Voltec-Antrieb

Der Voltec-Antrieb ist ein alternatives Antriebskonzept des Autoherstellers General Motors, das im Jahr 2010 mit dem Chevrolet Volt auf den Markt kam und ab November 2011 im Opel Ampera zum Einsatz kommen wird. Der Antrieb wurde unter Leitung des Deutschen Ingenieurs Frank Weber entwickelt, der nach wechselnden Aktivitäten bei GM und Opel seit dem Jahr 2011 für BMW arbeitet.^[1] Im Konzeptfahrzeug Chevrolet Volt, welches im Jahr 2007 vorgestellt wurde, wurde der Voltec-Antrieb noch E-Flex-Antrieb genannt. Für Ende 2012 sind zwei weitere PKW-Modelle angekündigt, bei denen der Voltec-Antrieb zum Einsatz kommen wird.^[2] Der Hersteller hatte den Fahrzeugen eine neue Bezeichnung gegeben – statt „Hybridantrieb“ führt GM das Kürzel E-REV ein, was für „extended-range electric vehicle“ steht.^[3]

Prinzip

Das Motorsystem besteht aus drei Arbeitsmaschinen/Kraftmaschinen:

• Ein Elektromotor als Hauptantrieb,
• ein On-Board-Generator sowie
• ein Benzin-Motor.

Über ein Planetengetriebe mit drei hydraulisch betätigten Motorkupplungen werden die drei Motoren auf unterschiedliche Weise gekoppelt. Der jeweils optimale Betriebsmodus wird je nach Betriebszustand vollautomatisch elektronisch gewählt.

In erster Linie erfolgt der Antrieb des Fahrzeugs durch einen Elektromotor mit einer Spitzenleistung von 111 kW (151 PS).^[4] Wenn die Akkus des Fahrzeugs weitgehend entladen sind, springt der nicht aufgeladene 1,4-Liter-4-Zylinder-Benzin-Motor mit einer Leistung von 63 kW (84 PS) an und speist den On-Board-Generator, der nun elektrischen Strom für den Hauptantrieb liefert.^[5] Das Design wird als teilweise serieller Hybridantrieb bezeichnet, da der Verbrennungsmotor einen Generator mit Energie versorgt, der den Strom für den E-Motor erzeugt. Es ist ebenfalls ein teilweise paralleler Hybridantrieb, da der Benzinmotor bei hoher Leistungsanforderung und „leerem“ Akku^[6] auch mechanische Antriebsleistung erbringen kann. Der Akku wird jedoch nicht geladen, sondern nur vor weiterem Entladen bewahrt.^[6]

Ladeverfahren

Normalerweise wird der Akku über Nacht geladen. Die Ladedauer beträgt an einem in den USA üblichen 120 Volt Stromanschluss ca. 10 Stunden, an den in Europa üblichen 230 Volt-Anschlüssen ca. 4 Stunden.^[7] Aus Komfortgründen sind hierfür beim Chevrolet Volt an beiden Seiten des Fahrzeugs Elektroanschlüsse vorhanden. Bei Fahrten, die die Reichweite des Fahrzeugs im Akkubetrieb übersteigen, wird der Strom für den Fahrmotor vom On-Board-Generator geliefert; überschüssige Energie, wie z.B. Bremsenergie, wird in elektrischen Strom umgewandelt und zum Laden der Akkus verwendet. Das Laden des Akkus durch Nutzung der Bremsenergie wird als Rekuperation bezeichnet. Es kommt auch bei anderen Hybrid-Konzepten, wie z.B. bei Toyotas Hybrid Synergy Drive zur Anwendung.

Zu Illustrationszwecken vereinfachte Darstellung eines Planetengetriebes mit zwei Planetenrädern, üblich sind drei oder mehr.
Grün: Sonnenrad, Blau: Planetenräder, Rot: Hohlrad

Das Fahrzeug kann in 4 Fahrmodi gefahren werden. Welcher Modus zum Einsatz kommt, entscheidet die Elektronik anhand des Ladezustands der Akkus, der geforderten Leistung und der Geschwindigkeit.^[6]

Elektrischer Betrieb: Modus eins und zwei

Bei geladenem Akku, also über 30% der theoretischen Maximalladung, erfolgt rein elektrischer Betrieb (Modus 1 und 2). Modus 1 und 2 sind daher die am meisten verwendeten Modi, die auf der Mehrzahl der gefahrenen (Kurz-)Strecken zum Einsatz kommen. Antriebsleistung wird von einem (Modus 1) oder beiden (Modus 2) Elektromotoren geleistet, der Verbrennungsmotor kommt in beiden Modi nicht zum Einsatz.^[6]

Modus 1: Hauptantriebsmotor alleine

Der elektrische Hauptantriebsmotor treibt das Sonnenrad des Planetengetriebes (grün) an; das Hohlrad (rot) ist über eine geschlossenen Kupplung mit dem Gehäuse verbunden. Die Antriebsenergie wird über die Träger (gelb) der Planetenräder (blau) mit einer Übersetzung von 1:7 abgenommen.

Bei hoher Leistungsanforderung oder einer Geschwindigkeit von mehr als ca. 70 Meilen pro Stunde (=113 km/h) wechselt die Elektronik in Modus zwei.

Modus 2: kombinierter Betrieb beider E-Motoren

Bei Geschwindigkeiten über 70 mph kann der elektrische Hauptantriebsmotor nur mit ungünstigem Wirkungsgrad betrieben werden, da er dann über 6500/min drehen müsste. In diesem Fall und bei großer Leistungsanforderung wird eine Motorkupplung gelöst und der Generator wird als zweiter Elektromotor zusätzlich zum Antrieb verwendet.^[6] Beide Motoren werden mit Akkustrom gespeist, der Verbrennungsmotor kommt nicht zum Einsatz. Der Generator wird also nun als Motor verwendet und treibt das Hohlrad (rot) an, womit die Drehzahl des Sonnenrades und somit auch des Hauptantriebsmotors gesenkt wird.

Range-Extender-Betrieb

Ist der Akkumulator auf 30% seiner theoretischen Kapazität entladen, so wird der Verbrennungsmotor gestartet. Er treibt den Generator an, um Fahrstrom zu liefern; zugleich wird der Akkuladezustand konstant gehalten. Im Range-Extender-Betrieb wird Antriebsleistung entweder nur vom elektrischen Hauptantriebsmotor geleistet während parallel dazu der Verbrennungsmotor mit konstanter Drehzahl den notwendigen Fahrstrom liefert, oder Hauptantriebsmotor und Verbrennungsmotor erbringen die Antriebsleistung zusammen. Auch hier entscheidet die Elektronik vollautomatisch, in welchem Modus gefahren wird.^[6]

Betriebsmodus 3

Das Fahrzeug wird weiterhin exklusiv über den elektrischen Hauptantriebsmotor angetrieben. Es besteht keine Verbindung zwischen Hohlrad und Generator. Der Verbrennungsmotor erzeugt über den Generator elektrische Energie, die über die Leistungselektronik für den Antrieb des Hauptantriebsmotors benutzt wird. Für optimalen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors läuft dieser in Modus 3 unabhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit konstanter Drehzahl.

Betriebsmodus 4

Wird in diesem Range-Extender-Betriebszustand hohe Leistung angefordert, was bereits unter 30 mph möglich ist,^[6] wird der an den Generator gekoppelte Verbrennungsmotor auch an das Hohlrad gekoppelt. Es wird damit die Effizienz des Gesamtsystems hochgehalten und ab ca. 70 mph die Maximaldrehzahl des elektrischen Hauptantriebsmotors begrenzt.^[5] Nun liefert auch der Verbrennungsmotor unmittelbar auf die Räder wirkende Antriebsleistung. Ob der Generator nun ebenfalls als zusätzlicher elektrischer Antriebsmotor verwendet wird, ist ungeklärt. Alle drei Motoren, zwei elektrische und der Verbrennungsmotor, treiben nun zusammen das Fahrzeug an.^[6]

Akkumulator

Der Lithium-Ionen-Akkumulator hat eine Kapazität von 16 kWh und ein Gewicht von 198 kg^[8]. Er besteht aus 220 Zellen. Die Ladeelektronik ist programmiert, den Ladezustand des Akkus zwischen 30 und 80% zu halten, um seine Lebensdauer zu verlängern, so dass effektiv nur 8,8 kWh genutzt werden.^[9][10] Trotz fast identischer Kapazität wiegt der Akku des Voltec-Antriebs fast 70 % weniger als jener des bis 1999 gebauten General Motors EV1. Es ist geplant, den Akku-Pack bei niedrigen Außentemperaturen zu beheizen und bei hohen Umgebungs- bzw. Betriebstemperaturen zu kühlen, um optimale Betriebsbedingungen sicherzustellen. General Motors gibt auf die Akkueinheit eine Garantie von acht Jahren bzw. 160.000km.^{[11] [12]}

Elektrischer Verbrauch

Der elektrische Verbrauch, den die US-Behörde für Umweltschutz EPA ermittelt hat, beträgt 22,4 kWh/100 km. Dies entspricht einem Benzinäquivalent von 93 Meilen pro Gallone bzw. 2,53 l/100 km bei vollständig geladenem Akku auf den ersten 35 Meilen (56,3 Km).^[13]

Benzinverbrauch

Da ein PKW mit Voltec-Antrieb erst dann Benzin verbraucht, wenn seine Akkus entladen sind, ist eine Verbrauchsangabe immer vor dem Hintergrund zu betrachten, ob der Wagen rein elektrisch, gemischt oder - bei vollständig entladenen Akkus - über den Umweg der Stromerzeugung ausschließlich mit Hilfe des Verbrennungsmotors bewegt wird. In letzterem Fall liegt der Benzinverbrauch dann bei 37 Meilen pro Gallone, entsprechend 6,36 l pro 100 km^[14] und bei 60 Meilen pro Gallone, entsprechend 3,92 l/100 km benzinäquivalent im kombinierten Betrieb gemäß EPA.

Einzelnachweise

1. ↑ BMW hires Frank Weber, former lead engineer for the Chevy Volt (englisch). BMWblog.com. Abgerufen am 20. Oktober 2011.
2. ↑ GM plant Ergänzung zu Chevrolet Volt und Opel Ampera (deutsch). www.autogazette.de. Abgerufen am 20. Oktober 2011.
3. ↑ Lyle J. Dennis, M.D.: GM Calls the Volt an E-REV. GM-Volt.com. Abgerufen am 23. November 2007.
4. ↑ Chevrolet Volt Specifications
5. ↑ ^{a b} www.autogazette.de: Der Volt im Beruhigungs-Modus
   • E-Motor-Drehzahl-Begrenzung durch Ankoppeln des Verbrenners im Range-Extender-Betrieb
6. ↑ ^{a b c d e f g h} Clarification: Gas Engine Can Help Drive the Chevrolet Volt Starting at 30 MPH (englisch). gm-volt.com. Abgerufen am 19. Oktober 2011.
   • Verbrenner springt bei geladenem Akku nie an.
   • Akku wird nicht vom Verbrenner geladen, sondern nur auf 30% gehalten.
   • Automatische Moduswahl anhand Akku-Ladezustand, geforderter Leistung, Geschwindigkeit.
7. ↑ Ladezeitangaben
8. ↑ Chevrolet Volt: Erste Fahreindrücke vom Hoffnungsträger (deutsch). heise Autos. Abgerufen am 31. Oktober 2010.
9. ↑ /Rittmar von HelmoltSustainable transportation based on electric vehicle concepts: a brief overview (U. Eberle/ R. von Helmolt). Royal Society of Chemistry (14. Mai 2010). Abgerufen am 8. Juni 2010.
10. ↑ Lyle J. Dennis, M.D.: Latest Chevy Volt Battery Pack and Generator Details and Clarifications. GM-Volt.com. Abgerufen am 29. August 2007.
11. ↑ Greenfuelsforecast.com
12. ↑ Chevroletvoltage.com
13. ↑ EPA gibt Verbrauchswerte des Chevrolet Volt bekannt (Stand: 25. November 2010)
14. ↑ Volt receives EPA ratings and label: 93 mpg-e all-electric, 37 mpg gas-only, 60 mpg-e combined