Mensch und Fahrzeug

Bild 2-35 Elektrisches System bestehend aus Bleibatterie und UltraCap-Kondensator, die mit einem DCWandler verknüpft sind nach der angegebenen Quelle. >Supercap + Bat, aus Gesamtzentrum für Verkehr Braunschweig, 4. 2. 2004 / H. Michel: EPCOS AG: Ultracap

Bild 2-36 zeigt die Vorteile des Hybridantriebs. Bei einem Fahrzeug ohne Hybridantrieb würde eine Gesamtübersetzung von etwa i = 0.13 m/rad gewählt. Die Höchstgeschwindigkeit wird gerade bei Höchstleistung erreicht, im mittleren Drehzahlbereich steht ein angenehmer Leistungsüberschuss zur Verfügung: der Fahrer kann ihn durch bloßes Gasgeben abrufen. Zum Beispiel stehen zwischen 125 und 150 km/h mehr als 20 kW Überschussleistung an, über 160 km/h sogar 30 kW. Dafür ist der spezifische Verbrauch bei 72 km/h mit 300 gr/kWh relativ hoch. Bei 144 km/h ist er um 14 % größer als im Bestpunkt. Wählt der Fahrer eine längere Übersetzung, z. B. 0.21 m/rad, dann kann er zwischen 40 und 50 m/s den günstigsten spezifischen Verbrauch nutzen. Bei 30 m/s (108 km/h) verbraucht er 15 % weniger als im kürzeren Gang. Dafür ist nun aber die verfügbare Überschussleistung unbefriedigend: zwischen 30 und 43 m/s hat er gerade noch 10 kW zur Verfügung. Deshalb und wegen des Leistungseinbruchs beim Zurückschalten werden diese langen Gänge von den meisten Fahren abgelehnt.

Ein Hybridantrieb ermöglicht den sparsamen Betrieb mit der langen Übersetzung, stellt aber trotzdem kurzzeitig eine ansprechende Überschussleistung zur Verfügung: im gewählten Beispiel zwischen 30 und 40 m/s etwa 25 kW. Einer Einsparung von 15 % steht der Mehraufwand für 28 kW elektrischer Leistung gegenüber. Es kann eine sehr lange, verbrauchsgünstige Übersetzung gewählt werden, weil der Fahrer dessen ungeachtet jederzeit eine Überschussleistung zur Verfügung hat. Aus der 38 % längeren Übersetzung und der genutzten Bremsenergie sollte sich ein Verbrauchsvorteil von 15 % ergeben sowie ein Geräuschund Verschleißvorteil infolge kleinerer Drehzahl. Freilich erhöhen sich die Fahrzeugmasse und die Komplexität des Systems.

Bild 2-36 Leistungs-Drehzahl-Diagramm eines Vollhybrid-Antriebs.

Mit der Übersetzung i = 0.21 m/rad liegt die Fahrwiderstandlinie bei Straßenlast (horizontale Fahrbahn, Windstille) im Bereich optimalen Wirkungsgrads: im Vergleich mit einer auf maximale Höchstgeschwindigkeit ausgelegten Übersetzung (i = 0.13) beträgt der spezifische Verbrauch bei 40 m/s = 144 km/h 210, statt 240 gr/kWh (-12.5 %), bei 30 m/s = 108 km/h 228 statt 270 gr/kWh (-15.5 %). Trotzdem hat der Fahrer in jedem Betriebspunkt eine Überschussleistung für kurze Steigungen, Überholvorgänge o. ä. zur Verfügung. Die Dauer-Höchstgeschwindigkeit im höchsten Gang beträgt zwar nur 175 km/h, vorübergehend können aber je nach Batteriegröße 206 km/h erreicht werden.

Die Energiebilanz einer kurzen Fahrstrecke zeigt Bild 2-37. Weil die Anfahrenergie kleiner als die Bremsenergie ist, ergibt sich eine elektrische Überschussenergie, die für den immer größer werdenden elektrischen Verbrauch sehr willkommen ist.

R. Knorr, M. Deiml und G. Lugert >2.4 beschreiben ein riemengetriebenes Starter-Generator- (RSG)-System mit 3.5 kW, das 200 Nm an der Kurbelwelle zur Verfügung stellt („MildHybrid“). Es ist ein Kondensator mit 150 F vorgesehen, der bei 20 V 30 kWs bei einer Masse von 3 kg speichert. Diese Auslegung ist eher für den Start-Stop-Betrieb als für eine Leistungsunterstützung geeignet.

Für ein Fahrzeug mit 1.6 l Hubraum wurde ein integriertes Starter-Generator-(ISG)-System vorgestellt. Es leistet 4 kW und stellt 200 Nm an der Kurbelwelle zur Verfügung. Der Kondensator wiegt 22 kg, hat 208 F und 374 kWs. Damit stehen 10 kW für 37 s zur Verfügung, die sowohl für Überlast als auch für einen Bremsprozess genutzt werden können. (374 kWs bedeuten für eine Fahrzeugmasse von 1500 kg eine kinetische Energie von 22.4 m/s=80 km/h, bzw. eine Fallhöhe von 25 m.) In verschiedenen Fahrzyklen wird eine Vebrauchseinsparung von 17–22 % erreicht.

J. Kuschel u. a. [2.4] berichten über einen diesel-elektrischen MAN-Bus, der mit UltraCaps mit einem Energieinhalt von 520 Wh = 1880 kWs (650 V) ausgestattet war. Damit konnte 11 s lang mit 100 kW beschleunigt werden. Geräusch und Leerlaufverbrauch an den Haltestellen wurde eingespart, die Bremsenergie genutzt.

Bild 2-37 Anfahrvorgang, konventionell und mit Vollhybrid

Daimler Chrysler hat einen Hybrid-Sprinter mit 70 kW E-Motor und 14 kWh Batterie der Presse vorgestellt, der ab 2009 auf den Markt kommen soll. Der E-Motor liegt entsprechend Bild 2-30a zwischen der Kupplung K1 und dem automatischen Getriebe. Bei geöffneter Kupplung K1 kann rein elektrisch unter Nutzung des automatischen Getriebes gefahren werden. Ist K1 geschlossen, dann treibt der Verbrennungsmotor Fahrzeug und je nach Ladezustand der Batterie die als Generator arbeitende elektrische Maschine. Während des Bremsens steht der Verbrennungsmotor (K1) offen, das automatische Getriebe hält die elektrische Maschine im günstigen Drehzahlbereich zum Aufladen der Batterie. Der Verbrennungsmotor läuft nur, wenn die elektrische Leistung nicht reicht oder der Ladezustand klein ist in Betriebspunkten, in denen sein spezifischer Verbrauch klein ist. Die Batterieenergie reicht für eine Fahrstrecke von 30 km, was einem durchschnittlichen Fahrwiderstand von 1680 N x eta entspricht. Die Batterie (zunächst Nickel-Metall 500 kg, später Lithium-Ionen 150 kg, 28 bzw 93 Wh/kg), Bild 2-33a. Die Batterie soll nachts vom Netz nachgeladen werden (Plug-in-Technologie), was mit der Nachladung aus Bremsvorgängen den ganzen Tag reichen könnte. Zwischendurch kann bei Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors bei gutem Wirkungsgrad nachgeladen werden. Der Mehrpreis soll 5000 € betragen. Rein rechnerisch wird die Einsparung zur Deckung der Mehrkosten (Lebensdauer der Batterie?) vielleicht nicht reichen, wenn gleich die Einsparung im Kurzstrecken-Stadtbetrieb beträchtlich sein kann. Aber den Sympathiegewinn des Elektroantrieb im Stadtverkehr kann sich der Betreiber auch gutschreiben.

Die Bilder 2-38 bis 2-40 setzen sich mit der Frage der Wirkungsgrade bei kleiner Geschwindigkeit auseinander.

Bild 2-42 Wie 2.41, aber mit i = 0.1 m/rad.

Bild 2-42 untersucht einen Serienhybriden ohne Schaltgetriebe. Diese Auslegung mit i = 0.18 m/rad betreibt das Fahrzeug bei Straßenlast nahe den Minimalverbräuchen. Trotzdem

gerade mit 2700 U/min, kurzzeitig ist eine Höchstgeschwindigkeit von 64 m/s = 230 km/h möglich. Zum Anfahren steht eine Zugkraft von knapp 3 kN zur Verfügung, mit schleifender Kupplung über 3 kN. Näher untersucht muss eine längere Bergfahrt beleuchtet werden. Soll ein Höhenunterschied von 1000 m überwunden werden, dann muss der Energieaufwand dafür allein aus der Batterie kommen, weil der Verbrennungsmotor etwa gerade die anderen Fahrwiderstände abdecken kann. Eine Batterie für 13200 kWs hat etwa eine Masse von 64 kg. Reicht im Extremfall die Batterie nicht, dann muss der Fahrer eine Zwangspause einlegen, in der die Batterie aufgeladen wird. Oder es steht eine APU (auxilary power unit) zur Verfügung, die die Reichweite der Batterie streckt. Wahrscheinlich ist es aber dann doch am einfachsten, eine Fahrstufe Low oder Berggang vorzusehen (Bild 2-42), der verbrennungsmotorisch 12 % Steigung bewältigt oder bei 10 % Steigung zwischen 12 und 29 m/s außerdem die Batterienachladen kann. Anstelle der teuren Batterie könnte dann ein viel leichterer Ultracap verwendet werden und auch der Elektromotor könnte weit schwächer dimensioniert werden (z. B. 20 kW statt 40 kW).

Eine andere Besonderheit ergibt sich, wenn das Fahrzeug längere Zeit bei sehr kleinen Geschwindigkeiten betrieben werden muss, z. B. im Stau mit gelegentlichem Nachrücken. Diese kleinen Geschwindigkeiten können nur rein elektrisch gefahren werden, was schließlich doch zur Erschöpfung der Batterie führen wird. In diesem Fall muss in Standpausen der Verbrennungsmotor nachladen. Er wird das nahe dem Bestpunkt des Verbrauchs machen, also z. B. wv = 200 und Pv = 32 kW. Für die halbe Ladung der Batterie von 13200 kWs würde er bei einem Wirkungsgrad von 80 % 4 Minuten dauern.

Dieses Fahrzeug würde alle Wünsche erfüllen: Betrieb nahe der optimalen Betrieblinie, kurzzeitiger Zugkraftüberschuss ohne Schaltvorgang, mäßiger Aufwand, Bremsenergierückgewinnung.

Bild 2-46 Angenommene optimale Betriebslinie BL im Leistungs-/Drehzahl Kennfeld. Sie liegt in der Nähe der Punkte mit dem besten Wirkungsgrad für die geforderte Leistung. WL bezeichnet die Fahrwiderstandsleistung bei einer bestimmten Übersetzung.

Diese Betrieblinie bildet sich im Kennfeld Bild 2-47 P(Ζ) ab, wo dann jedem Punkt eine Motordrehzahl wv und -leistung Pv zugeordnet ist. Einzelne Punkte der Betriebslinie bilden sich als Geraden ab: die Maximalleistung (Pv = 55 kW) als Gerade a, der Punkt größten Drehmoments (Ζv = 250, Pv = 48.092 kW) als dachförmiges Geradenpaar b und der Punkt besten Motorwirkungsgrades (Ζv = 200, Pv = 32 kW) als Geradenpaar c (ο siehe auch Bild 2-53). Gepunktet eingezeichnet sind die Straßenlast-Linien für verschiedene Gesamtübersetzungen i.

In Bild 2-48 ist die Leistung der elektrischen Maschine EM2 angegeben (P2) und die Drehzahl der EM1 (Ζ1). Um einen guten Gesamtwirkungsgrad zu erreichen müssen P2 und Ζ1 so klein wie möglich sein. Bild 2-49 gibt den Gesamtwirkungsgrad der Übersetzung an (etag = eta ges) sowie das Moment der EM2 (M2). Weil EM2 den größten Teil der Zugkraft bei kleinen Geschwindigkeiten aufbringen muss, steigt M2 dort stark an und bestimmt damit den Bauaufwand. Ein Drehmoment M2 von z. B. 615 Nm klingt zwar imposant, es darf aber nicht vergessen werden, dass es kein Getriebe mehr verstärkt. Bei einer Gesamtübersetzung von i = 2 entspricht es einer Zugkraft von 3075 N. Ein konventioneller Antrieb hat im 1. Gang aber z. B. eine Gesamtübersetzung von i = 0.022: ein Motormoment Mv erzeigt damit eine Zugkraft Z = Mv/i = 9100 N, also fast dreimal so viel.