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Hybrid ist nicht Hybrid – wir klären auf

Hybrid ist nicht Hybrid – wir klären auf

Spätestens seit der Fridays-for-Future-Initiative und der öffentlichen Diskussion über den Klimawandel und dessen Eindämmung ist die sogenannte Elektromobilität ganz in den Fokus der Automobilindustrie gerutscht. Autobauer weltweit setzen jetzt alles daran, ihre Flotte um Modelle mit Elektroantrieb zu ergänzen. Eines der beliebtesten Antriebskonzepte ist dabei der Hybridantrieb. Der Laie meint damit ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor besitzt.

Und der Kunde fragt in der Regel nicht danach, ob in dem Fahrzeug sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor zum Fahrbetrieb beitragen kann oder ob der Verbrennungsmotor nur für den notwendigen Strom für den Elektromotor sorgt. Doch dieser Punkt ist sehr wichtig, wenn man sich für einen Hybriden entscheidet. Wir sind der Sache mal nachgegangen und haben noch weitere Unterscheidungsmerkmal bei der Hybrid-Technologie gefunden. Hybrid ist lange noch nicht Hybrid.

Was bedeutet Hybrid eigentlich genau?

Der Begriff „Hybridfahrzeug“ oder „Hybridauto“ wird heute wie bereits erwähnt umgangssprachlich für ein Fahrzeug mit Elektro- und Verbrennungsmotor genutzt. Doch die Sache ist ein wenig komplexer, zumindest auf offizieller Seite.

Zunächst einmal bezeichnet der Hybridantrieb allgemein die Kombination verschiedener Techniken für den Antrieb. Das Adjektiv hybrid (lat.) bezieht sich dabei auf etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Vermischtes.

Demzufolge ist ein „Hybridkraftfahrzeug“ ein Fahrzeug mit mindestens zwei verschiedenen Energiewandlern und zwei verschiedenen Energiespeichersystemen (im Fahrzeug) zum Zwecke des Fahrzeugantriebs (EU-Richtlinie 2007/46/EG, Art. 3, Nr. 14) Zwar wird hier üblicherweise ein Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Generator kombiniert, zunehmend werden auch Brennstoffzellen, die aus mitgeführtem Wasserstoff direkt Elektrizität gewinnen, eingesetzt.

Wenn ein Fahrzeug zum Zwecke des mechanischen Antriebs aus einem Betriebskraftstoff und einer Speichereinrichtung für elektrische Energie/ Leistung (z. B. Batterie, Kondensator, Schwungrad/ Generator usw.) im Fahrzeug gespeicherte Energie/Leistung bezieht, ist es laut der EU-Richtlinie 2007/46/EG, Art. 3, Nr. 15 „Hybridelektrofahrzeug“.

Mild-Hybrid vs. Voll-Hybrid

Hybridfahrzeuge teilt man heute nach dem Leistungsanteil des elektrischen Antriebs an der Gesamtleistung (Hybridisierungsgrad) des Fahrzeugs ein. Je nachdem, ob das Fahrzeug mit dem Elektromotor tatsächlich rein elektrisch fahren kann oder der Elektroantrieb den vorhandenen Verbrennungsmotor nur zur Leistungssteigerung unterstützt, sprechen wir von Voll-Hybrid-Fahrzeugen (HEV) oder Mild-Hybrid-Fahrzeugen (MHEV).

Mild-Hybrid: der elektrische Helfer

Mild-Hybride nutzen ihre Elektromotoren lediglich, um den Verbrennungsmotor beim Starten, Beschleunigen und im Fahrbetrieb zu unterstützen - es ist eine Art elektrischer Turbolader. Der kleine Elektromotor kann das Auto aber nicht alleine antreiben.

Die notwendige Batterie für den Elektromotor wird beispielsweise beim Bremsen und Bergab-Fahren, wenn der Elektromotor als Generator arbeitet, wieder aufgeladen. Ein Teil der Bewegungsenergie des Fahrzeugs wird also wieder in elektrische Energie gewandelt.

Während die vollwertigen Elektromotoren der Voll-Hybrid-Fahrzeuge mit einem Hochspannungssystem arbeiten, bietet sich beim Mild-Hybrid, der ja nur einen kleinen Generator nutzt, ein Niederspannungssystem an. Das ist weniger gefährlich bei Produktion und Wartung und die Generatoren sind deutlich billiger. Viele Hersteller setzen heute auf ein 48-Volt-System. Das liegt deutlich unter der Sicherheitsgrenze von 60 Volt und reicht dennoch aus, um als Startergenerator zu arbeiten. Zudem bietet die Generatoren genügend Spannung, um neue zusätzliche Systeme im Fahrzeug zu betreiben, die ein 12-Volt-System nicht unterstützen könnte. Mild-Hybride werden also heute immer häufiger als 48-Volt-Mildhybrid entwickelt.

Vorteil des Mild-Hybrid: Der Verbrennungsmotor muss weniger arbeiten, verbraucht weniger Kraftstoff und stößt weniger Emissionen aus.

Voll-Hybrid: voll elektrisch

Dem entgegen ist der Elektromotor im Voll-Hybrid-Fahrzeug als vollwertiger Antriebsmotor geeignet. Allerdings unterscheidet man mehrere Varianten, wie Verbrennungsmotor und Elektromotor zusammenarbeiten.

Paralleler vs. serieller Hybridantrieb

Im Folgenden werden nun mehrere Möglichkeiten vorgestellt, ein Fahrzeug mit zwei Motoren anzutreiben.

Möglichkeit 1: der parallele Hybridantrieb

Beim parallelen Hybridantrieb sind beide Motoren für den Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen. Beide Aggregate können als alleiniger Antrieb oder in Kombination betrieben werden. Im Kombibetrieb addieren sich die Leistungen der beiden Antriebe zur Gesamtleistung. Daher können die Aggregate kleiner dimensioniert werden, um eine bestimmte Systemleistung zu erreichen. Die parallele Hybrid-Technologie ist heute in Modellen vieler Hersteller zu finden. Vorreiter bei dieser Hybrid-Technologie ist natürlich der Toyota Prius. Aber auch Kia mit dem Optima Hybrid 2.0 und Lexus mit dem RX 450h bieten solche Modelle an. Eines der weltweit ersten Serienfahrzeuge mit Diesel-Hybridantrieb ist der Peugeot 3008 HYbrid4.

Systemstruktur eines parallelen Hybridantriebs,

Systemstruktur eines parallelen Hybridantriebs, Quelle: Hastdutoene - Eigenes Werk / CC BY 3.0

Der Vorteil dieser Variante ist die Vielseitigkeit. Das Fahrzeug kann entweder mit Verbrennungsmotor oder rein elektrisch oder in Kombination gefahren werden. Die Autoindustrie nutzt für dieses Modell in der Regel kleinere Verbrennungsmotoren mit weniger Hubraum, was den Verbrauch und die Umweltbelastung senkt. Bei elektrischen Fahrmodus entstehen keine CO2-Emissionen.

Nachteil ist, dass die Reichweiten im Elektrobetrieb sehr gering sind. Die Akkus werden nämlich lediglich durch Rekuperation (Energierückgewinnung beim Bremsen) wieder aufgeladen. Dabei wird die Bewegungsenergie des Fahrzeugs im Elektromotor, der dann als Generator arbeitet, in elektrische Energie umgewandelt und im Akku zwischengespeichert. Zur Rückgewinnung wird der Elektromotor als Generator betrieben. Die elektrische Maschine kann beim Bremsen oder auf abschüssigen Straßen zur Stromgewinnung genutzt werden.

Deshalb ergänzt man die Fahrzeuge heute um die Möglichkeit, die Akkus an der Steckdose zu laden. Das sind dann die sogenannten Plug-in-Hybride.

Weitere Details zu den parallelen Hybridfahrzeugen finden Sie hier

Möglichkeit 2: der serielle Hybridantrieb

Beim seriellen Hybridantrieb sorgt der Elektromotor für den grundsätzlichen Antrieb, während der Verbrennungsmotor keinerlei mechanische Verbindung zur Antriebsachse hat. Er treibt lediglich einen Generator an, der wiederum die zum Fahren benötigte elektrische Energie für den eigentlichen Antriebselektromotor erzeugt. Der nicht benötigte Teil der elektrischen Energie wird wieder im Akku zwischengespeichert und kann bei Bedarf abgerufen werden.

Systemstruktur eines seriellen Hybridantriebs,

Systemstruktur eines seriellen Hybridantriebs, Quelle: Hastdutoene - Eigenes Werk / CC BY 3.0

Der Verbrennungsmotor wird im Grunde nur als Reichweitenverlängerer (Range Extender) des Elektroantriebs eingesetzt, mit denen sich der Aktionsradius eines Elektrofahrzeugs erhöhen lässt.

Auch hier sorgt der rein elektrische Antrieb für weniger Schadstoff-Emissionen. Zudem kann der Verbrennungsmotor durch die Entkopplung von der Antriebsachse im seriellen Hybrid immer in einem Drehzahlbereich betrieben werden, der einen hohen Wirkungsgrad verspricht. Daraus ergibt sich eine erhebliche Reduzierung des Spritverbrauchs und damit auch der Schadstoffemissionen.

Fahrzeuge mit serieller Hybrid-Technologie haben eine höhere Reichweite im Elektro-Fahrbetrieb als die Fahrzeuge mit parallelem Hybridantrieb ohne Plug-in.

Die Mischung aus beiden Konzepten: der Mischhybrid

Kombiniert man den seriellen und den parallelen Hybridantrieb, so nennt man den Antrieb „Mischhybrid“. Je nach Betriebsart und Fahrzustand kann während der Fahrt entweder der Verbrennungsmotor mit dem Generator nur den elektrischen Energiespeicher laden und den Elektromotor antreiben (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt werden (paralleler Hybridantrieb).

Plug-in-Hybrid

Eine Erweiterung des Voll-Hybrid-Antriebs stellen die Plug-in-Hybride (PHEV, englisch plug-in hybrid electric vehicle) dar. Bei ihnen werden die Akkus nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch am Stromnetz aufgeladen. Das englische Wort „Plug“ bedeutet so viel wie Stecker, der für den Anschluss des Fahrzeugs an das Stromnetz nötig ist.

Mit einem Plug-in-Hybriden können nun auch größere Strecken im Elektrobetrieb ohne lokale Emissionen zurückgelegt werden. Wie beim seriellen Hybriden wird der Verbrennungsmotor zusätzlich als Generator zum Nachladen der Batterien verwendet. Durch den möglichen Alleinbetrieb des Verbrennungsmotors sind auch bei leerer Batterie größere Fahrstrecken möglich (parallele Hybrid).

Hybride Modelle im Jahr 2020

Plug-in-Hybrid-Antrieb

Plug-in-Hybride erfreuen sich in Deutschland großer Beliebtheit. Für die Plug-in-Hybride sprechen auch der staatliche Kaufbonus von 3.000 Euro (Stand 30.1.2020) und die günstige Behandlung bei der Geschäftswagen-Besteuerung. Hier ist eine sicher nicht erschöpfende Liste der heute und im Laufe des Jahres erhältlichen Plug-in-Hybride:

  • Audi A3, A6, A7, A8 sowie Q5 und Q7
  • Citroën C5 Aircross Hybrid;
  • DS 7 Crossback E-Tense 4x4
  • Ford Kuga PHEV, Ford Transit Custom und Tourneo Custom als Plug-in-Hybrid
  • Hyundai Ioniq Plug-in Hybrid
  • Kia XCeed Plug-in-Hybrid, Kia Optima SW Plug-in Hybrid
  • und Kia Ceed Sportswagon Plug-in Hybrid
  • Mitsubishi Outlander Plug-in Hybrid
  • Opel Grandland X Hybrid
  • Peugeot 508 Hybrid und 508 SW Hybrid, Peugeot 3008 Hybrid und 3008 Hybrid4
  • Renault Captur E-Tech Plug-in, Renault Mégane PHEV
  • Seat Tarraco FR PHEV
  • Skoda Superb iV (Ende 2019)  Superb Combi iV und Octavia iV (März 2020)
  • Toyota Prius Plug-in Hybrid, RAV4 Plug-in Hybrid
  • Volvo S60, V60 und XC60 als T8 Twin Engine AWD
  • VW Golf VIII eHybrid und GTE, VW Passat GTE  und VW Touareg

Mild-Hybride

Ein Mild-Hybrid kann nicht rein elektrisch fahren, aber mit elektrischer Unterstützung Sprit sparen. Aktuell gibt es einige Modelle als Mild-Hybrid. So bietet Volvo seine SUV-Modelle mit elektrischer Unterstützung durch einen Riemen-Startergenerator an. Auch der neue Smart fortwo mhd ist ein Mild-Hybrid. Und Fiat führt für die Kleinstwagen Panda und 500 eine Hybridvariante ein. Zum Einsatz kommt in beiden Baureihen ein Ein-Liter-Dreizylinder-Benziner mit einem Riemen-Starter-Generator. Auch Audi setzt bei einigen A und Q-Modellen auf einen Startergenerator und 48-Volt-Bordnetz.

Voll-Hybride

  • BMW ActiveHybrid 3, 5 und 7
  • BMW i3 (mit Reichweitenverlängerung)
  • Toyota Yaris Hybrid
  • Honda Civic IMA
  • Mercedes S 400 Hybrid
  • Opel Ampera (Elektrofahrzeug mit Reichweitenverlängerung, bis Baujahr 2016)
  • Chevrolet Volt (Elektrofahrzeug mit Reichweitenverlängerung)

Fazit

Die Elektromobilität hat in Deutschland endlich Fahrt aufgenommen. Die Zahl der Neuanmeldungen für Elektrofahrzeuge, egal ob Voll-Elektro, Mild- oder Vollhybrid, steigt kontinuierlich, nicht zuletzt auch aufgrund der steuerlichen Vergünstigungen und der staatlichen Förderung.

Reine Elektroautos unterliegen bei den Deutschen allerdings einer Skepsis, vor allem aufgrund der wenigen Ladesäulen und der geringen Reichweite der Fahrzeuge. Hier kommt das Konzept der Hybrid-Fahrzeuge genau richtig. Vor allem die Plug-in-Hybride bieten die Vorteile aus zwei Welten: Verbrennungsmotor, Elektromotor und externe Stromzufuhr.

Die ökologische Betrachtung der Vor- und Nachteile der Elektro- und Hybrid-Antriebe wurde hier außen vor gelassen.

 

Titelbild von Goran Horvat auf Pixabay Die Bilder im Text werden unter der Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 genutzt.