Zielvorgaben für Hybrid Autos

Hybridantriebe lassen sich mit unterschiedlichen Zielvorgaben gestalten. Es gibt sie schon seit rund 120 Jahren. In der historischen Entwicklung der ersten Elektrofahrzeuge um die Jahrhundertwende von 19. zum 20. Jahrhundert wurden sie entwickelt, um die Reichweite zu erhöhen. Dieses Ziel besteht immer noch, doch auch die bessere Beschleunigung durch den Elektromotor und der Klimaschutz spielen eine Rolle. Die bessere Beschleunigung ist beispielsweise für den Motorsport sogar das vorrangige Ziel. Auch bei ganz normalen Serienfahrzeugen dient der Elektromotor als ergänzende Beschleunigungsreserve in niedrigen Drehzahlbereichen, weil er das Drehmoment beträchtlich steigern kann.

Gleichzeitig verbessern die Rekuperationsbremse und der optimalere Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors die Effizienz des Gesamtsystems. Gleichzeitig senken diese Effekte den Kraftstoffverbrauch. Die heute dominierende Bauart von Hybrid-Autos ist die Koppelung von Verbrennungs- und Elektromotor. Letzterer bezieht seine Energie aus einem Akku. Es sind aber a) auch andere Antriebssysteme in Koppelung denkbar und b) als Energiequelle für den Elektromotor auch Superkondensatoren denkbar. Diese wären eine besonders leistungsstarke Kurzzeitreserve, die für höchste Beschleunigung sorgen kann. Solche Systeme sind allerdings mit Stand 2022 noch nicht marktreif.

Verbesserung des Wirkungsgrades im Hybrid Auto

Der Wirkungsgrad hybrider Antriebe übersteigt den von reinen Verbrennungsmotoren. Das liegt an der prinzipiellen Energieverwertung im Verbrenner. Dieser wandelt zunächst im im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in Wärme um. Von dieser wird nur ein Teil in mechanische Energie umgewandelt, die in diesem Fall die Kurbelwelle rotieren lässt. Eine größere Menge der Primärenergie verpufft leider, sie geht an die Abgase und das Kühlwasser. Daher haben Ottomotoren bestenfalls einen Wirkungsgrad von 37 %, und das nur bei optimaler Auslastung und Drehzahl. Sie sind stark lastabhängig und erreichen ihren höchsten Wirkungsgrad knapp unter Volllast. Im Teillastbetrieb hingegen sinkt dieser drastisch, weshalb manche Fachleute ihnen sogar nur einen Wirkungsgrad von 20 % zugestehen.

Gerade der Teillastbetrieb ist der Normalzustand im Stadtverkehr. Hier entfaltet das Hybrid Auto seinen Vorteil, wenn es mit dem Elektromotor anfährt und beschleunigt. Wenn es allerdings mit dem Verbrenner unter Volllast auf der Landstraße oder Autobahn fährt, kann der Generator den Akku aufladen. Beim Beschleunigen können auch beide Motoren gemeinsam arbeiten. Der Verbrenner kann daher kleiner ausfallen als bei einem rein kraftstoffbetriebenen Fahrzeug mit gleicher Leistung (sogenanntes Downsizing). Im Stadtverkehr wiederum wirkt die Rekuperation sehr wirkungsvoll auf die Akkuladung: Bei jedem Bremsvorgang lädt der Generator den Akku auf. Durch die dabei aufgenommene Bewegungsenergie bremst das Auto gleichzeitig bei geringerer Belastung der Bremsen. Die kinetische Energie wird nicht wie beim Verbrenner nutzlos verschwendet.

Allein die Rekuperation senkt den Kraftstoffverbrauch eines Hybrid Autos um ~60 %. Elektromotoren haben übrigens einen sehr hohen Wirkungsgrad, er kann über 90 % erreichen und bleibt auch über weite Drehzahlbereiche so hoch. Nur bei sehr hohem Drehmoment sinkt er ab. Allerdings ist der separate Speicherwirkungsgrad des Akkus in die Gesamtbilanz mit einzurechnen. Daraus ergibt sich für den Elektromotor ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 85 %.

Hybrid Auto mit Komfortgewinn

Da der Verbrennungsmotor des Hybrid Autos bei wenig Leistungsbedarf, so sehr oft im Stadtverkehr, gar nicht läuft, reduziert sich auch der Lärm durch Hybrid Autos. Ihr Elektromotor kann nahezu geräuschlos arbeiten. Gleichzeitig emittieren sie keine Abgase bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor. Noch ein Vorteil kommt hinzu: Hybrid Autos benötigen keinen separaten Anlasser. Dessen Funktion übernimmt der Elektromotor.

Spezielle Fahreigenschaften von Hybrid-Autos

Der Elektromotor des Hybrid Autos ist prinzipiell (wie jeder Elektromotor) überlastbar, allerdings nur kurzzeitig. Während des Anfahrens aus dem Stand, wofür der Fahrer des Hybrid Autos den Elektromotor verwendet, übersteigt dessen Drehmoment und Leistung kurzfristig die Nennleistung des Motors. Das Drehmoment steht sofort auch für den Motor im Stillstand zur Verfügung. Darin unterscheidet sich der Elektromotor vom Verbrenner, der sich erst mit einer Mindestdrehzahl belasten lässt. Wenn das Fahrzeug schon rollt, kann der Fahrer beide Motoren kombinieren (elektrisches Boosten) und damit bei vergleichbarer Systemleistung gegenüber einem reinen Verbrenner um bis zu 20 % schneller beschleunigen. Das ist für Überholvorgänge sehr nützlich und macht das Hybrid Auto sicherer.

Allerdings legen die Hersteller den Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeugs oft etwas kleiner aus. Das wirkt sich auf die Höchstgeschwindigkeit aus: Sie liegt meistens etwas unter der des Verbrenners mit identischer Systemleistung. Auch ist das Hybridauto bei Höchstgeschwindigkeit durch den kleinen Verbrenner etwas lauter, denn der Motor muss in einem höheren Drehzahlbereich arbeiten.

Das Fahrmanagement eines Hybrid Autos

Das Fahrmanagement wählt einen der beiden Antriebe oder kombiniert beide. Das sorgt für die gewünschten Beschleunigungswerte und einen hohen Fahrkomfort, außerdem optimiert es den Gesamtwirkungsgrad. Der Fahrer hat drei Möglichkeiten:

• Fahren rein elektrisch: Der Verbrennungsmotor ist abgeschaltet. So parken Fahrer von Hybrid Autos ein und bewegen sich auf kurzen Strecken durch die Stadt. Die Rekuperation funktioniert selbstverständlich auch bei ausgeschaltetem Verbrenner.
• Kombination beider Motoren: Der Elektromotor unterstützt den Verbrenner beim Beschleunigen. Das bietet sich bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten an.
• Lastpunktanhebung: Das Auto fährt mit dem Verbrennungsmotor, der gleichzeitig den Akku lädt.

Einfluss der erhöhten Masse auf die Effizienz des Hybrid Autos

Die Akkus von Hybrid Autos wiegen je nach Leistung rund 60 bis 120 kg, also in etwa so viel wie ein Fahrgast. Das hat auf die Effizienz zwei gegensätzliche Auswirkungen:

• Wenn das Fahrzeug sehr lange sehr schnell auf der Autobahn überwiegend mit dem Verbrennungsmotor fährt, erhöht das Zusatzgewicht des Akkus leicht den Kraftstoffverbrauch um 0,5 bis 1,0 l/100 km.
• Wenn das Fahrzeug im Stadtverkehr oder auf Berg- und Talfahrten unterwegs ist, mithin häufiger bremsen muss, verbessert sein höheres Gewicht die Rekuperation: Der Akku lädt sich dadurch bei den Bremsvorgängen noch schneller auf. Der Fahrer muss hierfür freilich vorausschauend fahren, sich also sehr oft rollen lassen. So eine Fahrweise spart schon beim reinen Verbrenner bis zu 20 % des Kraftstoffverbrauchs. Dieser Effekt nimmt beim Hybrid Auto nochmals zu, denn die Rekuperation während des Ausrollens (zum Beispiel auf eine rote Ampel zu) dient der Energiegewinnung.

Optimierung des Verbrenners beim Hybrid-Auto

Der Hybridantrieb erlaubt es den Entwicklern, anders ausgelegte Verbrennungsmotoren zu verwenden. Gut geeignet ist für diese Verbrenner der Atkinson-Zyklus, so legen Toyota und Honda ihre Hybridfahrzeuge aus. Die Motoren sparen dadurch Kraftstoff ein und laufen leiser, allerdings beides nur bis zur mittleren Leistung. Bei sehr hohen Drehzahlen lässt ihre Leistung hingegen etwas nach, was ein weiterer Grund ist, warum Hybrid Autos nicht ganz die Höchstgeschwindigkeiten von Verbrennern mit vergleichbarer Leistung erreichen.

Der Atkinson-Zyklus nutzt eine spezielle Ventilsteuerung. Die Einlassventile schließen sehr, der Verdichtungstakt beginnt dadurch später. Durch andere Kompressions- und Expansionsverhältnisse sinkt der Kraftstoffverbrauch, der Motor emittiert auch weniger Schadstoffe. James Atkinson hat 1886 diese Motorsteuerung entwickelt, mithin 10 Jahre nach der Vorstellung des konventionellen Ottomotors durch Nikolaus August Otto.

Klassifizierung von Hybrid Autos

Hybrid Autos werden in mehreren Kategorien klassifiziert:

• Der autarke Hybrid lädt den Akku allein mit dem Verbrennungsmotor. Der Plug-in-Hybrid hingegen lässt sich zusätzlich am Stromnetz aufladen.
• Hinsichtlich der elektrischen Leistung unterscheidet man die drei Hybridisierungsstufen Mikrohybrid, Mildhybrid und Vollhybrid.
• Nach der Systemstruktur lassen sich Seriellhybride, Parallelhybride und Mischhybride unterscheiden.

Die Unterscheidung nach Mikro-, Mild- oder Vollhybrid trifft prinzipiell auf die parallelen Hybride zu, bei denen der Verbrennungs- und der Elektromotor voneinander unabhängig arbeiten können.

Der Mikrohybrid kann aber den sehr kleinen Elektromotor nur zur Unterstützung nutzen, jedoch nicht rein elektrisch fahren. Immerhin ist auch bei dieser Variante die Rekuperation möglich, der Motor wirkt beim Bremsen umgekehrt als Generator für den Akku.

Beim Mildhybrid kann der Elektromotor schon deutlich unterstützend das Anfahren und Beschleunigen verbessern.

Mit dem Vollhybrid ist rein elektrisches Fahren möglich.

Serielle Hybride hingegen sind mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet, der den elektrischen Generator auflädt. Brennstoffzellenfahrzeuge sind häufig als serielle Hybride ausgelegt.

Mischhybride sind leistungsverzweigend ausgelegt und kombinieren die serielle und parallele Hybridvarianten, und zwar meistens variabel je nach Fahrsituation. Der Toyota Prius ist ein typischer Mischhybrid.

Range Extender

Range Extender (REX-Fahrzeuge, Reichweitenverlängerer) sind Hybrid Autos, die überwiegend elektrisch fahren, jedoch über einen kleinen Verbrennungsmotor mit kleinem Tank verfügen, um bedarfsweise auch damit zu fahren zu können, wenn beispielsweise keine elektrische Ladesäule in der Nähe ist.

Förderung von Hybrid Autos

Hybrid-Autos werden nur als Plug-in-Hybride staatlich gefördert, weshalb diese Bauart am weitesten verbreitet ist. Der Staat geht dabei vom Konzept aus, dass sich diese Autos aufladen und rein elektrisch fahren lassen, womit sie den Elektroautos gleichkämen. In der Praxis geht dieses Konzept leider nicht auf, weil viele Fahrer ihren Plug-in-Hybrid kaum jemals an der Ladesäule aufladen. Sie laden den Akku durch den Verbrenner bzw. per Rekuperation etwas auf, fahren aber überwiegend mit Kraftstoff und verbrauchen dabei sogar etwas mehr Sprit, weil der zweite Motor und der Akku das Fahrzeug schwerer machen.

Die Förderung für Plug-in-Hybride beträgt in Deutschland im Jahr 2022 bis zu 6.750 €, wobei die Fahrzeuge bestimmte Voraussetzungen hinsichtlich der elektrischen Reichweite oder des CO₂-Ausstoßes erfüllen müssen. Ab 2023 entfällt diese Förderung. Wahrscheinlich werden in Zukunft wieder mehr Micro- und Mildhybride angeboten werden, weil sich diese Fahrzeuge auch ganz ohne Förderung lohnen.