Mensch und Fahrzeug

Bild 2-49 Wie Bild 2-47, aber mit Angabe des Gesamtwirkungsgrades der elektrischen Kraftübertragung etag (links) und dem Moment M2 der elektrischen Maschine EM2.

Den auf die Leistung am Antriebsrad P bezogene spezifischen Verbrauch bsp (g/kWh) und den Mehrverbrauch (%) gegenüber dem Bestpunkt (231 g/kWh) zeigt Bild 2-50.

Bild 2-50 Wie Bild 2-47, aber spezifischen Verbräuchen (links) und Mehrverbrauch gegen den Bestpunkt (%).

Minimal ist bsp, bzw. der Mehrverbrauch MVB bei der Drehzahl Ζ = 200/s und der Leistung P = 32 kW: 233 g/kWh, bzw. 1 % Mehrverbrauch. Einen grafischen Vergleich des bsp im Kennfeld des Verbrennungsmotors und des Hybridantriebs zeigt Bild 2-51.

Bild 2-51 „Muscheldiagramm“ des Verbrennungsmotors (links) und des Verzweigungshybriden mit gleichem Verbrennungsmotor, Betriebslinie nach Bild 2-46 (rechts).

Die kleinen Rechtecke zeigen die Leistungsgrenze, die sich beim Verzweigungshybriden bis Ζ = 0 erstreckt, allerdings mit abnehmendem Wert infolge schlechteren Wirkungsgrades. Gepunktet ist die Fahrwiderstandlinie bei Straßenlast und einer Übersetzung i = 0.2 m/rad eingetragen. Sie entspricht dem Wert Ζv = 400 und Pv = 55 kW. Die Felder der Wirkungsgrade, bzw. des spezifischen Verbrauches besp = 240, 260, 300,...g/kWh sind beim Verzweigungshybriden kleiner, der Verbrauch also bei fast allen Geschwindigkeiten größer.

In beiden Fällen liegen die minimalen bsp um die Gesamtübersetzung von i = 0.2 m/rad. Der Unterschied liegt darin, dass sie beim Verbrennungsmotor knapp neben der Leistungsgrenze liegt, also keine Überschussleistung bietet, während sie beim Hybridantrieb mitten im Feld liegt. Die Leistungskennlinie des Pv(Ζv) Diagrammes wird aus die Gerade im P(w)-Diagramm abgebildet. Dass sich für den Hybridantrieb zwingend eine Gesamtübersetzung nahe i = 0.2 m/rad ergibt, geht aus Bild 2-52 hervor: einem Mehrverbrauch von 1.5 % bei 32 kW steht einem von 17.4 % bei i = 0.3 und von 20.1 % bei i = 0.15 gegenüber. Alle drei Punkte liegen allerdings mit 150 km/h bei Straßenlast außerhalb des Hauptfahrbereiches. Bei 85 km/h beträgt der Mehrverbrauch 32.2/18.5/28.1 %, bei 140 km/h 14/2.6/19.4 % bei der Übersetzung i = 0.3/0.2/0.15.

Für die charakteristischen Punkte Pv = 55 kW, 48.1 kW und 32 kW ergeben sich die in Bild 2-53a gezeigten Besonderheiten: P = 48 kW werden vom Punkt Pv = 48 kW (maximales Drehmoment) mit 251 g/kWh geliefert. Erhöht man bei gleicher Drehzahl Ζ · Pv weiter, dann steigt bsp auf 310 gr/kWh, nicht aber die abgegebene Leistung P. Mit der Gesamtübersetzung

Bild 2-53d Das aus Bild 2-53c folgende Verbrauchskennfeld.

Im Bild 2-53a rechts ist das Momentenkennfeld M(w) für i = 0.2 m/rad dargestellt. Gepunktet sind die Fahrwiderstandslinien für die Steigungen st = 0 bis st = 30 % eingezeichnet, Kennlinien für die Maximalleistung Pv = 55 kW und den Bestpunkt Pv = 32 kW. Der spezifische Verbrauch bsp steigt mit der Steigung rasch an: er beträgt bei Volllast für st = 30 % etwa 400 g/kWh, für st = 20 % 380, für 10 % 355 und für 5 % 335 g/kWh. Bei Betrieb im Bestpunkt fallen bei st 20 % 290 gr/kWh an, wo beim konventionellen Betrieb mit Schaltgetriebe 232 gr/kWh erreichbar wären. Um die schlechten Wirkungsgrade der elektrischen Maschinen nahe ω = 0 und M = 0 zu untersuchen, ist in Bild 2-53c eine Näherung dafür angenommen. Bild 2-53d zeigt die daraus folgenden spezifischen Verbräuche, die nun im Vergleich zu Bild 2-50 nochmals schlechter sind.

Bild 2-54 zeigt einen 550 m langen Fahrzyklus mit 50 km/h Höchstgeschwindigkeit. Es ergibt sich ein Überschuss an elektrischer Energie von 90 kWs. Diese könnte bei einer Zykluszeit von 110 s eine elektrische Leistung von 820 W abdecken.

2.7.3.2.1 Verzweigungshybrid für Zweiachsantrieb

Wirkt die elektrische Maschine EM2 nicht auf die vom Verzweigungsgetriebe kommenden Antriebswelle (wie in Bild 2-44) sondern auf eine andere Achse, so ergibt sich Bild 2-54a. (Der Toyota Lexus 400 verwendet eine solche Anordnung.) Es gelten die gleichen Gleichungen, nur dass nun das Moment M2 von EM2 auf die andere Achse b wirkt und dort die Zugkraft Zb = M2/i erzeugt. Auf die Achse a wirkt also das Motormoment Mv, ihre Zugkraft ist

Mv/i.

2.7.3.3 Vergleich Verbrauchseinsparung

Minimaler Verbrauch ergibt sich aus möglichst kleinen Fahrwiderständen, also kleiner Masse m (kg), kleiner Luftwiderstandsfläche cwA (m2) und möglichst großem Wirkungsgrad des Antriebs. Diesem Ziel stehen andere Wünsche an das Fahrzeug gegenüber: ausreichender Innenraum (gemessen an den seltenen Bedürfnissen einer großen Urlaubsreise), Sicherheit beim Unfall (Strukturfestigkeit, Rückhalteeinrichtungen), Klimatisierung (Zusatzheizung, Klimakompressor), Servoeinrichtungen (Bremse, Lenkung), Assistenzsysteme (ABS, ESP), Automatikgetriebe, Allradantrieb, Informationsmittel (Radio, Navigation), Fahrspaß, permanenter Leistungsüberschuss, Erfüllung der schärfsten Abgasvorschriften, kleiner Preis. Das für den betreffenden Fall optimale Fahrzeug ergibt sich erst aus der Einschätzung und Abstimmung aller Wünsche aufeinander. Die Spannweite der Antwort hängt von der Breite des Angebotes auf dem Fahrzeugmarkt ab und der Häufigkeit, mit der bestimmte Angebote gewählt werden. Ginge es nur nach dem Verbrauch, dann könnten die Fahrzeuge gar nicht „einsitzig, einzylindrig, einspurig, viertaktik und dieselig“ genug sein. Der Verbrauch eines solchen Fahr-

Der Hauptfahrbereich liegt zwischen 20 und 40 m/s (72 und 144 km/h) bei der Steigung 0 % (Straßenlast). Leistung und Verbräuche für das Minimalfahrzeug liegen daher zwischen 1 und 5 kW, bzw. zwischen 0.4 und 1 l/100 km, für das „normale“ (günstige) Auto zwischen 5.6 und 29 kW, bzw. 2.2 und 5.7 l/100 km. Die Zeile 40 m/s und 5 % wurde als Wunschziel eingefügt: die Fahrer wünschen eine Motorisierung, die sie eine Autobahnsteigung von 5 % mit voller Geschwindigkeit fahren lässt. 30 kW erlauben zwar das Erreichen der zulässigen Autobahngeschwindigkeit oder 144 km/h bei Straßenlast, aber dieses Fahrzeug ist eigentlich nur für den Stadtverkehr und relativ kurze Entfernungen zu empfehlen.

Motorleistung

Die Entscheidung zwischen 33 und 55 kW hat aber weit reichende Folgen, Bild 2-55: mit beiden Motoren kann im langen Gang (i = 0.15, bzw. 0.18 m/rad) bei allen Geschwindigkeiten im relativen Verbrauchsminimum gefahren werden. Der Mehrverbrauch gegen den Bestpunkt (= dem absoluten Verbrauchsminimum) liegt aber beim 55 kW Motor bei 90 km/h, bei 20 %, bei 105 bei 10 % und bei 117 km/h bei 5 %. Der beste Wirkungsgrad wird bei 154 km/h erreicht. Dieser Wert liegt beim 33 kW Motor bei 130 km/h, wird also viel häufiger genutzt. Allerdings beträgt auch hier der Mehrverbrauch bei 75 km/h noch 20 %. Durch Intermittierendes Beschleunigen ist also auch noch bei der relativ kleinen Leistung ein Verbrauchsvorteil möglich. Beim 55 kW Motor sind bei 80 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit 30 % zu holen.

Bild 2-55 Leistungs-/Drehzahlkennfeld Pv(wv) eines 55 kW Motors (links) mit der Leistung für Straßenlast für drei verschiedene Übersetzungen und Linien gleichen spezifischen Verbrauchs. Gepunktet ist die Leistung eines 33 kW Verbrennungsmotors + 27.5 kW Elektromotors eingezeichnet. – Rechts: Leistungs- /Drehzahldiagramm eines 33 kW Verbrennungsmotors mit dem Leistungsbedarf bei Straßenlast für i = 0.105 und 1.5 und Linien gleichen spezifischen Verbrauchs. Gepunktet sind die Leistungen des E-Motors allein und des Verbrennungsmotors + E-Motor.

Eine Möglichkeit, den Verbrauch im Teillastgebiet zu verringern, bietet die Zylinderabschaltung. Weil aber die abgeschalteten Zylinder mitgeschleppt werden müssen, liegt der spezifische Verbrauch aber in jedem Fall höher als bei einem entsprechend kleineren Motor.

Wenn das Auto nahe dem Verbrauchsminimum betrieben werden soll, ist eine Schwungnutzautomatik (SNA) unerlässlich: der Motor darf nur im Gebiet besten Wirkungsgrads betrieben werden, oder er muss abgestellt sein.

Im Stadtverkehr schlägt wegen der langen Stillstandzeiten der Leerlaufverbrauch zu Buche, der der Spitzenleistung etwa proportional ist. Das spricht für den schwächeren Motor. Wenn allerdings der Motor abgestellt wird, wenn keine Leistung erforderlich ist, fällt dieses Argument weg.

Der Verbrauchsnachteil des leistungsstärkeren Motors kann abgesehen vom Mehrgewicht durch den SNA Gebrauch weitgehend aufgehoben werden (kein Leerlaufverbrauch).

Ordnet man die möglichen Verbrauchseinsparungen nach den einzelnen Faktoren, dann ergibt sich folgendes:

ξdie Fahrzeugmasse geht in den Rollwiderstand und den Beschleunigungsund Steigungswiderstand ein, der möglicherweise durch Bremsen verloren geht. In den letzten Jahren ist die Fahrzeugmasse eher gestiegen: Ursache ist der Wunsch nach Komfort und Sicherheit (Klimaanlage, Allradantrieb, automatische Getriebe, Airbags, Fahrerassistenzsysteme, SUV (sport utility vehicles) statt PKW), höhere Fahrzeuge wegen besserer Sicht und Zugänglichkeit (Golf Plus, Touran).