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Mit einem parallel-seriellen Hybridkonzept will Getrag die Vorteile von konventionellen, Hybrid- und rein elektrischen Antrieben vereinen. Selbst bei Langstrecken bleibt der Boosted Range Extender genügsam

Hannover, 9. Dezember 2009 – Dem Wunsch nach dem eigenen Elektroauto stehen derzeit noch viele Hindernisse [1] im Weg. Die Fahrzeuge sind vor allem wegen der hohen Kosten für Batterien für Normalkunden viel zu teuer, die Reichweiten zu kurz und eine Ladeinfrastruktur so gut wie nicht vorhanden. Eine pragmatische Auflösung dieses Dilemmas könnte darin bestehen, Elektroautos als Range Extender auszulegen. Sie kommen mit kleineren Batterien aus, sind billiger und nicht davon abhängig, dass an jeder Ecke eine Ladesäule steht.

Spielarten des Range Extenders

GM will nächstes Jahr mit dem Volt das erste Serienfahrzeug dieser Art auf den Markt bringen. Im Unterschied zu heutigen leistungs­verzweigten und Parallelhybriden ist der Volt [2] ein serieller Hybrid, bei dem der Verbrennungsmotor ausschließlich zum Erzeugen von Strom dient. VWs Konzeptfahrzeug Golf TwinDrive zeigt dagegen, dass ein Range Extender technisch auch anders ausgelegt werden kann. Im TwinDrive [3] bringt Volkswagen einen seriellen und einen parallelen Hybrid unter einen Hut – zudem ist er dazu in der Lage, etwa 50 Kilometer weit rein elektrisch zu fahren.

Ähnlich – zumindest auf den ersten Blick – wirkt ein Konzept von Getrag, sonst eher als Getriebehersteller bekannt. Der Antrieb kann ebenfalls als serieller und Parallelhybrid arbeiten, zwei große Unterschiede zum VW-Konzept sind allerdings offenkundig: die sehr kompakte Bauform und ein Zweiganggetriebe. Der TwinDrive muss mit einem Gang auskommen und einen Verbrennungsmotor in voller Größe mit sich herumtragen.

Boosted Range Extender

Die Getrag-Ingenieure wollten einen Antrieb entwickeln, der es ermöglicht, die Vorteile eines Elektroautos schon in naher Zukunft nutzen zu können – ohne auf die aufwendige Lade-Infrastruktur warten zu müssen. Das gilt zwar auch für rein serielle Konzepte wie den Volt. Doch bei der mehrfachen Energieumwandlung von Verbrennungs­motor über Generator zum Elektromotor sind Wirkungs­grad­verluste von etwa 15 Prozent einzukalkulieren, erläutert Stefan Hüpkes, Manager Next Generation Technology bei Getrag-Ford Transmissions in Köln. Der Boosted Range Extender soll dagegen auf längeren Strecken als Parallelhybrid laufen. Dabei soll er "in allen Betriebs­punkten besser sein als ein konventioneller Antriebsstrang" und damit eine ernst zu nehmende Konkurrenz für lang­strecken­taugliche Autos heutiger Bauart.

Boosted Range Extender – drei Antriebe in einem

Das klingt wie die Quadratur des Kreises, denn diesen Anspruch löst bisher kein Hybridfahrzeug ein. Parallele und leistungsverzweigte Hybride haben zwar Vorteile in der Stadt, aber nicht auf längeren Strecken – unter anderem wegen des dann störenden Übergewichts durch Batterie und E-Motor. Wie also will Getrag es fertigbringen, dass der Boosted Range Extender effizienter arbeitet als sämtliche anderen Antriebskonzepte?

Zwei Gänge, zwei Motoren

Das Antriebsmodul besteht im Wesentlichen aus einem Elektromotor und einem Zweizylinder-Ottomotor sowie einem Planetengetriebe mit zwei Gängen, das für beide Motoren zuständig ist. Als Primärantrieb dient der E-Motor, denn er ist immer in Betrieb, kann mechanisch nicht abgekoppelt werden. Der Verbrennungsmotor wird dagegen bei Bedarf über eine Kupplung zugeschaltet, auf dieselbe Antriebswelle wie der Elektromotor. Hinzu kommt ein kleiner Generator, der über einen Riemen vom Verbrennungsmotor angetrieben wird.

Dieser Aufbau erlaubt drei Betriebszustände – elektrisch, parallel und seriell. Der rein elektrische Antrieb soll natürlich der Normalfall für die Stadt und kurze Strecken sein. Wie üblich wird man also zuhause die Batterie aufladen und damit in den meisten Fällen ohne Hilfe des Verbrennungsmotors sein Ziel erreichen. Laut Stefan Hüpkes reicht in der Regel eine Auslegung der Batterie auf 50 Kilometer Fahrstrecke, um die Nutzer des Fahrzeugs für die meisten Fälle zufrieden zu stellen. Der E-Motor ist je nach Fahrzeug auf 30 bis 45 kW ausgelegt, genügend also für den Stadtbetrieb und Überlandfahrten.

Elektrisch, parallel, seriell

Dass sich Getrag nicht mit einer rein seriellen Auslegung zufrieden gibt, hängt mit dem typischen Fahrverhalten vieler Menschen zusammen: Zwar fahren laut BMU [4] die meisten in 80 Prozent der Fälle höchstens 40 Kilometer am Tag. Wenn dann aber längere Strecken anstehen, können sie durchaus viele hundert Kilometer lang sein – ein direkter Antrieb durch den Verbrennungs­motor ist dann sparsamer als ein serieller Hybrid. Deswegen wird der Verbrennungsmotor beim Boosted Range Extender parallel zum Elektromotor zugeschaltet.

Boosted Range Extender – drei Antriebe in einem

Dabei übernimmt der E-Motor die "dynamischen Betriebszustände", während der Verbrennungsmotor zwar nicht quasi-stationär, aber zumindest im Bereich seines besten Wirkungsgrades arbeitet. Der Elektromotor sorgt also für Beschleunigung und Rekuperation, der Verbrenner für gleichmäßiges Vorankommen. Das senkt die Anforderungen an ihn: Turboaufladung, variable Ventilsteuerzeiten – all das ist unnötig, weil der Verbrennungsmotor überhaupt nur in einem Drehzahlbereich von 1500 bis 4500 U/min arbeitet und ihm keine Lastextreme abgefordert werden. Selbst die Ölpumpe kann kleiner ausfallen, weil das Vermeiden von Spitzenlasten auch weniger thermische Belastung nach sich zieht. Zudem können Elektro- und Verbrennungsmotor kleiner dimensioniert werden, weil sie zu zweit für Vortrieb sorgen können.

Zwei Gänge genügen

Umso mehr überrascht auf den ersten Blick, dass der Boosted Range Extender mit zwei Gängen auskommt. Denn einem rein verbren­nungs­motorischen Antrieb würden zwei Gänge nicht reichen, ein Elektro­motor wiederum kommt ganz ohne Getriebe aus. So ist zumindest die landläufige Meinung und das bestätigen auch heutige Elektroautos. Warum also zwei Gänge? Erstens erlaubt es der kurze erste Gang, bei Bedarf den Verbrennungsmotor bereits bei etwa 20 km/h anzukoppeln. Selbst bei der Urlaubsfahrt durch die Alpen wird man also nicht stehen bleiben, weil Flaute in der Batterie herrscht. Sollte man im Dauerstau stehen, bleibt noch der serielle Betrieb, dazu später.

Kleiner E-Motor kostet weniger

Der Elektromotor profitiert ebenfalls von den zwei Gängen: Auch er hat einen optimalen Wirkungsgradbereich, der mit zwei Gängen besser genutzt werden kann. Außerdem kann Getrag so den E-Motor kleiner auslegen, eher leistungs- als drehmomentorientiert. Das senkt den Bedarf an Kupfer und Eisen und spart weitere Kosten. Übrigens untersucht man bei Getrag auch den Einsatz von Asynchronmotoren anstelle permanenterregter Synchronmotoren. Sie seien zwar um etwa 10 bis 15 Prozent weniger leistungsfähig, kämen dafür aber ohne die teuren Seltene-Erde-Magnete aus – zumal es mit China eigentlich nur einen Lieferanten für das Material gebe. Dass dieser Aspekt nicht zu unterschätzen ist, zeigt eine Studie des IZT [5], die sich mit der Verfüg­barkeit von Hightech-Materialien für alternative Antriebe befasst.

Boosted Range Extender – drei Antriebe in einem

Das Bestreben, einen kleinen Elektromotor zu verwenden, erklärt auch, warum dieser nicht gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf einer Achse sitzen kann, wie es bei manchen Wandlerautomaten und Doppelkupplungsgetrieben vorgesehen ist: Kleine Elektromotoren drehen schneller, um dieselbe Leistung wie ein größeres Aggregat zu erreichen, müssen also über eine Übersetzungsstufe mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt werden, in diesem Fall mit einem Faktor von 2,4.

Lastpunktverschiebung

Und wie könnte der Alltag mit dem Boosted Range Extender aussehen? Sofern die Batterie voll geladen ist, was bei morgendlicher Fahrt zur Arbeit meist der Fall sein wird, wird man wie gesagt die Strecke rein elektrisch zurücklegen. Bei längeren Strecken oder bei schwächelnder Batterie schaltet sich der Verbrennungsmotor hinzu. Der Elektromotor läuft dabei permanent mit, weil er mechanisch nicht abgekoppelt werden kann. Das ist allerdings gewollt: Der Leistungs­bedarf, um ihn "mitzuschleppen", ist erstens gering. Zweitens lässt sich per Lastpunktverschiebung selbst bei Konstantfahrt Ladestrom erzeugen: Wenn der Elektromotor den Verbrennungsmotor im Generatorbetrieb minimal "bremst", läuft dieser unter höherer Last und damit im Verhältnis zur erbrachten Leistung effizienter. Über eine geschickte Auslegung der Betriebsstrategie bekommt man so mehr elektrische Energie zurück, als man bei der Lastpunktverschiebung an zusätzlicher Energie reinsteckt. Im Unterschied zu Downsizing-Konzepten [6] bei reinen Verbrennungsmotoren erfolgt die Anpassung der Last nicht über die Wahl der Übersetzung, sondern über die Lastanforderung des Generators.

Serieller Betrieb als Notnagel

Doch was passiert, wenn die Batterie doch einmal leer ist und man nicht einmal anfahren kann? In diesem Fall kommt der serielle Betrieb zum Zuge. Der Verbrennungsmotor wird gestartet und treibt dann per Riementrieb den zusätzlichen Generator an. Dieser ist derzeit auf 10 kW Dauerleistung ausgelegt, genügend, um den großen Elektromotor zu versorgen. Sobald etwa 20 km/h erreicht sind, wird der Verbrennungsmotor zugekoppelt, es wird wieder in den parallelen Betrieb gewechselt. Der serielle Betrieb soll freilich die Ausnahme bleiben, denn die Betriebsstrategie sorgt in der Regel dafür, dass die Batterie auch im Fahrbetrieb ausreichend geladen wird – ähnlich wie bei heutigen Hybriden. Er wird deshalb in der Praxis allenfalls in einem besonders langwierigen Urlaubsstau auftreten.

Übrigens wird der zusätzliche Generator auch als Antrieb für den Klimakompressor verwendet, wenn rein elektrisch gefahren wird. Deshalb kann auf einen speziellen elektrisch betriebenen Klimakompressor verzichtet werden.

Boosted Range Extender – drei Antriebe in einem

Dieselähnlicher Verbrauch

Der serielle Betrieb wird wie gesagt selten vorkommen. Bei längeren Strecken ist der Boosted Range Extender ein Parallelhybrid, laut Getrag zudem besonders sparsam. Das liegt auch daran, dass der kleine Verbrennungsmotor dank der Unterstützung des E-Motors einen einfachen Job hat. Der derzeit verbaute Zweizylinder mit Saug­rohr­ein­spritzung – ein halbierter Ford-Motor – hat laut Hüpkes einen spezifischen Kraftstoffverbrauch [7] von 230 g/kWh im Bestpunkt und weniger als 240 g/kWh zwischen 1500 und 3500 U/min. Ein "guter Dieselmotor" liege im Bestpunkt bei 200 g/kWh, was aufgrund der höheren Dichte des Dieselkraftstoffes aber nur zu etwa 5 Prozent geringeren CO2-Emissionen führt. Erste Verbrauchs­simulationen des Getrag-Antriebs ergeben nach der ECE-Norm bei einer elektrischen Reichweite von 50 km im NEFZ einen CO2-Ausstoß von rund 37 g/km, das entspräche rechnerisch einem Verbrauch von rund 1,6 Liter pro 100 km bei Verwendung von Benzin.

Verwirrender Messzyklus

Natürlich lässt sich dieser Verbrauch nur bedingt mit dem eines konventionellen Antriebs vergleichen, weil aufgrund der rein elektrischen Fahrbarkeit der Messzyklus andere Anforderungen stellt. Die Verbrauchsermittlung nach der E/ECE/324-Regulation 101 [8] schreibt die Berechnung für Hybrid- und Range-Extender-Fahrzeuge nach folgender Formel vor:

C=(De*C1+Dav*C2)/(De+Dav)

Dabei bedeuten:

C Kraftstoffverbrauch auf 100 km
De Die erreichbare elektrische Reichweite des Fahrzeugs
C1 Kraftstoffverbrauch bei voll geladener Batterie
Dav 25 Kilometer (die Reichweite zwischen zwei Ladevorgängen)
C2 Kraftstoffverbrauch bei "leerer" Batterie

Der ECE-Norm entsprechend wird der NEFZ zwei Mal gefahren, einmal mit voller Batterie (C1) und einmal mit "leerer" Batterie (C2) – genau genommen handelt es sich nur um den Zustand maximaler Entladung. Da der Verbrauch C1 im rein elektrischen Betrieb zwangsläufig gleich null ist, ergibt sich die verkürzte Formel

C=Dav*C2/(De+Dav)

Für den Boosted Range Extenders in der derzeitigen Konfiguration heißt das:

C = 25 km * 4,8 l/100km / (50 km + 25 km) = 1,6 l/100km

Mit dem in die Formel eingesetzten Normverbrauch von 4,8 Liter – also dem Verbrauch ohne elektrische Unterstützung – ließe sich auf langen Strecken schon jetzt gut leben, er ist aber angesichts des Prototypenstatus vermutlich noch nicht das letzte Wort.

Boosted Range Extender – drei Antriebe in einem

Zahlen-Gauklerei

Das beeindruckende "Endergebnis" von 1,6 Liter weist aber auch auf ein Problem der ECE-Norm hin: Wenn zum Beispiel der Verbrauch bei leerer Batterie 10 Liter Benzin betrüge, was bei konventioneller gestrickten Range Extendern nicht unrealistisch ist, ergäbe sich Folgendes:

C = 25 km * 10,0 l/100km / (50 km + 25 km) = 3,33 l/100km

Das klingt also immer noch toll, nützt einem Autofahrer aber wenig, wenn er auf der Langstrecke ausschließlich mit Verbrennungsmotor fährt. Dann muss er sich über den hohen Verbrauch von 10 Liter ärgern. 4,8 Liter sind dagegen ein akzeptabler Wert, immerhin geht es es hier um einen Antrieb, der einen Kleinwagen auf 160 km/h beschleunigen kann, wenn es sein muss.

Doch auch eine Batterie mit höherer Kapazität ist geeignet, schöne Zahlen herbeizuzaubern:

C = 25 km * 10,0 l/100km / (100 km + 25 km) = 2,0 l/100km

In diesem Beispiel wird dem Kunden durch die Verbrauchsnorm ein Verbrauch von 2 Liter suggeriert, was zwar von Amts wegen korrekt ist, aber für die Praxis kaum eine Aussagekraft hat.

Plädoyer für realistische Verbrauchsangaben

Das Problem bei der ECE 101 ist ganz offenkundig, dass sie bei Range-Extender-Antrieben zu Ergebnissen führt, die für einen Autokäufer nicht mehr nachvollziehbar sind. Hüpkes plädiert dagegen für einen Zyklus, den jeder verstehen kann: Man bräuchte aus seiner Sicht für Range Extender eigentlich einen gestuften Zyklus mit unterschiedlichen Strecken, zum Beispiel 25, 50, 100, 300 und 1000 Kilometer. Das würde es dem Kunden leichter machen zu beurteilen, welche "Skalierung" der Antriebskomponenten für ihn passend ist. Hier ist die EU gefordert, nachzuschärfen, damit für Autokäufer erkennbar wird, was ein Range Extender im echten Leben taugt. Das gilt übrigens auch für Plug-in-Hybride, deren Batterie vielleicht nur auf 10 oder 20 Kilometer elektrische Fahrbarkeit ausgelegt ist.

Boosted Range Extender – drei Antriebe in einem

Serienanwendung ist geplant

Getrag will in etwa einem halben Jahr ein Demonstrationsfahrzeug mit dem Boosted Range Extender präsentieren können, das dann auch ersten Praxistests unterzogen werden kann. Naheliegend wäre der Einsatz in einem B-Segment-Modell des Joint-Venture-Partners Ford, der einige Kilometer weiter in Köln seine Werkshallen hat. Getrag bestätigt das nicht, verweist auf "vielversprechende Gespräche mit mehreren Herstellern". Statt des Zweizylindermotors könnte auch ein Aggregat mit drei Zylindern zum Einsatz kommen. Hierbei spielen wohl auch Komfortfragen eine Rolle; außerdem wäre es preislich natürlich attraktiv, einen Großserienmotor verwenden zu können, der sich seine Basis mit einem konventionellen Antriebsmotor teilt.

Die Preisfrage

Nachdem sich jüngst gezeigt hat [9] , was für ein teures Vergnügen reine Elektroautos derzeit sind, stellt sich jetzt natürlich die bange Frage nach den Kosten für ein Auto mit "Boosted Range Extender". Mit 5000 bis 10.000 Euro müsse man zunächst rechnen. Der Hauptgrund ist wieder einmal in den bisher sehr teuren Lithium-basierten Batterien zu suchen: Auch Stefan Hüpkes hält derzeitige Annahmen für realistisch, nach denen eine Kilowattstunde Speicherkapazität derzeit noch gut 1000 Euro [10] kostet. 750 Euro könnten bald realistisch sein, gelegentlich genannte Zahlen wie 350 Euro seien aber ziemlich "ambitioniert". Für ein Auto des B-Segments, also zum Beispiel ein Polo oder Fiesta, veranschlagt Getrag für eine elektrische Reichweite von 100 Kilometer eine Batteriekapazität zwischen 12 und 14 kWh. Für die angestrebten 40 bis 50 Kilometer bräuchte man demnach etwa 5 kWh, die tatsächlich nutzbar sind – nominal demnach 7 bis 8 kWh.

Es spricht also einiges für ein gut gemachtes Range-Extender-Konzept, wenn man einmal die Kosten mit einem reinen Elektroauto vergleicht. Wenn bei ihm allein die Batterie 15.000 Euro kostet, können normale Autokäufer nur noch den Kopf schütteln. Zudem kann man sich bei einem Range Extender einen Gedanken erlauben, der zuletzt an Popularität verloren hat: Wenn es meist als Elektroauto unterwegs ist, wird weniger Kraftstoff benötigt. Regenerative oder synthetische Kraftstoffe könnten den verbleibenden Bedarf einfacher decken als heute. Dass der Boosted Range Extender auch klaglos Ethanol verträgt, zielt bereits in diese Richtung.

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[1] https://www.heise.de/autos/artikel/IAA-2009-zwischen-Elektro-Hype-und-Realitaet-792373.html
[2] https://www.heise.de/autos/artikel/GM-Chevy-Volt-kommt-mit-1-0-l-Benzin-auf-100-km-aus-476495.html
[3] https://www.heise.de/autos/artikel/Flotter-Versuch-der-VW-Golf-TwinDrive-462565.html
[4] http://www.bmu.de/verkehr/elektromobilitaet/allgemeine_informationen/doc/45040.php
[5] https://www.heise.de/autos/artikel/Hightech-Materialien-fuer-alternative-Antriebe-koennten-knapp-werden-476297.html
[6] https://www.heise.de/autos/artikel/Druck-Erzeugnis-Hubraum-ist-doch-zu-ersetzen-457002.html
[7] http://www.motorlexikon.de/?I=3492
[8] http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ%3AL%3A2007%3A158%3A0034%3A0105%3ADE%3APDF
[9] https://www.heise.de/autos/artikel/RWE-Elektroautos-Stromern-ist-nicht-billig-863244.html
[10] https://www.heise.de/autos/artikel/Volkswagen-rechnet-mit-deutlich-sinkenden-Batteriekosten-880224.html

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