48-Volt-Bordnetz

Daimler und Renault: Erste 48-Volt-Mildhybride

| Autor / Redakteur: Wolfgang Pester / Thomas Günnel

Eine Möglichkeit für deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch sind 48-Volt-Mildhybride – Mercedes-Benz und Renault bringen die ersten Fahrzeuge auf den Markt.
Eine Möglichkeit für deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch sind 48-Volt-Mildhybride – Mercedes-Benz und Renault bringen die ersten Fahrzeuge auf den Markt. (Bild: Continental)

Die Emissionsgrenzwerte einzuhalten, verlangt von den Automobilherstellern technische Höchstleitungen. Eine Möglichkeit für deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch sind 48-Volt-Mildhybride – Mercedes-Benz und Renault bringen die ersten Fahrzeuge auf den Markt.

Die Emissionsgrenzwerte von Schadstoffen und Kohlendioxid (CO2) sind ambitioniert. Allein der obligatorische durchschnittliche Flottenverbrauch verlangt von den Herstellern technische Höchstleitungen. Entspricht doch das ab 2020 geforderte CO2-Emissionslimit von 95 g/km ein Verbrauch je 100 km beim Dieselmotor von etwa 3,6 Litern und beim Benzinmotor von rund 4,0 Litern. Die 48-Volt-Mildhybridtechnik kann helfen, den Kraftstoffverbrauch drastisch zu senken: durch eine 48-Volt-E-Maschine im Antriebsstrang, die teilweise allein Fahrzeugantrieb übernehmen kann, durch einen Rekuperationsmodus, der so viel Energie wie möglich an die Lithium-Ionen-Batterie liefert und durch elektrisch angetriebene Nebenaggregate. „Diese Art von milder Hybridisierung wird für uns ein Schlüsselkonzept für die Mobilität von morgen sein“, meint Prof. Dr.-Ing. Peter Gutzmer, Vorstandsmitglied und Leiter der Forschung & Entwicklung bei Schaeffler. Gutzmer glaubt fest daran, dass sich im Massensegment 48-Volt-Lösungen durchsetzen, wie er bei der Präsentation des neuen Prototypen „Gasoline Technology Car II“ (GTC II) betonte. Der Einstieg ist gemacht, wenn in wenigen Wochen die Mildhybridantriebe von Mercedes-Benz und Renault offeriert werden.

Renault Scénic noch 2016 mit Diesel-Mildhybrid

Renault will den Anfang machen und noch Ende 2016 den ersten Diesel-Mildhybridantrieb im kürzlich vorgestellten neuen Modell Scénic anbieten. Dort sitzt vorn am Vierzylinder anstelle der Lichtmaschine der „riemenangetriebene Startergenerator“ (RSG) – heißt, über den Riemen ist der Startergenerator (E-Motor) mit der Kurbelwelle des Diesels verbunden. Je nach Ausführung leistet der RSG dauerhaft 6 kW (zeitweilig 10 kW) und verfügt über ein Startdrehmoment von 60 Nm, das durch die Übersetzung im Riementrieb auf maximal 150 Nm erhöht werden kann. Den Strom bezieht der 48-Volt-RSG aus einem 0,145-Lithium-Ionen-Akku gleicher Spannung, der unterhalb des Kofferraumbodens montiert ist. Neben dem 48-Volt-Bordnetz gibt es weiterhin das mit zwölf Volt, das über den DC/DC-Wandler an das 48-Volt-Bordnetz angeschlossen ist. So kann ein Teil des im 48-Volt-Batteriesystem gespeicherten Stroms auch für die Stabilisierung des Zwölf-Volt-Fahrzeugnetzes verwendet werden.

Besonders vorteilhaft wirkt das Mildhybridsystem im Stadtverkehr, wo die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor beim Anfahren und Beschleunigen unterstützt. Beim Bremsen und im Schubbetrieb treibt die sich drehende Kurbelwelle des Diesels über den Riementrieb den E-Motor an, der nun als Generator Strom erzeugt – der im 48-Volt-Akku gespeichert wird. Durch die sensible Kooperation von RSG und Dieselmotor mit Sechsgangschaltung kann der Fahrer noch früher hochschalten beziehungsweise bei niedertouriger Fahrweise zügig beschleunigen, ohne herunterzuschalten. So erlebt der Fahrer neben dem verringerten Kraftstoffverbrauch durch den „Elektroschub“ mehr Fahrspaß. Die Basis im Scénic ist der 1,5-l-Turbodiesel, der 88 kW/110 PS leistet und über ein maximales Drehmoment von 260 Nm bei 1.750 U/min verfügt. Der verbraucht je 100 km im obligatorischen EU-Test NEFZ 3,9 Liter (100 g CO2/km), als Mildhybrid mit RSG sinkt der Verbrauch im NEFZ „kombiniert“ um 0,4 Liter auf 3,5 Liter (91 g CO2/km) – und damit um gut zehn Prozent. Renault strebt nach eigenen Angaben mit dem Scénic Energy dCi 110 Hybrid Assist den geringsten Verbrauch in der Kompaktklasse an.

Zwei Daimler-Aggregate mit 48-Volt

Mercedes-Benz setzt ebenfalls auf 48-Volt-Lösungen bei ihrer „größten Motorenoffensive in der Geschichte“. Nach dem im Frühjahr eingeführten neuen Diesel-Vierzylinder bringt der Automobilhersteller im kommenden Jahr vier weitere Aggregate der neu entwickelten Motorenfamilie. Dazu gehören der stärksten Pkw-Diesel in der Firmenhistorie – der 3,0-l-Reihensechszylinder OM 656 mit über 230 kW/313 PS und gut 650 Nm Drehmoment sowie der neue 4,0-l-V8-Biturbo-Ottomotor M 176 mit 350 kW/476 PS Leistung und 700 Nm maximalem Drehmoment – bei ihm können sich übrigens vier Zylinder gleichzeitig abschalten. Daneben setzt Mercedes auf die 48-Volt-Elektrifizierung bei zwei neuen Ottomotoren: dem 3,0-l-Reihensechszylinder M 256 mit 300 kW/408 PS und mehr als 500 Nm sowie dem 2,0-l-Vierzylinder M 264 mit 200 kW/272 PS. Zum maximalen Drehmoment macht Mercedes noch keine Angaben.

Der neue 3,0-l-R6-Benziner wurde erstmals konsequent für Elektrifizierung mit 48-Volt-Lösungen entwickelt. Die neue Aufladung arbeitet mit einem elektrischen Zusatzverdichter und einem „integrierten Starter-Generator“ (ISG). Der zwischen Motor und Zweimassenschwungrad (ZMS) montierte ISG sichert laut Mercedes eine hervorragende Fahrbarkeit ohne Turboloch. Der ISG übernimmt Hybridfunktionen wie Boosten und Rekuperieren und gewährleistet Verbrauchsreduzierungen, die bisher der Hochvolt-Vollhybridtechnologie vorbehalten waren. Unter dem Strich biete der neue R6 die Fahrleistungen eines Achtzylinders bei viel geringerem Verbrauch – gegenüber dem V6-Vorgänger (245 kW/333 PS) um etwa 15 Prozent.

Start in der S-Klasse

Der elektrifizierte R6 M 256 soll 2017 in der S-Klasse starten. Der ISG ist ein zentraler Bestandteil des 48-Volt-Netzes mit 0,9-kWh-Li-Ionen-Akku, wobei das weiterhin vorhandene 12-Volt-Netz die Verbraucher wie Beleuchtung, Cockpit, Infotainment und Steuergeräte mit Strom versorgt. Die elektrische Generator/Motoreinheit leistet maximal 15 kW und kann das kräftige Startdrehmoment von 220 Nm zum Antrieb beisteuern (Boosten). Der ISG übernimmt weitere Hybridfunktionen wie Energierückgewinnung und Segeln – auch die Leerlaufregelung erfolgt erstmals über ihn.

Der leistungsstarke neue 2,0-l-Vierzylinder M 264 mit Twinscroll-Turbotechnik und rund 100 kW/136 PS je Liter Hubraum erreicht eine Antriebsklasse, die bisher hubraumgrößeren Benzinmotoren mit sechs Zylindern vorbehalten war, und ist laut Mercedes sehr agil. Dazu bei trägt die 48-Volt-Elektrifizierung mit riemengetriebenem Starter-Generator (RSG), gestützt vom 0,9-kWh-Li-Ionen-Batteriesystem. Das führt zu einem deutlich geringeren Benzinverbrauch als bei einem vergleichbaren Sechszylinder – ob 15 Prozent oder weit mehr wird der Serieneinsatz ab 2017 zeigen. Beim M 264 sitzt der RSG wie beim Renaut-Diesel vorn am Motor. Aber der Mercedes-RSG unterscheidet sich mit maximal 12,5 kW Leistung und 150 Nm Startdrehmoment sowie in den erweiterten Hybridfunktionen deutlich von dem Renault-RSG für Kompaktautos. Neben dem Boosten bis 2.500 U/min und der Rekuperation bis 12,5 kW gewährleistet die RSG-Lösung der Stuttgarter unter anderem die Funktion „Segel mit Motor-Aus“ sowie ein Stopp-/Start mit intelligentem Motorabschalten bereits bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Der Komfortstart und Hochlauf des Motors geschieht laut den Ingenieuren nahezu unmerklich.

25 Prozent geringerer Verbrauch

Continental und Schaeffler präsentierten dieser Tage in Schlüsselfeld einen 48-Volt-Mildhybridantrieb mit RSG, dessen Potenzial der Verbrauchsreduzierung über die des Renault 1,5-l-Turbodiesels und des Mercedes 2,0-l-Ottomotors M 264 hinausgeht. Die vorgestellte zweite Generation des „Gasoline Technology Car“ (GTC II) verspricht rund 25 Prozent Kraftstoffersparnis gegenüber einem Vergleichsfahrzeug mit herkömmlichem Antrieb. Beim von Continental und Schaeffler in enger Zusammenarbeit mit Ford entwickelten „Spar-Focus“ wird erstmals auch der elektrisch heizbare 48-Volt-Katalysator von Emicat eingesetzt, der dazu beiträgt, dass das GTC II die strengen Emissionsgrenzwerte der Abgasnorm Euro 6c (2017/2018) erfüllt. Schaefflers Technologievorstand Gutzmer spricht von einem Meilenstein, „weil es hier gelungen ist, hocheffiziente hybride Betriebsstrategien in einem Wagen mit Handschaltgetriebe umzusetzen. Die elektrifizierte Kupplung schafft im GTC II ermöglicht zusätzlich elektrisches Anfahren, elektrisches Stop-and-Go sowie eine Rekuperation bis fast in den Stand.“

Beim GTC II sitzt der riemengetriebene Starter-Generator nicht mehr vorn am Motor, sondern hinter dem Benziner, zwischen Zweimassenschwungrad und dem handgeschalteten Getriebe. Über zwei Kupplungen ist der RSG mit der Kurbelwelle verbunden. Und das 48-Volt-RSG-System ist schmal: Die Einheit hat insgesamt eine axiale Länge von 55 mm plus/minus 10 mm. Die 0,46-kWh-Li-Ionen-Baterie erhält den Strom vom Generator, der maximal 14,7 kW leistet. Als Antrieb leistet der E-Motor 11,7 kW und kann ein Startdrehmoment von über 130 Nm an die Kurbelwelle liefern. Beim 1,0-l-Dreizylinder-Ottomotor von Ford wurden die Verbrennung, die Abgasnachbehandlung sowie das Thermomanagement für den Mildhybrideinsatz optimiert. Seine Leistung liegt nun geringfügig unter den 92 kW/125 PS des Basismotors. Die ersten Fahreindrücke des GTC II mit 48-Volt-Mildhybridtechnik in Schlüsselfeld überzeugten und der Benzinverbrauch ist sehr niedrig: Im obligatorischen EU-Test NEFZ „kombiniert“ habe der 48-Volt-Mildhybrid einen CO2-Ausstoß von weniger als 85 g/km, so die Ingenieure der Zulieferer – das sind weniger als 3,7 l/100 km.

„Das System optimieren“

Der geringe Verbrauch wird möglich, weil der 48-Volt-Mildhybridantrieb den Focus „elektrisch segeln“ lässt, wenn der Fahrer den Fuß vom Gas nimmt. Unabhängig vom Verbrennungsmotor lässt dann die E-Maschine bei geringer Last den Wagen mit konstanter Geschwindigkeit fahren, ebenso elektrisch anfahren, etwa im Stau. Neben dem Boosten und der Rekuperation gehört beim GTC II die Standklimatisierung zur Hybridfunktion. Für José Avila, Vorstandsmitglied von Continental und Leiter der Division Powertrain, zeigt der GTC II, „welches enorme Potenzial im milden Hybrid steckt, wenn man das elektrische 48-Volt-System, den Verbrennungsmotor und die Betriebsstrategien konsequent im System optimiert“.

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