Hybridelektrokraftfahrzeug

Ein Hybridelektrokraftfahrzeug (englisch Hybrid Electric Vehicle, HEV), gemäß EU-Richtlinie kurz Hybridelektrofahrzeug, umgangssprachlich auch Hybridfahrzeug oder Hybridauto, akademisch Fahrzeug mit Hybridantrieb, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.

Nur in der Ausführung als Plug-in-Hybrid ist eine elektrische Aufladung am Stromnetz vorgesehen. Klassisch wird dazu ein Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Generator eingesetzt, zunehmend auch Brennstoffzellen, die aus mitgeführtem Wasserstoff direkt Elektrizität gewinnen, speziell bezeichnet als Brennstoffzellenfahrzeug (englisch Fuel Cell Hybrid Vehicle, FCHV).

Ein Hybridantrieb kann mit unterschiedlichen Zielvorgaben gestaltet werden: Schon in seiner historischen Entwicklung für erste Elektrofahrzeuge um 1900 ging es allein um Reichweite.

 

 

Im Serien-Automobilbau sowie im Motorsport wird er zuweilen ergänzend als Beschleunigungsreserve eingesetzt, die vor allem im niedrigen Drehzahlbereich das Drehmoment steigert, und um mit Rekuperationsbremse sowie durch optimalen Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors dessen Effizienz und Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Gegenwärtig werden Verbrennungsmotoren mit Akkumulatoren kombiniert, es lassen sich aber auch Superkondensatoren als besonders leistungsstarke Kurzzeit-Reserve für höchste Beschleunigung einsetzen.

Ein Verbrennungsmotor lässt sich folgendermaßen charakterisieren:

  • Die chemische Energie des Kraftstoffes wird zunächst teilweise in Wärme umgewandelt.
  • Ein Teil der Wärme wird in mechanische Energie (Rotation der Kurbelwelle) gewandelt und zum Antrieb genutzt.
  • Der überwiegende Teil der Primärenergie wird an Kühlwasser und Abgase abgegeben.

Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt bei optimaler Drehzahl und Auslastung maximal ca. 37 %. Er ist bei gegebener Drehzahl stark lastabhängig – knapp unter Volllast am höchsten, Absinken bis zum Leerlauf auf null. Das heißt, im Teillastbetrieb, wenn wenig Gas gegeben wird, haben Ottomotoren einen schlechten Wirkungsgrad. Bei Marx werden für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor 20 % Effizienz angegeben.

Teillast und Leerlauf des Verbrennungsmotors kommen im Stadtverkehr häufig vor und können in Hybridelektrokraftfahrzeugen weitgehend vermieden werden. Der Verbrenner kann nun häufiger und länger bei hoher Last mit günstigem Wirkungsgrad betrieben werden. Die anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Akkuladung verwendet. Beim Beschleunigen können Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam arbeiten. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden (Downsizing). Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird der größere Teil der Bremsenergie in den Akkumulator zurückgeführt (Nutzbremse). Insbesondere im Stadtverkehr tragen diese Rückgewinnungen zur Verbrauchsverminderung um bis zu 60 % bei. Der Verbrennungsmotor ist abgeschaltet, wenn keine oder wenig Antriebsleistung benötigt wird. Die Lärmreduktion im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei Langsamfahren (Einparken) mit geladenem Akku ist im städtischen Raum ein weiterer Gewinn. Auf einen separaten Anlasser kann verzichtet werden, weil der Elektromotor die Funktion mit übernimmt.

Elektromotoren haben einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von über 90 %. Dieser bleibt über einen weiten Drehzahlbereich hoch. Die Effizienz sinkt bei hohem Drehmoment ab, insbesondere bei Überlastung.

In die elektrische Gesamtbilanz geht noch der Speicherwirkungsgrad des Akkumulators ein. Superkondensatoren werden bisher selten verbaut. Letztere sind ebenso wie die Leistungselektronik sehr effizient (> 90 %), während die Effizienz des Akkumulators aufgrund des Peukert-Effektes je nach Akkuchemie und Belastung geringer sein kann. Für Elektroantriebe wird ein Gesamtwirkungsgrad von 85 % angegeben.

Elektromotoren sind zudem überlastbar, das heißt, sie können ein höheres Drehmoment und kurzzeitig eine höhere Leistung abgeben als ihre Nennleistung. Dieses Drehmoment steht auch bei stehendem Motor zur Verfügung, anders als beim Verbrennungsmotor, der erst ab einer Mindestdrehzahl belastet werden kann. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug bei gleicher Systemleistung um etwa 10–20 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten). Aufgrund des bei Hybridfahrzeugen oft klein ausgelegten Verbrennungsmotors haben sie häufig eine etwas geringere Höchstgeschwindigkeit und sind bei hoher Leistungsanforderung lauter, weil sie dann in höheren Drehzahlbereichen arbeiten müssen.

Das Fahrmanagement sorgt einerseits für einen hohen Fahrkomfort und gewünschte Beschleunigungswerte, andererseits optimiert es durch die Wahl und Aufteilung der zwei Antriebe den Gesamtwirkungsgrad. Es bestehen drei Möglichkeiten:

  • Rein elektrisches Fahren, Verbrennungsmotor abgeschaltet, z. B. beim Einparken
  • Elektrische Unterstützung des Verbrennungsmotors, z. B. zum Beschleunigen bei hoher Geschwindigkeit
  • Lastpunktanhebung: Verbrennungsmotor zum Antrieb und zum Akku Laden, dadurch höhere Effizienz

Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeuges auf über 38 % steigern. Zur Anzeige des Betriebszustands kann ein Econometer dienen.

Dieselmotoren haben einen etwas günstigeren Wirkungsgradverlauf (kleine Drosselverluste), weshalb sie weniger vom Einbau eines Elektromotors und Akkumulators profitieren.

Bei unrealistisch angenommener konstanter, schneller Fahrt auf der Autobahn kann sich das Zusatzgewicht in einem höheren Verbrauch niederschlagen. Wird beschleunigt und abgebremst oder wechseln sich Berg- und Talfahrten ab, dann kann der durch das Zusatzgewicht bedingte Mehrverbrauch durch die Möglichkeit der Nutzbremse überkompensiert werden. Eine vorausschauende Fahrweise kann schon beim normalen Pkw 10 bis 20 Prozent des Verbrauchs einsparen, während dieser Wert beim Hybrid nochmals zunimmt, weil jedes vorausschauende Bremsen der Energiegewinnung dienen kann. Der Verbrennungsmotor arbeitet bei Autobahngeschwindigkeit bereits in einem relativ günstigen Wirkungsgradbereich.

Der Hybridantrieb ermöglicht es, den Verbrennungsmotor anders auszulegen als in einem Fahrzeug, in dem er allein ständig das Fahrzeug antreiben muss. So betreiben u. a. Toyota und Honda den Verbrennungsmotor im Atkinson-Zyklus und erzielen damit Kraftstoffeinsparung und Lautstärkereduzierung bei niedriger bis mittlerer Leistung.

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