So funktionieren Hybridfahrzeuge: Elektromotoren und Benzinmotoren kombinieren

Ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) kombiniert einen Benzinmotor mit Fremdzündung mit einem oder mehreren Elektromotoren, die Strom aus einem Batteriepaket beziehen, nach dem Alternative Fuels Data Center (AFDC) des U.S. Department of Energy. Im Gegensatz zu Plug-in-Hybriden kann die Batterie eines herkömmlichen Hybrids nicht an einer Steckdose aufgeladen werden; sie wird nur durch den Benzinmotor und durch Rekuperationsbremsen aufgeladen.

Die Hauptkomponenten

Das AFDC listet die Kernkomponenten eines HEV-Antriebsstrangs auf: einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Zugmotor, einen Elektrogenerator, ein Traktionsbatteriepaket, einen Stromleistungsregler, der Strom und Motorgeschwindigkeit regelt, einen DC/DC-Wandler, der die Spannung für Bordzubehör reduziert, und ein Getriebe, das mechanische Leistung von Motor und Elektromotor zu den Rädern überträgt.

Wie die beiden Energiequellen die Arbeit teilen

Nach fueleconomy.gov werden der Benzinmotor und der Elektromotor automatisch vom Fahrzeugkontrollsystem verwaltet, das kontinuierlich entscheidet, wie viel jeder beitragen sollte. Bei niedriger Geschwindigkeit und leichter Beschleunigung können viele Hybride nur mit dem Elektromotor fahren. Bei Reisegeschwindigkeit leistet der Verbrennungsmotor normalerweise den größten Teil der Arbeit. Bei starker Beschleunigung oder auf Hügeln können Motor und Elektromotor ihre Leistung kombinieren, und wenn das Auto stillsteht, schaltet sich der Motor aus, sodass kein Kraftstoff beim Leerlauf verschwendet wird.

Die offizielle Beschreibung von Toyotas Hybrid Synergy Drive System, das in seiner gesamten Hybrid-Palette verwendet wird, gibt ein konkretes Beispiel dieser Logik: Im Leerlauf oder Stillstand sagt Toyota, dass beide Motoren automatisch ausgeschaltet werden, sodass keine Energie verschwendet wird, während auf Hügeln oder beim Überholen das Unternehmen erklärt, dass beide Motoren das Fahrzeug antreiben, um maximale Leistung zu liefern. Toyota sagt auch, dass sein System Fahrern ermöglicht, bis zu 50 km/h im EV-Modus nur mit Elektrokraft zu beschleunigen, ohne Auspuffemissionen in dieser Phase zu produzieren.

Rekuperationsbremsen: Energie zurückgewinnen, die sonst verloren gehen würde

Rekuperationsbremsen ist die Technologie, die einem Hybrid ermöglicht, seine Batterie ohne Einstecken aufzuladen. Fueleconomy.gov erklärt, dass das System die Vorwärtsbewegung der Räder nutzt, um den Motor zu drehen, der Strom erzeugt und gleichzeitig beim Verlangsamen des Autos hilft, statt diese Energie rein als Wärme durch herkömmliche Reibungsbremsen zu verbrauchen. Das AFDC bestätigt, dass ein Elektrogenerator Energie aus den Bremsrädern erfasst und zu der Traktionsbatterie umleitet.

Reihen-, Parallel- und Plug-in-Konfigurationen

Plug-in-Hybride sind nicht alle gleich verkabelt. Die Beschreibung von fueleconomy.gov für Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) unterscheidet Parallel- oder Blend-PHEVs, bei denen sowohl der Motor als auch der Elektromotor mechanisch mit den Rädern verbunden sind und diese direkt antreiben können, von Reihen-PHEVs, bei denen nur der Elektromotor die Räder antreibt, während der Benzinmotor nur Strom für diesen Motor erzeugt. Fueleconomy.gov vermerkt, dass Reihen-PHEVs auch als Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite (EREVs) bekannt sind.

Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) fügen eine größere, extern aufladbare Batterie zu demselben Grundkonzept hinzu. Fueleconomy.gov gibt an, dass PHEVs genug Strom speichern können, um ihren Erdölverbrauch unter typischen Fahrbedingungen erheblich zu reduzieren, und dass sie je nach Modell etwa 30% bis 60% weniger Erdöl verbrauchen als herkömmliche Fahrzeuge. Die U.S. Environmental Protection Agency (EPA) erklärt, dass PHEVs sowohl eine Batterie und einen Elektromotor als auch einen Benzintank und einen Verbrennungsmotor mitführen, und dass sie Auspuffemissionen produzieren, wenn Benzin als Brennstoff verwendet wird, was sie sauberer als herkömmliche Benzinwagen, aber nicht emissionsfrei wie Batterie-Elektrofahrzeuge macht.

Warum die Kombination der beiden Quellen Kraftstoff spart

Das AFDC erklärt, dass der doppelte Antriebsstrang es Herstellern ermöglicht, einen kleineren Benzinmotor auszustatten, als ein vergleichbares herkömmliches Auto benötigen würde, da der Elektromotor zusätzliches Drehmoment liefern kann, wenn es benötigt wird, etwa bei Beschleunigung oder Bergsteigen. Das AFDC erklärt, dass dies möglicherweise einen kleineren Motor ermöglichen kann, und dass die Kombination von Rekuperationsbatterie, Motorunterstützung und reduziertem Leerlauf zu einer besseren Kraftstoffeffizienz ohne Leistungseinbußen führt. Toyotas eigene Zahlen zeigen den Effekt auf Modellebene: Das Unternehmen listet den Kraftstoffverbrauch seines Auris Hybrid Synergy Drive Modells mit 3,8 Litern pro 100 km bei normalem Fahren auf, mit CO2-Emissionen von 87 Gramm pro km.