Antriebstechnik Continental elektrifiziert Fahrzeuge nach Maß

Autor / Redakteur: Bernhard Klein, Director Business Development und Ralf Schmid, Vice President Research & Development, BU Hybrid Electric Vehicle, Division Powertrain, Continental / Michael Ziegler

Reine Elektrofahrzeuge befinden sich zurzeit noch in einer Nische. Umso wichtiger ist es, elektrische Energie als Teil des Antriebs zusätzlich auf anderen Wegen in die Serie zu bringen. Continental wird das mit einem Technologiebaukasten für die Elektrifizierung tun.

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(Foto: Continental)

Auch wenn sich Elektrofahrzeuge nicht so schnell durchsetzen wie zeitweise erwartet, ist der Grundgedanke, elektrische Energie im Antrieb eines Fahrzeugs zu nutzen, unbestritten richtig. Lediglich die Gleichsetzung von Elektrifizierung und rein elektrischem Fahren verengt die Sichtweise zu sehr.

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Das spiegelt sich in den aktuellen Diskussionen in der Automobilbranche wider. Um die Vorteile der elektrischen Energie im Antriebsstrang möglichst stark nutzen zu können, besinnt man sich darauf, dass Verbrennungsmotor und Elektromotor eine ideale Kombination sind. Der Hybrid ist zurück. Und in ganz besonderem Maße gilt das für den Plug-in-Hybrid. Es sind drei Stärken, die ihn auszeichnen. Zwei davon teilt er mit anderen Hybridversionen:

  • Da ein Elektromotor fast sein volles Drehmoment aus dem Stand entwickelt, kann er den Verbrenner dann unterstützen oder ersetzen, wenn dieser besonders ineffizient arbeitet (Lastpunktverschiebung). Je nach Auslegung des Fahrzeugs und der Batterie kann der Hybrid ein begrenztes elektrisches Fahren mit typischerweise 5 bis 10 km Reichweite ermöglichen.
  • Beim generatorischen Bremsen gewinnt der Elektromotor kinetische Energie zurück, die bei konventionellen Fahrzeugen als Wärme und/oder Schleppmoment verloren geht.
  • Durch die Möglichkeit, an der Steckdose nachzuladen, genügt im Plug-in-Hybrid eine kleinere Batterie als im Elektrofahrzeug, weil beispielsweise 50 km elektrische Reichweite für die meisten täglichen Strecken ausreichen. Mehr muss die Batterie nicht leisten, denn entweder wird anschließend nachgeladen, oder der Verbrennungsmotor übernimmt auf der Langstrecke.

Trotz dieser prinzipiellen Vorteile stockt die Elektrifizierung. Nur eine Form der Hybridisierung hat wirklich den Sprung in die Massenfertigung geschafft: Start-Stopp-Systeme als Teil einer 12-V-Architektur haben sich auf breiter Front durchgesetzt. Sie bilden die Einstiegsstufe in die Elektrifizierung. Früher hätte man hier von einem Mikro-Hybrid gesprochen. Warum sind diese Systeme solche Selbstläufer? Weil die Start-Stopp-Technik vergleichsweise günstig ist, mit einem messbaren Verbrauchsvorteil und transparentem Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Nächste Stufe: Mild Hybrid

Schon bei der nächsten höheren Stufe der Hybridisierung, dem Mild Hybrid, liegen die Dinge anders. Im Mild Hybrid wird wesentlich aufwendigere Hochvolttechnik eingesetzt, um größere Verbrauchsvorteile zu erzielen. Wegen der Spannungslage von typischerweise um 120 V, den damit verbundenen Sicherheitsanforderungen und den tieferen Eingriffen in die Fahrzeugarchitektur, existiert zwischen dem 12-V-Start-Stopp und dem Mild Hybrid ein sprunghafter Kostenanstieg. Erst recht gilt das für den Kostensprung von Start-Stopp zu einem Vollhybrid mit Spannungslagen von 200 V bis zu 450 V. Die Erfahrung lehrt, dass viele Autofahrer vor einer solchen Preishürde zurückschrecken.

Für Continental war diese Situation Anlass, nach einer Lösung zu suchen, mit der sich die Anforderungen der Autofahrer feiner abgestuft in eine Fahrzeugelektrifizierung umsetzen lassen. Vor allem sollte es möglich sein, existierende Fahrzeuge mit maßgeschneiderten Elektrifizierungsstufen anbieten zu können – nicht ganz unähnlich einer Ausstattungsvariante. Dafür fehlte allerdings bisher die technische Grundlage.

Es galt, die Lücke zwischen 12-V-Start-Stopp und den Hochvoltsystemen zu schließen und bei Hochvoltarchitekturen den Integrationsaufwand zu senken.

Leicht integrierbare Niedervolt-Hybridtechnik

Sobald das Potenzial der existierenden 12-V-Technik ausgeschöpft ist, schafft eine zweite Spannungslage von 48 V als Ergänzung des herkömmlichen Bordnetzes die Möglichkeit, viele Mild-Hybrid-Funktionen umzusetzen, ohne dafür Hochvolttechnik zu nutzen. Ein solcher 48 V Eco Drive ist kosteneffizient, weil durch den Einsatz von Spannungen unter 60 VDC laut ECE-R 100 keine Maßnahmen zum Berührungsschutz notwendig sind. Auch sind keine Eingriffe in die Motor- und Getriebekonfiguration erforderlich. Die niedrigere Spannung bedeutet zwar eine kleinere Rekuperationsleistung als bei den Hochvoltsystemen, kann aber mit einem Potenzial von bis zu 13 Prozent Einsparung (im NEDC) in der letzten Ausbaustufe bereits einen beachtlichen Beitrag zur Erreichung der Emissionsgrenzen leisten und das bei relativ geringen Aufwänden zur Umsetzung (siehe Diagramm unten). Die genannte Verbrauchseinsparung ergibt sich aus der Rekuperation und einer erweiterten Start-Stopp-Funktion, die das Abschalten des Verbrennungsmotors bereits vor dem Stillstand des Fahrzeuges ermöglicht (Sailing und Coasting als Fahrstrategien). Ein Teil der Effizienz wird dadurch erreicht, dass sich Verbraucher mit höherem Energiebedarf (> 2,5 kW) bei 48 V günstiger betreiben lassen.

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Die 48-V-Maschine startet den Verbrenner leise und komfortabel innerhalb von nur 140 Millisekunden. Damit entfällt der Hauptgrund, warum Start-Stopp-Systeme in heutigen Fahrzeugen deaktiviert werden. Außerdem steht der 48-V-Start-Stopp-Betrieb auch bei -10 °C noch ständig zur Verfügung. Die höhere Kapazität der Li-Ionen Batterie ist zudem ausreichend, um die Verbraucher im Fahrzeug auch in längeren Stillstandsphasen mit elektrischer Energie zu versorgen, ohne dass der Verbrenner eingeschaltet werden muss.

Drehmomentunterstützung beim Anfahren

Zur Funktionalität des 48 V Eco Drive gehört eine Drehmomentunterstützung beim Anfahren: Es kann ein Moment in der Höhe des Verbrenner-Leerlaufmoments elektrisch hinzugefügt werden. Bei Lastwechseln dient diese Fähigkeit zum „boosten“. Für diese zukunftsweisende Technik hat Continental ein 48-V-Eco-Drive-Demonstrationsfahrzeug aufgebaut. Dabei wurde ein System mit Riemenstartergenerator (RSG) gewählt. Dieser hat den Vorteil, dass er sehr leicht im Fahrzeug zu integrieren ist, da er den bisherigen Generatorbauraum nutzt. Um den Wechsel zu erleichtern, hat Continental die notwendige Elektronik in den Motor integriert. Die Batterie aus dem Hause SK Continental E-motion, einem Joint Venture zwischen SK-Innovation und Continental, unterscheidet sich in ihren Abmessungen kaum von einem 12-V-Blei-Säure-Akku – bei deutlich größerem Energieinhalt und höherer Leistung.

In den bisherigen Versuchsfahrten hat sich gezeigt, dass der Verbrenner während der Fahrstrecken wesentlich häufiger und länger ausgeschaltet wird als das bei bisherigen Start-Stopp-Systemen möglich war. Der hohe Anteil an Segelbetrieb (Sailing) und Ausrollphasen (Coasting) sowie Rekuperation hat sich bereits bestätigt.

Daher ist das Entwicklerteam um das Versuchsfahrzeug optimistisch, dass der für die erste Ausbaustufe simulierte Verbrauchsvorteil von 13 Prozent in den momentan laufenden Fahrversuchen bestätigt wird. Das gilt gerade für den Stadtverkehr, für den bei verschiedenen Versuchsfahrten schon deutlich höhere Werte gemessen wurden, und für neue realitätsnahe Zyklen mit vielen transienten Vorgängen wie etwa im WLTP-Zyklus.

Plug-in-Hybrid als 1,5-l-Auto

Es ist nachvollziehbar, dass sich ein 48 V Eco Drive gut in ein existierendes Fahrzeug integrieren lässt. Aber gelingt dieser Kunstgriff auch bei einem Vollhybrid? Ist es prinzipiell möglich, eine Plug-in-Hybridfunktion ähnlich wie eine Ausstattungsvariante nachzurüsten? Continental hat mit seinem Plug-in-Hybrid-Innovationsfahrzeug den Nachweis angetreten, dass auch diese Form der Elektrifizierung nach Maß eine echte Option ist. Unter der Maßgabe, bei den Mehrkosten für einen Plug-in-Hybrid zum Serienzeitpunkt konkurrenzfähig zum Dieselfahrzeug zu werden, hat Continental ein existierendes Fahrzeug umgerüstet und damit dessen CO2 Ausstoß von 127 g/km auf 40 g/km gesenkt. Das entspricht einem durchschnittlichen Verbrauch von nur noch 1,5 l Kraftstoff gemäß ECE-R101. Wohlgemerkt, ohne Eingriffe in die Motor- und Getriebekonfiguration. Lediglich die Steuerungen wurden angepasst.

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Im Versuchsträger arbeitet ein effizienter 1,2-l-Ottomotor (77 kW) mit Direkteinspritzung und Turbolader, der die Vorderachse über ein Doppelkupplungsgetriebe antreibt. In die Hinterachse wurde der elektrische Antrieb integriert. Er besteht aus einer kompakten Einheit von E-Motor (80 kW) mit hoch dynamischer Klauenkupplung, Untersetzungsgetriebe und Differenzial. Durch diese Konfiguration kann das Fahrzeug wahlweise konventionell, elektrisch oder vorübergehend mit Allradantrieb gefahren werden. Unter den Fahrer- und Beifahrersitzen ist eine Li-Ionen-Hochvoltbatterie mit 355 V Nominalspannung platziert. Die Steuerung übernimmt eine Leistungselektronik mit hoher Leistungsdichte. In ihr ist neben dem Inverter, der die Gleichspannung der Batterie in die notwendigen 3-Phasen-Ströme für den Elektromotor umwandelt (und umgekehrt) auch der DC/DC-Konverter integriert, der das 12-V-Bordnetz mit Spannung versorgt.

Optimale Fahrstrategie

Die genannte Effizienz basiert stark auf einem prädikativen Energiemanagement mit State-of-Charge-Prognose. Es nutzt Streckeninformationen, um gezielt die optimale Fahrstrategie für den aktuellen Streckenabschnitt zu wählen. Dabei können die Navigationsdaten so intelligent verarbeitet werden, dass das Fahrzeug bei längeren Strecken den reinen E-Modus erst zu einem späteren Zeitpunkt einschaltet, wenn der Fahrer eine „Zero-Emission-Zone“ durchfährt.

Der elektrische Antrieb des Plug-in-Hybrid stammt aus der Serienfertigung für Elektrofahrzeuge. Weitere Komponenten wurden aus dem 2011 als Innovationsträger aufgebauten Elektrofahrzeug übernommen. Dazu zählen zum Beispiel die elektrische Wasserpumpe, die elektrische Vakuumpumpe und das rekuperative Bremssystem. Damit kommen Komponenten zum Einsatz, die ursprünglich für Elektrofahrzeuge entwickelt wurden. Bei der Elektrifizierung nach Maß dienen sie dagegen im Rahmen eines Technologiebaukastens zur Optimierung von Hybridfahrzeugen. Elektrifizierung nach Maß ist ein Konzept, das durch fein abgestufte Skalierung eine kosteneffiziente Nutzung elektrischer Energie im Antrieb ermöglicht – und das bei existierenden Fahrzeugen ebenso wie im Elektrofahrzeug. Mit diesem Ansatz sollen Autofahrer den Elektrifizierungsanteil ihres Fahrzeugs besser an ihre Erwartungen anpassen können.

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