwischen Bremse und elektrischer Maschine.

Der Hybrid-„Drive Controller“ ist mit den Steuergeräten des Verbrennungsmotors, des Getriebes samt Kupplung, des elektronischen Bremssystems, der By-Wire-Bremsbetätigung, des Elektromotors und des Energiespeichers vernetzt. Als Wechselrichter steuert er den Energiefluss zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine, die bei einem Parallelhybriden zum Beispiel zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe sitzt. Eine zusätzliche Kupplung ermöglicht beim Vollhybriden das Abtrennen des Verbrennungsmotors für das rein elektrische Fahren und für die Rekuperation, das regenerative Bremsen. Beim Beschleunigen ist diese Kupplung geschlossen, denn nun unterstützt der Elektromotor den Verbrennungsmotor mit zusätzlichem Drehmoment (Boost). Das kann schon im unteren Drehzahlbereich über 400 Nm betragen. Zentrale Bedeutung im Hybridantriebssystem hat die Leistungselektronik. Abhängig von der Stromstärke und der Spannungslage, ist die Leistungselektronik die maßgebliche Größe für den Gesamtwirkungsgrad des Hybridantriebs, denn sie sorgt dafür, dass in Schubphasen möglichst viel kinetische Energie zurückgewonnen und dem Energiespeicher zugeführt wird. Denn je mehr der Speicher gefüllt ist und desto schneller er geladen wird, desto öfter kann die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor entlasten. Das Know-how für diese anspruchsvolle Leistungselektronik entstand in der jahrelangen Erfahrung als Serienlieferant von Hybrid-Antriebssystemen.

Je mehr Energie beim Bremsen oder in Schubphasen zurückgewonnen wird und je verlustfreier das zusätzliche Drehmoment der elektrischen Maschine beim Beschleunigen an die Antriebsräder gelangt, desto höher ist der Wirkungsgrad eines Hybridantriebs. Durch die Kombination eines Mildhybridsystems mit dem Doppelkupplungsgetriebe (DCT) resultiert ein bislang ungenutztes Potential im Antriebsstrang. Denn seine einzigartige Stellung gegenüber anderen Schalt- oder Automatikgetrieben bezieht das DCT aus zwei Kupplungen, die jeweils den Gängen 1, 3 und 5 sowie 2, 4 und 6 zugeordnet sind. Während das Auto zum Beispiel im zweiten Gang fährt, ist der dritte Gang schon eingelegt – bei geöffneter Kupplung. Der Gangwechsel geschieht nun, indem die von dem Unternehmen entwickelte und produzierte Getriebesteuerung die Kupplung des zweiten Ganges öffnet und synchron dazu die des dritten Ganges schließt. Der Leistungsfluss von der Kurbelwelle zu den Antriebsrädern wird dadurch nicht unterbrochen, wie es bei manuellen oder teilautomatisierten Schaltgetrieben unvermeidbar ist.

Im Gegensatz zur klassischen Vollautomatik mindert kein in der Wandlerkupplung erzeugter Schlupf den Gesamtwirkungsgrad. Das Doppelkupplungsgetriebe verbindet damit die Energieeffizienz eines Schaltgetriebes mit dem Komfort einer Wandlerautomatik.