Hybridelektrokraftfahrzeug

Ein Hybridelektrokraftfahrzeug ist ein Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor und einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und die Energie aus einem Betriebskraftstofftank und einer Speichereinrichtung (im Fahrzeug) für elektrische Energie bezieht.

Toyota Prius NHW 20, Nachfolgemodell des ersten Großserien-PKWs mit Hybridantrieb

Die entsprechende EU-Richtlinie^[1] bezeichnet dies kurz als Hybridelektrofahrzeug. Meist wird nur von Hybridfahrzeug, Hybridauto oder Fahrzeug mit Hybridantrieb gesprochen.

Der elektrische Hybridantrieb zum Kraftfahrzeugbetrieb ist einer von vielen möglichen Hybridantrieben unterschiedlicher Zusammenstellung und Einsatzbereiche. Doch auch dieser spezielle Hybridantrieb kann in vielen unterschiedlichen Variationen gestaltet werden. Der Hybridantrieb wird im Serienautomobilbau eingesetzt, um die Effizienz zu verbessern, den fossilen Kraftstoffverbrauch zu verringern oder die Leistung im niedrigen Drehzahlbereich zu steigern. Gegenwärtig werden Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren und Akkumulatoren kombiniert, es lassen sich aber beispielsweise auch Brennstoffzellen beziehungsweise Doppelschicht-Kondensatoren einsetzen.

In Fahrzeugen wie LKW, PKW und Bussen wird der Hybridantrieb auch als Hybridmotor bezeichnet. Im engeren Sinn sind Hybridmotoren jedoch nur Verbrennungsmotoren, die Merkmale von Diesel- und Ottomotoren aufweisen.

Die Transport-Abteilung der UN-Wirtschaftskommission für Europa definierte 2003 den Begriff wie folgt:^[2] Hybridfahrzeug bezeichnet ein Fahrzeug, das mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme im Fahrzeug eingebaut hat, um es anzutreiben.

Funktion des kombinierten Verbrennungs-Elektroantriebs

Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb häufiger und länger in einem günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Akkuladung verwendet. Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden (Downsizing). Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird ein Teil der Bremsenergie in den Akkumulator zurückgeführt (Nutzbremse). Insbesondere im Stadtverkehr und beim bergabwärtigen Fahren trägt die Rückgewinnung zur Verbrauchsverminderung bei. Wird keine oder wenig Antriebsleistung benötigt, schaltet der Verbrennungsmotor ganz ab. Dies geschieht im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei Langsamfahren (Einparken) mit geladenem Akku. Auf einen separaten Anlasser kann verzichtet werden, weil der Elektromotor die Funktion übernimmt.

Ein Verbrennungsmotor liefert in einem bestimmten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Der Elektromotor dagegen stellt schon beim Anfahren das maximale Drehmoment zur Verfügung und lässt erst bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug um etwa 10–20 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten). Die Fahrzeuge haben aufgrund des leistungsärmeren Verbrennungsmotors häufig eine etwas geringere Höchstgeschwindigkeit. Dieser Fahrzustand (schnelle Autobahnfahrt) ist die einzige Situation, bei der über lange Zeit eine hohe Motorleistung benötigt wird, die nur vom Verbrennungsmotor bereitgestellt werden kann. In dieser Betriebsphase funktionieren die Hybrid-Mechanismen nicht mit der gleichen Wirksamkeit wie zum Beispiel im Stadtverkehr. Sie führen aber auch hier aufgrund des Streckenprofils zu Verbrauchseinsparungen. Das Beschleunigungsverhalten, für das beide Motoren verantwortlich sind, ist davon nicht betroffen.

Der Hybridantrieb ermöglicht es, den Verbrennungsmotor unter wesentlich verbrauchsgünstigeren Bedingungen zu betreiben (zum Beispiel in optimalen Drehzahlbereichen), weil der Elektromotor die für den Verbrennungsmotor ungünstigen Betriebsbereiche abfedern kann. Der Verbrennungsmotor kann speziell auf diese Bedingungen optimiert werden, ohne dass dabei die Eignung als dauerhaft alleiniger Fahrzeugantrieb gewährleistet bleiben müsste.

So betreibt Toyota den Verbrennungsmotor im Atkinson-Zyklus, Honda realisiert eine Zylinderabschaltung und betreibt den Motor auch in Arbeitsbereichen, die ohne elektromotorische Unterstützung zu unkomfortablem Motorlauf oder Ausgehen des Motors führen würden, was durch den Einsatz des direkt auf der Kurbelwelle sitzenden Elektromotors als aktive Schwungscheibe ermöglicht wird.

Energieumwandlungen

Im Auto mit herkömmlichem Antriebsaggregat wird die chemische Energie des Kraftstoffes in zwei Schritten durch den Verbrennungsmotor in die gewünschte mechanische Energie umgewandelt:

• Die chemische Energie wird zunächst in Wärme umgewandelt, dabei wird ein erheblicher Teil an das Kühlwasser abgegeben.
• Der verbleibende Teil wird in mechanische Energie (Rotation der Kurbelwelle) gewandelt.

Damit ist die benötigte Erscheinungsform der Energie erreicht, um das Auto zu beschleunigen und die Reibungskräfte zu überwinden. Der Wirkungsgrad beträgt bei optimaler Drehzahl bis zu 37 %, je nach Lastbedingung und Drehzahl kann er auf die Hälfte abfallen, im Leerlauf ist er Null.

In einem (seriell angeordneten) Hybridantrieb durchläuft die Energie deutlich mehr Umwandlungen, keine davon ist verlustfrei:

• chemisch → thermisch, dann thermisch → mechanisch im Verbrennungsmotor (Wirkungsgrad max. 37 %)
• mechanisch → elektrisch im Generator (90 %)
• elektrisch → chemisch beim Aufladen des Akkus (85 %)
• chemisch → elektrisch beim Entladen des Akkus (90 %)
• elektrisch → mechanisch im Elektromotor (90 %)

Multipliziert man alle Faktoren, erhält man einen Wirkungsgrad von 22,9 % (0,37 * 0,9 * 0,85 * 0,9 * 0,9), was zunächst sehr gering erscheint. Abweichungen von diesem Wirkungsgrad können auf Grund folgender Möglichkeiten auftreten:

Bremsen

Beim Bremsen kann ein Teil der Bewegungsenergie durch eine Nutzbremse in elektrische Energie zurückverwandelt werden. Der Gewinn liegt, je nach Fahrweise, bei 20 % der aufgewendeten Antriebsenergie. Bei Bergabfahrten mit sehr langen Bremsstrecken lassen sich teilweise höhere Rückspeisegewinne erreichen.

Fahrten mit gleichbleibend höherem Leistungsbedarf (Autobahn, Landstraße)

Hier wird die Antriebsleistung unter Umgehung des Akkus übertragen und wird direkt im Elektromotor umgewandelt. Der Gesamtwirkungsgrad ist dann maximal derselbe wie der eines Fahrzeugs ohne Hybridantrieb (Gesamtwirkungsgrad bis zu 37 %).

Stadtverkehr (geringe Geschwindigkeit, häufiges Bremsen)

Solange die Akkus ausreichend geladen sind, kann der Verbrennungsmotor ganz abgeschaltet werden, womit der Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors mit typischerweise schlechterem Motorwirkungsgrad vermieden wird. Muss nach einiger Zeit der Verbrennungsmotor wieder eingeschaltet werden, arbeitet dieser im Bereich des optimalen Wirkungsgrads und lädt den Akku nach. Die hierdurch erzielte Effizienzsteigerung ist der Hauptgrund für die Entwicklung der Hybridfahrzeuge. Andererseits ist das Auto gerade im Stadtverkehr anderen Verkehrsmitteln in Hinsicht auf Energieverbrauch und Emissionen deutlich unterlegen, was auch durch einen Hybridantrieb nur bedingt gemildert werden kann. Die Energieersparnis im Stadtverkehr wird zusätzlich verringert durch den Massenzuwachs, den die zusätzlich erforderlichen Bauelemente – in erster Linie ist das der schwere Akku – mit sich bringen: Auch diese Zusatzmassen müssen fortwährend unter Einsatz von Energie beschleunigt werden.

Einordnung des Verbrennungs- bzw. Elektroantriebs

Werden die Akkumulatoren nur über den eingebauten Generator geladen, wird der Hybrid als autark bezeichnet, werden die Akkus vor der Fahrt am Stromnetz geladen, ist dies ein Plug-In-Hybrid.

Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen drei verschiedenen Hybridisierungsstufen: Mikro-, Mild- und Vollhybrid. Da diese Einteilung mehr auf die elektrische Leistung zielt, wird in der Literatur zusätzlich eine Einteilung nach Parallel-, Seriell- und Mischhybriden unternommen.

Systemstruktur

Serieller Hybrid

Bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb hat der Verbrennungsmotor keinerlei mechanische Verbindung mehr zur eigentlichen Antriebsachse, er treibt lediglich einen elektrischen Generator an, der die E-Maschinen mit Strom versorgt oder die Traktionsakkus lädt. Es kann ein schwächerer Verbrennungsmotor eingesetzt werden, da die Akkus bei Leistungsbedarfsspitzen zusätzlichen Strom liefern, was aber die Dauer-Höchstgeschwindigkeit verringert. Der oder die Elektromotor(en) müssen das gesamte geforderte Drehmoment und die gesamte geforderte Leistung erbringen. Beispiele: die Studie Opel Flextreme GT/E Concept sowie der Prototyp Mindset, der nach Planungen in absehbarer Zeit in Serienproduktion gehen soll.

Vergleiche auch: dieselelektrischer Antrieb.

Die Darstellung mit einem magnetisch-elektrischen Getriebe-Automaten wird auch Direkthybrid genannt.

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  Serieller Hybrid

• 

  Paralleler Hybrid

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  Leistungsverzweigender Hybrid

Paralleler Hybrid

Anders als beim seriellen Hybridantrieb wirken beim parallelen Hybridantrieb der oder die Elektromotor(en) gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf den Antriebsstrang. In mindestens einem Betriebszustand sind die Kräfte oder Drehmomente der einzelnen Antriebe gleichzeitig verfügbar. Dies ermöglicht eine schwächere Auslegung des Elektromotors und des Verbrennungsmotors, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart, im Falle des Verbrennungsmotors auch Kraftstoff (downsizing). Parallelhybride lassen sich vergleichsweise kostengünstig als Mildhybrid verwirklichen. Falls ein rein elektrischer Fahrbetrieb ermöglicht werden soll, muss der Elektromotor dementsprechend ausgelegt werden. Naunin^[3] schreibt dazu: Charakteristisch für den parallelen Hybrid ist, dass beide Antriebsaggregate aufgrund der Leistungsaddition bei gleichen Fahrleistungen im Vergleich zum konventionellen Antrieb kleiner dimensioniert werden können Ein Beispiel ist der Honda Civic Hybrid. Durch Hybrid reduziert sich der CO₂-Ausstoß beim Honda Civic Hybrid auf 103 g/km.

Leistungsverzweigender Hybrid

Mischhybride kombinieren den seriellen und den parallelen Hybridantrieb (oft variabel) während der Fahrt entsprechend den Fahrzuständen. Je nach Betriebsart und Fahrzustand kann entweder die Verbrennungskraftmaschine mit dem Generator nur den elektrischen Energiespeicher (Hybridbatterie) laden und den Elektromotor antreiben (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb). Bei diesem kombinierten Hybridantrieb wird lediglich mittels einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet. Als Beispiele für Mischhybride sind der Chevrolet Volt ^{[4] [5] [6]} , der Opel Ampera ^[7] und der voraussichtlich im Jahr 2014 auf dem Markt erscheinende Cadillac ELR ^[8] sowie der Mercedes-Benz B-Klasse E-Cell Plus ^[9][10] zu nennen.

Demgegenüber wird beim Leistungsverzweigten Hybridantrieb ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch, ein weiterer Teil über die als elektrisches Getriebe (serieller Hybridantrieb) arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen. Ein Beispiel für Leistungsverzweigung ist der Toyota Prius mit dem Hybrid Synergy Drive, in dem die Leistungsverzweigung und somit die Drehzahlen und die Übersetzung ausschließlich über die Ansteuerung der elektrischen Maschinen erfolgt. Diese One-Mode-Getriebe werden bei Toyota, Lexus, Ford und anderen eingesetzt.

Im Gegensatz dazu bietet das Two-Mode-Getriebe von Allison Transmission verschiedene Betriebsmodi, die mit Lamellenkupplungen geschaltet werden. Das Getriebe besitzt zwei leistungsverzweigte Fahrbereiche. Dadurch kann gegenüber One-Mode-Getrieben der elektrische Leistungsanteil verringert werden, wodurch die Anforderungen an die elektrischen Maschinen verringert werden. Es ergibt sich zudem ein Wirkungsgradvorteil (höherer mechanischer Leistungsanteil). Neben den zwei Fahrbereichen stehen zusätzlich auch noch vier mechanische Übersetzungen bereit (zusätzlich feste Gänge), in denen das System als Parallelhybrid arbeiten kann. Mit diesem aufwändigeren Konzept sind weitergehende Anpassungen an verschiedene Fahrzustände, wie etwa hohe Geschwindigkeiten, möglich. Dieses Getriebe wird in einer Kooperation zwischen General Motors, Daimler AG und BMW entwickelt.

Mikro-, Mild- und Vollhybrid

Einteilung von Vortriebskonzepten in unterschiedliche Klassen (englisch)

Nach dem Anteil des elektrischen Antriebs und den möglichen Betriebszuständen werden drei Stufen unterschieden, es gibt zudem unterschiedlichste Zwischenformen. Darüber hinaus sind auch Fahrzeuge darstellbar, die überwiegend elektrisch angetrieben werden.

Mikrohybrid

Grundsätzlich kennzeichnet ein Hybridfahrzeug das Vorhandensein zweier unterschiedlicher Antriebsquellen, was beim sogenannten Mikrohybrid nicht der Fall ist. Mikrohybridfahrzeuge verfügen über eine Start-Stopp-Automatik und Bremsenergierückgewinnung zum Laden des kleinen Starterakkus. Die Elektro-Maschine wird aber nicht zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt und hat nach Naunin eine Leistung von 2,7–4 kW/t (spezifisches Leistungsgewicht in Kilowatt Leistung des Elektroantriebs pro Tonne Fahrzeugmasse). Vorteil ist, wie bei allen Hybridautomobilen, eine Kraftstoffeinsparung.

Beispiel: Die BMW-1er-Baureihe ab Modelljahr 2007 mit Schaltgetriebe.

Nachteil der Start-Stopp-Funktion ist der durch das häufige Anlaufen bedingte höhere Verschleiß der Kurbelwelle, die mit einer reibungsarmen Lagerung auf eine andauernde Rotation ausgelegt ist. Wie groß diese Auswirkungen einer Start-Stopp-Funktion auf die Lebensdauer eines Motors sind, werden die nächsten Jahre zeigen.

Mildhybrid

Der Elektroantriebsteil unterstützt den Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung. Die Bremsenergie kann in einer Nutzbremse teilweise wiedergewonnen werden. Als elektromotorische Leistungen werden etwa 6–14 kW/t angegeben.

Parallel arbeitende Hybridantriebe werden oft als Mildhybrid ausgeführt.

Beispiel: Der Honda Civic Hybrid, der seit Modelljahr 2006 nahezu Vollhybridmerkmale aufweist, sowie der Honda Insight (ab 2009).

Vollhybrid

Vollhybridfahrzeuge sind mit ihrer elektromotorischen Leistung von mehr als 20 kW/t in der Lage, auch rein elektromotorisch zu fahren (einschließlich Anfahren und Beschleunigen) und stellen daher die Grundlage für einen Seriell-Hybrid dar.

Beispiele: Der BMW ActiveHybrid X6, der rein elektromotorisch etwa 60 km/h erreicht, der Toyota Prius, der etwa 70 km/h erreichen kann, siehe: Toyota Hybrid Synergy Drive oder zum Beispiel der schweizerische Mindset, wobei Mindset die Entwicklung seines Elektroautoprojektes 2009 weitgehend eingestellt hat.^[11][12][13]

Eigenschaften der verschiedenen Konzepte

Der Hybridantrieb wird verwendet, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu erzielen oder um Leistung oder Fahrkomfort zu steigern. Bei ihm ergänzen sich die Leistungskennlinien eines Elektromotors mit seinem hohen Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eines Verbrennungsmotors, dessen Stärken im oberen Drehzahlbereich liegen. Zusätzlich kann durch eine Nutzbremse ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden.

Bei Voll-Hybriden, mit Einschränkung auch bei Mild-Hybriden, besonders ausgeprägt bei Leistungsverzweigung und stufenlosem Getriebe können ungünstige Motorbetriebspunkte weitgehend vermieden werden. Dieser Zusatznutzen ist bei Verwendung eines Dieselmotors nur in geringerem Ausmaß möglich, da der Dieselmotor ohnehin in den meisten Motorbetriebspunkten einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist. Weil sich aber das nötige Beschleunigungsdrehmoment des Verbrennungsmotors durch die Kombination mit dem Elektromotor verringert, kann beim Dieselmotor eine erhebliche Verringerung der Stickoxid-Emission (NOx) erreicht werden, wenn das Downsize-Potenzial nicht ausgenutzt wird. Der Diesel-Hybridantrieb hat also neben dem Verbrauchsnutzen auch einen Emissionsnutzen vorzuweisen.

Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern. Das kann jedoch durch Einsparungsmöglichkeiten an anderer Stelle (zum Beispiel vereinfachtes Getriebe, Entfallen der Lichtmaschine und des Anlassers) teilweise kompensiert werden. Es ist allerdings auch zu erwarten, dass moderne Akkumulatoren wie zum Beispiel Lithium-Polymer-Akkus oder auch Hochleistungskondensatoren diesen Nachteil noch weiter verringern.

Ein weiterer Nachteil ist die aufwändige Produktion der Hauptkomponenten Elektromotor und Akkumulator, die die Herstellungsbilanz belasten. Es fehlt bisher an unabhängigen Untersuchungen zur Klärung der Frage, wie viel mehr an Energie für die Herstellung von Hybridfahrzeugen aufgewendet werden muss bzw. mit welcher Kraftstoffmenge man dies im Vergleich zu einem Standardfahrzeug verrechnen müsste.

Derzeit hat der Mild-Hybrid bei geringerem Aufwand ebenfalls ein gutes Einsparpotenzial. Diese Antriebsart ist mit wenig Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte zu integrieren, während für Voll-Hybride mehr Entwicklungsaufwand vonnöten ist. Der einfachste Ansatz des Mild-Hybrid ist der Starter-Generator, der den Anlasser und die Lichtmaschine in einem Elektromotor zusammenfasst und an den Antriebsstrang anbindet.

Plug-in-Hybride

→ Hauptartikel: Plug-in-Hybrid

Eine Erweiterung der Hybrid-Technik stellen die Plug-in-Hybride (PHEV) dar, die versuchen den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken, indem die Akkus nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch am Stromnetz aufgeladen werden können. Bei diesem Konzept wird gesteigerter Wert auf eine Vergrößerung der Akkukapazität gelegt, um auch größere Strecken ohne lokale Emissionen zurücklegen zu können. Bei ausreichender Kapazität (etwa 60 bis 80 Kilometer) können Kurzstrecken so ausschließlich im Elektrobetrieb zurückgelegt werden, während der Verbrennungsmotor lediglich als Generator zum Nachladen der Batterien verwendet wird, um auch größere Strecken zu ermöglichen. Dieser Technologie wird im Rahmen der Diskussion um die Elektromobilität eine große Zukunft vorhergesagt, da über 80 % aller im Alltag gefahrenen Strecken innerhalb dieser Batterien-Reichweite liegen.^[14]

Entwicklungsgeschichte

Frühe Entwicklungen und Prototypen bis 1991

• Ferdinand Porsche meldete bereits 1896 ein Patent für elektrische Radnabenmotoren an und baute 1900 mit dem Wiener Fahrzeugbauer Ludwig Lohner den Mixte-Hybridantrieb, einen benzinmotorangetriebenen Generator, welcher Strom für den Akku liefert. Die Radnabenmotoren ersparen Getriebe und Kraftübertragung. Der Lohner-Porsche war die Sensation auf der Weltausstellung in Paris.^[15]
• 1899 wurde das erste Automobil mit Hybridantrieb unter dem Namen La Cuadra in Barcelona gebaut. Dieses gab es sowohl mit Elektromotor als auch mit einem zusätzlichen 5-PS-Verbrennungsmotor, der einen Generator für die Akkus antrieb.
• Amerikanische Studien für Elektro-Hybridfahrzeuge lassen sich bis in das Jahr 1972 zurückverfolgen, als der Amerikaner Victor Wouk einen Buick Skylark, der von General Motors zur Verfügung gestellt wurde, zu einem Hybridfahrzeug umrüstete. Grund war das 1970 ins Leben gerufene Federal Clean Car Incentive Program, das jedoch 1976 durch die Umweltschutzbehörde der USA gestoppt wurde.
• Toyota baute 1977 einen Toyota Sports 800 auf Gasturbinen- und Elektrohybridantrieb um.
• Mercedes-Benz zeigte 1982 einen ersten Hybrid-Prototypen. Seitdem wurden zahlreiche weitere Prototypen gefertigt, ohne dass es bis jetzt zu einer Serienfertigung kam.
• Volkswagen forschte jahrzehntelang an diversen Hybridkonzepten, diese Arbeit führte 1988 zu einem Flottenversuch in Zürich mit 20 Parallelhybrid-Fahrzeugen, die von Privatpersonen über einen Zeitraum von drei Jahren betrieben wurden. Wissenschaftlich betreut wurde das Projekt von der ETH Zürich.^[16]
• Audi baute 1989 einen Prototyp eines Audi 100 Avant quattro mit einem 2,3-l-100-kW-Benzinmotor und einem 9,3-kW-Elektromotor, der statt der Kardanwelle die Hinterräder antrieb.^[17] Die Energie kam von einem Nickel-Cadmium-Akku. 1991 wurde eine neuere Ausführung des Audi 100 quattro präsentiert. Der Wagen wurde mit einem 2,0-Liter-Motor mit 85 kW und einem 21-kW-Elektromotor angetrieben. Dieser Wagen hatte aber eine Kardanwelle zu den Hinterrädern.

Modelle von 1994 bis heute

• Erster gewerblicher Anbieter von Hybridfahrzeugen in jüngerer Zeit war Audi mit dem Audi 80 duo im Jahre 1994. Dieses Modell war jedoch so teuer, dass es praktisch unverkäuflich war. 1997 folgte der Audi A4 duo mit 66-kW-TDI- und 21-kW-Elektromotor, von dem 90 Exemplare gefertigt wurden.^[18] Der Verkaufspreis lag bei 60.000 DM. Audi zog aus der geringen Resonanz den Schluss, dass ein Markt für Hybridantriebe nicht vorhanden sei, und konzentrierte sich auf die Diesel-Direkteinspritzertechnik.
• Der Toyota Prius wird seit 1997 serienmäßig hergestellt und ist mittlerweile in der dritten Generation erhältlich. Er besitzt einen Benzin- und 2 Elektromotoren, die über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt sind. Betriebszustände, in denen der Verbrennungsmotor nur geringen Wirkungsgrad aufweist (Anfahren, Stadtverkehr) werden vom Elektromotor mit seinem sehr viel höheren Wirkungsgrad übernommen. Bei Bedarf kann der Verbrennungsmotor auch komplett abgeschaltet werden. Bei Fahrt mit gleich bleibender Last (Marschbetrieb) treibt allein der Benzinmotor den Prius an, während der Nickel-Metallhydrid-Akku gleichzeitig vom Benzinmotor via Generator geladen wird. Bei stärkerer Last wird der Prius von beiden Motoren gemeinsam angetrieben. Durch eine Nutzbremse kann Energie zurückgewonnen werden. Die Energieeinsparung beim Prius gegenüber Benzinern der gleichen Fahrzeugklasse beträgt gemäß Werksangaben rund 30 %. Der Prius ist das Hybridfahrzeug, das dieser Antriebsart den Durchbruch ermöglichte. Eine Version mit Nachlademöglichkeit am Stromnetz und größerer elektrischer Reichweite (ca. 50 km) wird ab 2011 angeboten. Bis März 2011 wurden seit Markteinführung 2,185 Millionen Prius verkauft, was rund zwei Drittel der insgesamt 3 Millionen verkauften Hybridfahrzeuge bei Toyota ausmacht.^[19] Der Prius dürfte damit wohl das bisher erfolgreichste Hydridfahrzeug überhaupt sein.
• Der Toyota Highlander ist der erste SUV mit Hybridantrieb. Er besitzt, anders als der Prius, neben dem Benzinmotor bereits zwei Elektromotoren, je einen auf der Vorder- und auf der Hinterachse. Produziert wird das Fahrzeug bereits seit Ende der 1990er Jahre, jedoch nur für den japanischen und den amerikanischen Markt. Es wird jedoch vereinzelt auch in Europa gefahren, als Privatimport aus den USA. Ab 2006 wird der Highlander bereits in der zweiten Generation gefertigt. Die Systemgesamtleistung des Modells 2006 beträgt 268 PS/4500-5600 U/min in der Allrad-Version (Benzinmotor 155 kW/208 PS; Elektromotor vorne 123 kW/167 PS; optionaler Elektromotor hinten 50 kW/68 PS). Die Beschleunigung von 0 auf 100 km/h beträgt 8,0 (2WD) oder 7,2 (4WD) Sekunden, und seine Fahrleistungen entsprechen denen eines antriebsstarken 8-Zylinder-Geländewagens.
• Von 1999 bis Ende 2006 wurde das Elektro-Hybridfahrzeug Honda Insight gebaut. Dieser war in Deutschland jedoch nicht offiziell erhältlich, Verbrauch laut Hersteller 3,3 Liter/100 km. Seit 2009 ist die aktuelle Honda-Insight-Generation in Deutschland auf dem Markt und zudem das derzeit erschwinglichste Hybridauto.
• Mit dem Civic Hybrid (ab 2006, Vorgänger Civic IMA ab 2004) bietet Honda derzeit eine viertürige Limousine mit Hybridantrieb an. Der Wagen ist mit einem 70-kW-Benzinmotor ausgestattet, der von einem 15-kW-Elektromotor unterstützt wird. Der kombinierte Verbrauch ist mit 4,6 Litern pro 100 km angegeben.
• Zum Tokyoter Autosalon im November 2001 zeigte Suzuki seinen neuesten Kleinstwagen Suzuki Twin, den es neben einer Benzinmotor-Variante mit 658-cm³-Dreizylinder-Motor auch als Hybrid-Version gab. Schon im Dezember 2001 lief die Serienfertigung an, er wurde allerdings nur in Japan verkauft. Er war das bisher kleinste jemals serienmäßig gebaute Hybridfahrzeug. Aufgrund seiner geringen Abmessungen und Motorstärke galt er in Japan als sogenanntes K-Car und war damit steuerlich begünstigt. Es verkaufte sich aufgrund des hohen Preises aber so schlecht, dass Suzuki den Twin Hybrid bereits im März 2002 nach nur 10.400 gebauten Exemplaren wieder vom Fließband nahm. Im November 2003 wurden auch die übrigen Versionen des Twins vom Programm gestrichen.
• Ford bietet den in Europa als Maverick bekannten Geländewagen in den USA in einer Version als Ford Escape Hybrid an. Der Escape Hybrid verwendet eine von Ford weiterentwickelte Version des THS-I aus dem ersten Toyota Prius. Der Bauraum für die Hybrid-Bauteile wurde schon bei der Entwicklung und Konstruktion mit einbezogen. Der Allradantrieb des Escape wird konventionell über eine Kardanwelle realisiert.
• Die zum Ford-Konzern gehörende Firma Mercury bietet ab Frühjahr 2006 einen Geländewagen mit Hybridantrieb an. Angetrieben wird das Allradfahrzeug von einem 2,3-Liter-Benzinmotor mit Atkinson-Zyklus und einem 70-kW-Permanentmagnet-Elektromotor.
• Seit April 2005 bietet Lexus in den USA ein Oberklasse-SUV mit Hybridantrieb an. Markteinführung in Europa war Juni 2005. Der RX 400h wird von einem V6-3,3-Liter-Ottomotor (155 kW) plus Generator und einem Elektromotor (123 kW) an der Vorder- und einem Elektromotor (49 kW) an der Hinterachse angetrieben (elektrischer Allradantrieb). Die Gesamtleistung des Hybridsystems wird mit 200 kW angegeben (die Motorenleistungen können nicht addiert werden, da der Akku nur begrenzte Leistung abgeben kann). Der Antrieb basiert auf dem bereits verfügbaren Hybridantriebsstrang des Toyota Prius THS II. Das Fahrzeug kommt damit auf ein Systemdrehmoment von über 700 Nm bezüglich der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Der Verbrauch bleibt bei moderater Fahrweise unter 10 Liter pro 100 km. Zusätzlich wurden die Elektromotoren mit dem ESP-System gekoppelt. Sie erlauben einen etwa zehnmal schnelleren Eingriff in die Fahrsituationsstabilisierung als ein ABS/ESP-System mit herkömmlichem Hydraulikaggregat. Mit dem Lexus GS 450h ist seit Ende 2006 ein neues Hybridfahrzeug auf dem Markt, das auf dem weiterentwickelten THS-II-System von Toyota basiert. Ein wesentlicher Unterschied zum RX 400h ist die zweistufige Übersetzung des Planetengetriebes am Elektro-Antriebsmotor. Diese Maßnahme erlaubt dank der veränderbaren Drehzahl einen kleineren bzw. leistungsstärkeren Elektromotor.
• Mit dem Mercedes-Benz W221 bietet Mercedes-Benz als erster deutscher Hersteller seit Sommer 2009 ein Hybridauto an. Hier werden auch erstmals in einem Hybridauto Lithium-Ionen-Akkumulatoren verbaut. Dabei ist es auch gelungen, die komplette Hybridtechnik unter der Motorhaube zu platzieren. Das System wurde gemeinsam mit BMW entwickelt.^[20]
• Der Peugeot 3008 HYbrid4 ist das weltweit erste Serienfahrzeug mit Diesel-Hybridantrieb. Das Fahrzeug ist seit März 2011 verfügbar.^[21][22] Peugeot kombiniert einen 2.0-HDi-Motor mit 120 kW (163 PS) Leistung mit einem 27-kW-(37-PS-)Elektromotor. Der Dieselantrieb wirkt dabei nur auf die Vorder-, der Elektroantrieb lediglich auf die Hinterachse. Der Durchschnittsverbrauch liegt bei 3,8 l/100 km,^[23][24] der CO₂-Ausstoß bei 99 g/km^[25].

Prototypen und Neuentwicklungen ab 2005

• General Motors hat den Chevrolet Volt im August 2010 in den Vereinigten Staaten eingeführt und wird den in diesem Fahrzeug verwendeten E-Flex-Antrieb im ersten Quartal 2012 in Europa im fast baugleichen Opel Ampera auf den Markt bringen.
• DaimlerChrysler stellte 2005 auf der IAA ein Getriebe vor, das nach einem konventionellen Getriebe, nachgeschaltet zwei E-Motoren hat.
• PSA Peugeot Citroën hat einen serienreifen Diesel-Elektro-Hybrid-Antrieb als Demonstrationsmodell entwickelt, welcher in einem Serien-Peugeot 307 und im Citroën C4 derzeit getestet wird. 2010 soll der Antrieb im Peugeot 308 erstmals auf den Markt kommen. Der Elektromotor sitzt nicht mit dem Verbrennungsmotor auf einer Achse, sondern wird auf einem neu entwickelten Antriebsstrang zwischen Motor und Getriebe gekoppelt. Der Dieselmotor hat 66 kW (90 PS), der Elektromotor hat eine Dauerleistung von 16 kW bei einem Drehmoment von 80 Nm und einer Spitzenleistung von 23 kW bei einem Drehmoment von 130 Nm. Der Verbrauch soll sich auf 3,4 Liter auf 100 Kilometer belaufen. Die Fahrleistung soll einem 110-PS-Diesel-Fahrzeug der Mittelklasse entsprechen. Energierückgewinnung, Abschaltautomatik und elektronisches Antriebsmanagement funktionieren ähnlich wie beim Prius. Das erste Modell mit diesem Antriebskonzept - der Peugeot 3008 HYbrid4 - ist seit März 2011 verfügbar.^[21]
• Volkswagen, Audi und Porsche arbeiten zusammen an der Entwicklung eines Hybridantriebs. Auf der IAA 2007 wurden erste Prototypen der Fahrzeuge u. a. einen Golf V hybrid gezeigt. Die Markteinführung war für 2008 geplant. Der gezeigte Porsche Cayenne Hybrid hat einen neuartigen Parallelhybrid, die Hybrideinheit wird dabei einfach zwischen Verbrennungsmotor und normales Automatikgetriebe gebaut. Porsche verspricht so 50 kg Gewichtsvorteil gegenüber dem leistungsverzweigten Vollhybrid, da auf einen zusätzlichen Generator verzichtet werden kann. Auch der ab 2009 produzierte Porsche Panamera soll ab 2010 als Hybridvariante auf den Markt kommen.
• Zahlreiche kleine Unternehmen entwickeln Hybridautos, meist Leichtfahrzeuge als seriellen Plug-In-Hybrid, die oft parallel auch in Versionen als reine Elektroautos entstehen. Ein Beispiel ist die amerikanische Aptera Motors mit dem Aptera.
• Fisker Automotive entwickelt den Plug-in-Hybriden Fisker Karma, der als Prototyp 2008 auf der Auto Show in London vorgestellt wurde und bei Valmet Automotive in Finnland produziert werden soll.
• In der Schweiz hat die Firma swisscleandrive einen parallel plug-in Hybridantrieb entwickelt und als Prototyp im Fiat 500 an der Autozürich 2009 vorgestellt. Das Auto kann 20–30 km rein elektrisch fahren, verfügt über 4×4 im Hybridmodus und hat 122 PS Leistung. Der Verbrauch liegt je nach Fahrmodus zwischen 0 und 5 Litern Benzin sowie zwischen 0 und 20 kWh Strom/100 km. Eine Vorserie des Fiat 500 swisscleandrive soll 2011 auf den Markt kommen, ausserdem wird die patentierte Steuerung auf weitere Autos adaptiert.
• Der russische Unternehmer Michail Prochorow stellte am 13. Dezember 2010 drei Prototypen des russischen ё-mobil vor, die einen Wankelmotor und Generator im Dauerbetrieb für die Versorgung von zwei Elektromotoren nutzen, während ein supercap-Kondensator vergleichsweise geringer Kapazität zur Pufferung genutzt wird. Die Höchstgeschwindigkeit ist mit 130 km/h projektiert, der Verzicht auf einen größeren Fahrakku soll eine geringere Masse und damit Verbrauch als bei anderen Konstruktionen ermöglichen. Für umgerechnet ca. 10.000 € soll das Fahrzeug in Russland mitte 2012 erhältlich sein.^[26]
• Für 2011 kündigte Mercedes-Benz auf dem Genfer Automobilsalon 2010 den E 300 BluTEC Hybrid an und präsentierte einen Seriennahen Prototypen. Mercedes-Benz kombiniert in diesem Dieselhybrid-Personenwagen einen 4 Zylinder Dieselmotor mit einem Elektromotor. Der Elektromotor wird im Generatorbetrieb zusätzlich zur Bremsenergie-Rückgewinnung (Rekuperation) genutzt. Der Durchschnittsverbrauch des E 300 Hybrid liegt laut Herstellerangaben bei 4,1 Litern auf 100 km, das entspricht einer CO-2 Emission von 109 g pro gefahrenen Kilometer. ^[27]

Busse und Lastkraftwagen

Hybridantriebe werden auch in verschiedenen Lastkraftwagen und Bussen eingesetzt, beispielsweise im Leicht-LKW Canter Eco Hybrid oder dem Aero Niederflur-Hybridbus, beide von der Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corporation und den Hybridbussen Urbino 18 Hybrid von Solaris Bus & Coach in denen ein Hybridsystem von Allison Transmission verbaut ist. In den USA bietet der LKW-Hersteller Peterbilt Hybrid-LKWs an.^[28]

Ein zusätzlicher Vorteil bei Hybrid-Stadtbussen ist, dass kurze Strecken (zum Beispiel in Altstädten) durch ausschließliche Nutzung des Elektroantriebes emissionslos befahren werden können.

AnsaldoBreda bietet in Italien in Serie hergestellte Hybridbusse für den Stadtverkehr an (AlterEco). Diese Busse werden seit einigen Jahren in Bologna eingesetzt. Schon Mitte der 1990er Jahre wurden in Ferrara Stadtbusse versuchsweise auf Hybridantrieb umgerüstet.

Verbreitung in Deutschland

Nach Angaben des Kraftfahrtbundesamtes (KBA) umfasste der Bestand an Hybridelektrokraftfahrzeugen zum

• 1. Januar 2007 11.275 Fahrzeuge;
• 1. Januar 2008 17.876 Fahrzeuge, davon 17.307 Personenkraftwagen;
• 1. Januar 2009 22.330 Fahrzeuge;^[29]
• 1. Januar 2010 28.862 Fahrzeuge.^[30]
• 1. Januar 2011 37.256 Fahrzeuge.^[31]

siehe auch Bestand an Personenkraftwagen in Deutschland

Öffentliche Förderung

In mehreren Ländern wird der Kauf und/oder der Betrieb von Hybridfahrzeugen subventioniert.

• Deutschland: Die Käufer haben seit Januar 2005 keine steuerlichen Vorteile mehr wegen des Wegfalls der Euro-4-Steuerbefreiung.
• Frankreich: Die prime écologique gouvernementale beträgt – seit Juli 2007 und derzeit bis 2009 – 2.000 Euro, verbunden mit Versteuerung in der niedrigsten Klasse.
• Großbritannien: Der Käufer erhält einmalig 1.000 Pfund (etwa 1.150 Euro im August 2009) auf den Kaufpreis und das Auto wird in der niedrigsten Klasse versteuert.
• Niederlande: Die Motorfahrzeugsteuer wird ganz erlassen.
• Österreich: Käufer von Hybridfahrzeugen erhalten ab Juli 2008 einen Bonus in Höhe von 500 Euro (mit Mehrwertsteuer 600 Euro) auf die Normverbrauchsabgabe (NoVA).
• Schweden: Beim Kauf eines umweltfreundlichen Autos (Miljöbil) wird eine Prämie in Höhe von 10.000 schwedischen Kronen (etwa 1.000 Euro im August 2009) gezahlt.
• Schweiz: Die Motorfahrzeugsteuer wird ganz (z. B. im Kanton Basel-Landschaft unbeschränkt und im Kanton Genf während drei Jahren) oder teilweise (z. B. Kantone Zürich, Basel-Stadt, Luzern, Tessin und Graubünden) erlassen.
• Vereinigte Staaten: Der Käufer erhält seit Januar 2006 eine verbrauchsabhängige Prämie für den Kauf von Hybridfahrzeugen. Diese Prämie wird an die Käufer der ersten 60.000 Hybridfahrzeuge eines Herstellers ausgezahlt.

Siehe auch

• Alternative Antriebe
• Elektroauto

Weblinks

• Hybrid-Elektrofahrzeuge: Strukturen, Entwicklungen (PDF-Datei; 3,00 MB)
• Übersicht aller aktuellen Hybridfahrzeuge (sowohl Serie, als auch Prototypen)

 Commons: Hybrid-powered vehicles – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

1. ↑ Richtlinie 2007/46/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 5. September 2007 zur Schaffung eines Rahmens für die Genehmigung von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern sowie von Systemen, Bauteilen und selbstständigen technischen Einheiten für diese Fahrzeuge Amtsblatt der Europäischen Union, L263, 9. Oktober 2007, S. 5 (pdf-Datei)
2. ↑ (UNECE Vehicle Regulations), Regulation No. 101, Revision 2 United Nations Economic Commission for Europe (UNECE), Transport Division, 29. April 2005, S. 6 (in englischer Sprache) (pdf-Datei)
3. ↑ Naunin, Dietrich: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (3. Auflage), expert-Verlag, Renningen, 2004
4. ↑ Chevrolet Volt: Wie elektrisch fährt dieses Elektroauto? SPIEGEL online, 15. Oktober 2010
5. ↑ How GM "Lied" About The Electric Car Jalopnik-Internetportal, 11.Oktober 2010 (in englischer Sprache)
6. ↑ Chevy Volt: Elektroauto, Hybrid oder was? TecZilla-Internetportal, 18. Oktober 2010
7. ↑ Chevrolet Volt: Wie elektrisch fährt dieses Elektroauto? SPIEGEL online, 15. Oktober 2010
8. ↑ Paul Lienert: Converj Hybrid morphs into 2014 Cadillac ELR www.insideline.com-Internetportal, 17. August 2011 (englisch)
9. ↑ Stephanie Kriebel: Mercedes Concept B-Class E-Cell Plus: IAA 2011: Der Ampera von Mercedes AutoBILD online, 13. September 2011
10. ↑ Stefan Leichsenring: Mercedes Concept B-Class E-Cell Plus: Jetzt erprobt auch Daimler das Ampera-Konzept www.auto-news.de-Internetportal, 23. September 2011
11. ↑ Halbjahresbericht 2009, Mindset Holding, 22. September 2009 (insb. Seite 8, Kapitel Fortführung)
12. ↑ Geldnöte: Machtkämpfe erschüttern Mindset, Neue Luzerner Zeitung, zisch.ch, 16. Februar 2010
13. ↑ Elektroautos: Mindset schreibt tiefrote Zahlen, Luzerner Zeitung, zisch.ch, 1. April 2010
14. ↑ Hybrid Vehicles Gain Traction Scientific American, 26. März 2006 (in englischer Sprache)
15. ↑ http://www.wien.gv.at/feuerwehr/geschichte/oldtimerelektro.htm
16. ↑ Buch der Synergie, Teil C: Elektromobile und Hybridfahrzeuge Buch-der-Synergie-Internetportal
17. ↑ Die Hybrid-Technologie für KFZ: Wann und wie entstand sie? hybrid-infos.de-Internetportal
18. ↑ Der Hybridantrieb Automobilelektronik WS 2006/2007 (pdf-Datei)
19. ↑ Toyota verkauft mehr als 3 Millionen Hybridfahrzeuge
20. ↑ Mercedes S400 BlueHybrid: Der weiße Riese, Süddeutsche Zeitung, 11. Mai 2009
21. ↑ ^{a b} Peugeot.de: Peugeot 3008 Hybrid4 Limited Edition ab sofort bestellbar. Newsletter 03/2011.
22. ↑ Autotopnews.de: Peugeot 3008 HYbrid4: Reservation für erste 300 Exemplare. Meldung vom 1. März 2011.
23. ↑ Jens Dralle: Peugeot 3008 Hybrid: Crossover mit Diesel-Hybrid im Fahrbericht. auto, motor und sport, Meldung vom 7. August 2009
24. ↑ Peugeot 3008 Hybrid - Kraft der zwei Herzen. Hintergrundbericht der Financial Times Deutschland
25. ↑ Peugeot.de :Peugeot 3008 HYbrid4 Showroom. Abgerufen am 18. Mai 2011
26. ↑ Billionaire Backs a Gas-Electric Hybrid Car to Be Built in Russia, New York Times, 13. Dezember 2010 (in englischer Sprache)
27. ↑ http://blog.mercedes-benz-passion.com/2011/06/von-der-vorkammer-zu-bluetec-hybrid-%E2%80%93-diesel-meilensteine-und-mercedes-benz
28. ↑ http://www.peterbilt.com/hybrid386.1.aspx
29. ↑ KBA: Fahrzeugbestand 2009
30. ↑ KBA: Fahrzeugbestand 2010
31. ↑ KBA: Fahrzeugbestand 2011