Technik-Informationen zu Elektro- und Hybridautos

"Der Anfang vom Ende des Ölzeitalters ist da", sagte Daimler-Chef Dieter Zetsche kürzlich in einem Vortrag. So etwas von einem der Top-Automanager zu hören, dürfte so manchem einen Denkanstoß gegeben haben. Zetsche sieht einen Paradigmenwechsel: Benzin und Diesel könnten in nicht allzu ferner Zukunft von Strom aus der Steckdose ersetzt werden. Eine Zwischenstation zum reinen Elektrofahrzeug sind die Hybridfahrzeuge. Diese Übersicht zeigt, wie weit wir auf dem Weg in die Elektrozukunft schon sind.

Elektro-Kleinstwagen
Wer schon einmal ein Elektrofahrzeug gefahren hat, weiß die Stärken zu schätzen: Solche Autos sind fast unhörbar leise und bieten viel Drehmoment. Die Krux ist die Reichweite: Mehr als 200 Kilometer sind selten drin. Damit kann leben, wer hauptsächlich in der Stadt unterwegs ist. Daher ist der Elektroantrieb für Kleinstwagen prädestiniert. Ein Beispiel ist der Smart ed (electric drive), der ab Ende 2009 in einer Kleinserie produziert werden soll. Die Reichweite von gerade einmal 100 Kilometer dürfte für die tägliche Fahrt zur Arbeit reichen, nicht jedoch für den Tages­ausflug am Wochenende. Autos wie der Smart ed sind also stark von einer guten Infrastruktur mit vielen Ladestationen abhängig, die hier der Energieversorger RWE entwickeln soll.

Mitsubishi i-MiEV
Ein anderer Elektro-Kleinstwagen ist der Mitsubishi i-MiEV. Das Fahrzeug basiert auf dem Mitsubishi ,i", einem in Japan bereits verkauften Kleinstwagen-Modell. Der hintere Teil der Abkürzung steht für ,Mitsubishi innovative Electric Vehicle". Das Elektrofahrzeug wird von einem E-Motor mit 64 PS über die Hinterräder angetrieben. Die Energie bezieht der Motor aus Lithium-Ionen-Batterien, die unter dem Fahrzeugboden montiert sind. Der Viersitzer schafft ein Maximaltempo von stattlichen 130 km/h und besitzt eine Reichweite von bis zu 160 Kilometer. Die Ladezeit der Batterien wird von Mitsubishi mit sieben Stunden an der Haussteckdose oder 25 Minuten an einer Schnellladestation angegeben. Der i-MiEV wird bereits in den USA und Island erprobt und kommt schon im Sommer 2009 in Japan auf den Markt.

Think City aus Norwegen
Bereits auf dem Markt, allerdings bisher nur in Norwegen, ist der Think City, ein Stadtfloh von der norwegischen Firma Think Global. Der Elektromotor erreicht eine Leistung von 30 Kilowatt oder etwa 40 PS. Bei den Energiespeichern kann man zwischen einem Natrium-Nickelchlorid-Akku, Lithium-Eisenphosphat- und Lithium-Mangan-Batterien wählen. Außerhalb Norwegens soll der City im Laufe des Jahres 2009 auf den Markt kommen.

Elektro geht auch sportlich
Der Elektro-Smart, der Mitsubishi i-MiEV sowie der Think City sind typische Stadtautos: Sie sind klein und haben wenig Leistung. Dass es auch anders geht, belegen der Tesla Roadster sowie der Mini E. Beide Autos setzen auf Tausende von Lithium-Ionen-Akkus, wie man sie aus Notebooks kennt. Die Einzelakkus werden zu einem recht voluminösen Batteriepaket gebündelt. Das geht bei Zweisitzern noch relativ problemlos. Das Paradebeispiel ist der Tesla Roadster. Basis für das sportliche Auto ist das Leichtgewicht Lotus Elise. Ein 248 PS starker Elektromotor bringt den Zweisitzer in supersportlichen 4,1 Sekunden auf Tempo 100 und ermöglicht bis zu 210 km/h. Die Reichweite von 365 Kilometer ist für ein Elektrofahrzeug geradezu rekordverdächtig. Bei uns kommt das Auto im Frühjahr 2009 auf den Markt.

Lightning GT mit vier Radnabenmotoren
Sogar noch ein Stückchen schneller als der Tesla ist der Lightning GT unterwegs: Er unterbietet beim Tempo-100-Spurt die Vier-Sekunden-Marke. Anders als der Tesla Roadster besitzt der GT gleich vier Elektromotoren – einen für jedes Rad. Auf eine aufwendige mechanische Kraftübertragung kann hier verzichtet werden. Zudem soll das System das Kurvenverhalten verbessern, indem gezielt unterschiedlich hohe Raddrehzahlen erzeugt werden. Gespeist wird das Motorenquartett von 30 Lithium-Titanat-Batterien, von denen jede etwa so groß wie eine normale Autobatterie ist. Das soll für eine großzügige Reichweite von rund 400 Kilometer sorgen.

Mini E: Batterien statt Kinder
Ausflugs- und sprinttauglich ist auch der Mini E. Hier nehmen die Batterien den Platz ein, den normalerweise die Rücksitze beanspruchen. Sie machen das Auto auch 330 Kilo schwerer. Die Leistungsdaten erfüllen dafür auch sportliche Ansprüche: Mit seinen 204 PS spurtet der Mini E in 8,5 Sekunden auf 100 km/h, allerdings wird bereits bei 152 km/h elektronisch abgeregelt. Der Energiespeicher fasst 35 Kilowattstunden, was eine Reichweite von 240 Kilometer ermöglicht.

Reichweitenverlängerer
Während die erwähnten Elektro-Boliden auf schiere Batteriepower setzen, gehen Elektrofahrzeuge mit Reichweitenverlängerer (Extended-Range Electric Vehicles oder kurz E-REVs) einen anderen Weg: Hier wird noch ein Verbrennungsmotor mitgeführt. Für das tägliche Pendeln reicht die elektrische Reichweite, während der Otto- oder Dieselmotor für den langen Atem bei der Wochenendtour sorgt. Am bekanntesten ist der Chevrolet Volt, der bei uns im Jahr 2011 unter dem Namen Opel Ampera auf den Markt kommen soll. Mit seinem 150 PS starken Elektromotor soll er bis zu 161 km/h erreichen. Sein 170 Kilo schweres Batteriepaket speichert 16 Kilowattstunden an elektrischer Energie. Das ermöglicht eine elektrische Reichweite von 60 Kilometer. Danach wird in drei Stunden an der Haushaltssteckdose aufgetankt. Der Benzinmotor, der auch mit E85-Bioethanol befeuert werden kann, dient ausschließlich dazu, die Lithium-Ionen-Akkus wieder aufzuladen.

E-Flex-System
Das Auto stellt nur eine von vielen Ausprägungen des E-Flex-Systems von General Motors und der deutschen Tochter Opel dar. Die flexible Plattform mit einem Elektromotor sowie Lithium-Ionen-Batterien erlaubt auch den Einsatz eines Diesels oder einer Brennstoffzelle statt eines Benziners. Ähnliche Autos wie den Volt alias Ampera hat jüngst auch Chrysler als Studie vorgestellt. Das Hybridfahrzeug von der Schweizer Firma Mindset gehört ebenfalls in diese Kategorie.

E-REVs: Fast serielle Hybride
Die E-REVs stellen eine Übergangsform zu den Hybridfahrzeugen dar. Fahrzeuge wie der Volt stehen seriellen Hybridfahrzeugen zumindest nahe. Chevrolet beziehungsweise Opel sträuben sich zwar gegen die Bezeichnung Hybridauto, doch eigentlich ist sie berechtigt, schließlich sind es Autos mit Verbrennungs- und Elektromotor. Bei den E-REVS sind – anders als bei Fahrzeugen mit paralleler und leistungsverzweigter Architektur – Verbrennungsmotor und Elektromotor in Reihe geschaltet. Der (relativ schwache) Ottomotor ist dafür zuständig, über einen Generator elektrische Energie für einen Elektromotor zu erzeugen. Letzterer ist allein verantwortlich für den Achsantrieb.

Energieverluste bei Wandlungen
Ein Nachteil serieller Konzepte sind die Energieverluste, die bei der nötigen Umwandlung der mechanischen Energie des Motors in elektrische und wieder zurück in mechanische Antriebsenergie auftreten. Der Unterschied zu den E-REVs ist, dass bei den seriellen Konzepten der Explosionsmotor praktisch ständig in Betrieb ist, während er bei den E-REVs nur ausnahmsweise angeworfen werden soll. Serielle Hybride im engeren Sinn, also unter Ausschluss der E-REVs, wurden im Autobereich allerdings nicht vorgestellt.

Seriell, parallel oder leistungsverzweigt
Die zweite Hybridarchitektur ist der Parallelhybrid, wobei sowohl der Benzin- als auch der Elektromotor die Räder antreiben kann. Die Batterie kann hier nicht über den Verbrennungsmotor aufgeladen werden, sondern nur über den als Generator geschalteten Elektromotor. Dieser Antrieb ist besonders flexibel, da hier je nach Fahrsituation die Motoren einzeln oder beide zusammen zum Einsatz kommen können. Außerdem können die beiden Zweige schwächer ausgelegt werden. Beispiele für Parallelhybride sind der Honda Civic Hybrid oder der Porsche Cayenne Hybrid.

Mit Kraftweiche: Der Prius
Bei der dritten Systemarchitektur – man spricht vom leistungsverzweigten Hybrid – werden das serielle und parallele Prinzip kombiniert. Wie beim Parallelhybrid kann hier die Achse vom Verbrennungs- oder Elektromotor oder von beiden angetrieben werden. Wie beim seriellen Hybrid ist es jedoch zusätzlich möglich, die Batterie über das Verbrennungsaggregat zu laden. Der Name leistungsverzweigter Hybrid kommt von einer Art Kraftweiche: Sie teilt die vom Benziner produzierte Energie in zwei Teile auf. Der eine treibt die Räder an, der andere geht in den elektrischen Antriebszweig und dient zur Speisung des Elektromotors oder lädt über einen Generator die Batterie. Beim Toyota Prius, dem bekanntesten leistungsverzweigten Hybrid, wird der wichtige Part der Weiche von einem so genannten Planetengetriebe übernommen. Auch die diversen Lexus-Hybridfahrzeuge wie GS 450h, LS 600h und RX 400h besitzen im Prinzip diese Architektur.

Zwei Modi
Während der ,Hybrid Synergy Drive" des Prius ein One-Mode-System darstellt, haben General Motors, BMW und Mercedes ein Two-Mode-Hybridsystem entwickelt. Die beiden namensgebenden Betriebsarten werden im niedrigen Geschwindigkeitsbereich beziehungsweise bei hohem Tempo aktiviert. Auch hier spielt ein Planetengetriebe die wichtigste Rolle, doch kommen noch zwei weitere Getriebe des gleichen Typs und vier Kupplungen hinzu. Zwei von Letzteren bremsen gezielt Zahnräder in den Planetengetrieben und steuern so die Leistungsverzweigung. So lassen sich insgesamt sechs Fahrzustände verwirklichen. BMW will Ende 2009 ein Two-Mode-Hybrid-Fahrzeug auf Basis des X6 xDrive 50i auf den Markt bringen, und auch Mercedes bringt noch 2009 ein Two-Mode-Hybridauto auf Basis der M-Klasse.

Mikrohybridfahrzeuge
Außer nach der Systemarchitektur lassen sich die Hybridkonzepte auch nach der Beteiligung des elektrischen Zweigs unterscheiden. Beim so genannten Mikrohybrid wird meist nur der konventionelle Anlasser durch eine leistungsfähigere Variante ersetzt. Oft handelt es sich um einen Starter-Generator, eine Elektromaschine, bei der Anlassermotor (Starter) und Lichtmaschine (Generator) in einem Modul zusammengefasst sind. Riemengetriebene Startergeneratoren sind auf schwächer motorisierte Mikrohybride wie die mhd-Versionen des Smart Fortwo begrenzt. Stärkere Autos besitzen Startergeneratoren, die direkt auf der Kurbelwelle sitzen. Mikrohybridfahrzeuge besitzen eine Start-Stopp-Automatik, die den Verbrennungsmotor im Stand abschaltet und beim Losfahren wieder aktiviert. Außerdem sparen Mikrohybride Kraftstoff durch Bremsenergie-Rückgewinnung (Rekuperation). Dabei wird ein Teil der Energie, die normalerweise beim Bremsen in Wärme umgewandelt wird, in Form von elektrischer Energie in die Batterie zurückgespeist. Beispiele für Mikrohybride sind neben den Smart-mhd-Modellen der Citroën C3 Stop&Start, diverse Varianten der Mercedes A-Klasse, des BMW 1er und Mini.

Mildhybridautos
Auch Mildhybride besitzen eine Start-Stopp- sowie eine Rekuperationsfunktion. Anders als beim Mikrohybrid greift hier aber ein Elektromotor unterstützend beim Antrieb ein. Das hat zwei Vorteile für den Fahrer: Erstens kann der E-Motor den Verbrennungsmotor mit zusätzlicher Kraft unterstützen, was man als Boosten bezeichnet. Dies macht sich besonders beim Losfahren bemerkbar, denn anders als ein Verbrennungsmotor stellt ein Elektromotor schon bei niedrigsten Drehzahlen das ganze Drehmoment zur Verfügung. Der zweite Vorteil eines Mildhybridkonzepts ist der niedrigere Spritverbrauch, denn wenn der E-Motor beim Antrieb hilft, braucht der Verbrennungskollege nicht so hart zu arbeiten. Bisher ist nur ein einziges Auto mit Mildhybridkonzept auf dem deutschen Markt: der Honda Civic IMA. Im April 2009 kommt der Honda Insight hinzu. Im Juni folgt der Mercedes S 400 BlueHybrid, und BMW bringt ein paar Monate später den 7er Active­Hybrid heraus. Die beiden zuletzt erwähnten Modelle verfügen über einen 20 PS starken Elektromotor und eine kleine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von gerade mal 0,9 Kilowattstunden. Trotz des kleinen Elektromoduls spart das Auto viel: Das auf dem S 350 basierende Hybridmodell soll nur 7,9 statt 10,1 Liter Benzin benötigen.

Vollhybrid und Plug-in-Hybrid
Anders als Mildhybridfahrzeuge können Autos mit Vollhybridkonzept auch rein elektrisch fahren. Beispiele sind der Prius, die Two-Mode-Hybridfahrzeuge von BMW, GM und Mercedes sowie der künftige Porsche Cayenne Hybrid. Bei einigen Vollhybriden und E-REVs wie dem Chevrolet Volt lässt sich die Batterie außer über den Verbrennungsmotor auch per Steckdose aufladen – man spricht dann von Plug-in-Hybriden.

Achillesferse Batterietechnik
Ob Elektro- oder Hybridfahrzeug: Beide benötigen Batterien, oder exakter gesagt Akkus. Und hier liegt die Achillesferse der ganzen Elektrifizierung. Heutige Batterien besitzen zwar wesentlich höhere Leistungsdichten als frühere. Doch noch immer stellen Gewicht und Platzbedarf ein Problem dar. Bis vor kurzem standen ausschließlich Nickel-Metallhydridbatterien zur Verfügung, wie sie etwa der Toyota Prius verwendet. Ihr Nachteil ist die geringe Leistungsdichte sowie der Batterieträgheitseffekt. Ebenfalls bereits seit längerem im Gespräch sind Natrium-Nickelchlorid-Akkus, auch als Zebra-Batterien (für Zero Emission Battery Research Activity) bekannt.

Lithium-Ionen-Akkus
In den meisten neueren Elektrofahrzeug-Studien werden dagegen Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Zu den Herstellern gehört die Firma Li-Tec, die der RAG-Tochter Evonik sowie Daimler gehört. LG Chem ist der Hersteller der Lithium-Ionen-Batterien des Volt, während die kleine Mildhybrid-Batterie des Mercedes S 400 BlueHybrid von der französischen Firma Saft und Johnson Controls kommt. Noch weiter entwickelt sind Lithium-Polymer-Akkus, wie sie LG Chem anbietet. Anders als bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es hier keinen flüssigen, sondern einen gelförmigen oder festen Elektrolyten auf Polymerbasis. Vorteil: Hier kann nichts auslaufen, außerdem ist die Formbarkeit besser.

Eisenphosphat und Aluminium
Weitere Neuentwicklungen sind die Lithium-Eisenphosphat-Batterien von A123 oder die Lithium-Titanat-Batterie von Altair Nano. Noch im Prototypen-Stadium ist der Aluminium-Luft-Akkumulator der finnischen Firma Europositron. Er besitzt eine sehr hohe Energiedichte, aber auch eine begrenzte Lebensdauer durch die Selbstzersetzung der Aluminium-Elektrode. Fazit: Verschiedene Lösungen In Zukunft wird es wohl verschiedene Lösungen geben. Der reine Elektroantrieb eignet sich bei Kleinstwagen für die Stadt und Zweisitzern. Bei mittelgroßen Autos, die auch weitere Strecken schaffen sollen, sind die E-REVs die überzeugendste Lösung. Für SUVs und Oberklasselimousinen ist auf absehbare Zeit noch der Hybridantrieb die beste Methode. Mit einem Mild- oder Vollhybridsystem lässt sich hier einiges an Sprit sparen, weshalb diese Lösung in wenig dieselfreundlichen Ländern wie den USA oder Japan Zukunft hat.

Bildergalerie: Die Antriebe der Zukunft