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Kraft der zwei Herzen: Hybridsysteme im Überblick
Lifestyle 6 Min. 12.06.2020

Kraft der zwei Herzen: Hybridsysteme im Überblick

Vollhybride wie etwa der Toyota Prius können kurze Strecken allein elektrisch zurücklegen.

Kraft der zwei Herzen: Hybridsysteme im Überblick

Vollhybride wie etwa der Toyota Prius können kurze Strecken allein elektrisch zurücklegen.
Foto: Toyota
Lifestyle 6 Min. 12.06.2020

Kraft der zwei Herzen: Hybridsysteme im Überblick

Beim Hybridantrieb im Auto machen Verbrennungs- und Elektromotoren gemeinsame Sache. Das Ziel: mehr Effizienz. Doch zwischen den Varianten gibt es teils große Unterschiede.

(dpa/tmn) - Fahrzeugen mit Hybridtechnik ist eines gemein: Egal wie der Antrieb ausgelegt ist, er soll das Fahren effizienter und das Fahrzeug sparsamer machen sowie die Emissionswerte senken. Doch damit hören die Gemeinsamkeiten schon auf. 

Grundsätzlich lässt sich nach systemarchitektonischen Grundstrukturen unterscheiden. Es geht also darum, wie Verbrennungsmotor, E-Maschine, Generator, Batterie und Getriebe zueinander angeordnet und geschaltet sind, sagt Andreas Richter vom Competence Center Elektromobilität der Sachverständigenorganisation Dekra.

Entsprechend spricht man von seriellen, parallelen oder leistungsverzweigten Hybridantrieben. Ordnet man die Systeme nach dem Grad ihrer Hybridisierung, spricht man zum Beispiel von Mildhybrid, Vollhybrid oder Plug-in-Hybrid.Toyota: 15 Millionen Hybridfahrzeuge seit 1997

Je nach Stärke des E-Motors und nach Größe der Batterie, schreibt der deutsche Automobilclub ADAC, sind im Vergleich zu einem herkömmlichen Benzinfahrzeug gleicher Größenordnung Kraftstoffeinsparungen von rund 15 bis 25 Prozent möglich. Das größte Einsparpotenzial sei bei auf maximale Effizienzsteigerung ausgelegten Voll- und Plug-in-Hybriden zu erreichen – „wenn diese mit vielen Beschleunigungs- und Verzögerungsanteilen unterwegs sind, was vor allem für den Stadtverkehr zutrifft“, sagt Matthias Vogt, Fachreferent Elektromobilität im ADAC Technik Zentrum in Landsberg.

Wie die unterschiedlichen Systeme funktionieren und was sie miteinander zu tun haben, klärt der Überblick.

Der Mikrohybrid - Starten, stoppen, rekuperieren

Mikro steht für „klein“ oder „ein Millionstel“. Entsprechend verschwindend gering ist auch der Hybridisierungsgrad beim Mikrohybrid. ADAC-Experte Matthias Vogt sagt sogar: „Das ist gar kein Hybrid, da kein E-Motor vorhanden ist, der eine Antriebsfunktion wahrnehmen könnte.“

Manche Hersteller bezeichnen eine Start-Stopp-Automatik als Mikrohybrid, die – zum Beispiel beim Halt an der Ampel – den Verbrennungsmotor aus- und bei Druck aufs Gaspedal wieder einschaltet. Start-Stopp-Technik sei im Auto aber längst der Standard, so Vogt.


Der Toyota Prius kommt laut Toyota auf einen Normverbrauch von drei Litern je 100 Kilometer.
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Das hat es wahrscheinlich schon lange nicht mehr gegeben: eine neue Automobilgeneration mit weniger PS unter der Haube als zuvor. Toyota wagt es, der Prius der vierten Generation gewinnt trotzdem, die Betriebseffizienz erreicht einen neuen Bestwert. Mehr noch: Das gesamte Fahrzeug wurde erheblich verbessert.

Im Mikrohybrid ist der Generator im Vergleich mit einer konventionellen Lichtmaschine oft etwas leistungsstärker, die Blei-Gel-Batterie ist zyklenfester. „Sie ist haltbarer und kann die Belastung durch Start-Stopp besser verkraften“, sagt Andreas Richter. Im Schiebebetrieb, also beim Ausrollen zum Beispiel, wird rekuperiert: Der Generator wandelt die Bewegungsenergie in Strom und speist die Starterbatterie. Die mögliche Kraftstoffersparnis ist von allen Hybridsystemen am geringsten.

Der Mildhybrid - Selten elektrisch allein

Hier unterstützt die E-Maschine den Verbrenner beim Antrieb und wirkt leistungssteigernd. Vor allem beim Anfahren und Überholen hilft der E-Motor mit. Also immer dann, wenn der Verbrennungsmotor Drehmoment erst kraftraubend aufbauen müsste, das elektrisch adhoc zur Verfügung steht. Wie bei allen Hybridsystemen ist die leitende Idee, den Verbrenner dadurch möglichst nah an seinem optimalen, also effizientesten Betriebspunkt laufen zu lassen.

Bei Mildhybriden wie Fiat Panda und 500 unterstützt der zusätzliche E-Motor an Bord in erster Linie den Verbrenner.
Bei Mildhybriden wie Fiat Panda und 500 unterstützt der zusätzliche E-Motor an Bord in erster Linie den Verbrenner.
Foto: FCA Group

Deshalb, und weil ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden kann, sei das Antriebssystem effizienter, sagt Matthias Vogt. „Insgesamt ist das Sparpotenzial aber überschaubar.“ Je nach Fahrsituation arbeiten Benzin- und Elektromotor ergänzend, phasenweise lädt der Elektromotor die Batterie bei Bedarf auf.

Weil beide Motoren zeitgleich agieren können, zählt der Mildhybrid zu den Parallelhybriden. Ohne Hochvoltsystem kann der E-Motor das Fahrzeug aber nur selten allein bewegen. Mit der aufkommenden 48-Volt-Technik, die noch zum Niedervoltbereich zählt, hat sich das aber geändert. Gegenüber den herkömmlichen 12 Volt kann damit vier mal so viel Leistung bei gleichem Strom genutzt werden. So können 48-Volt-Mildhybride im Verkehr rein elektrisch mitschwimmen, ausparken oder rangieren.

Der Vollhybrid - Mal so, mal so

Das Antriebssystem ähnelt der milden Variante, nur ist der E-Motor beim Vollhybriden kräftiger und die Bordspannung höher. Rein elektrisches, konventionelles und kombiniertes Fahren ist möglich – das volle Programm sozusagen. In Sachen Kraftstoffersparnis lohnt der Vollhybrid ebenfalls vor allem im Stadtverkehr. Doch die Batterie ist recht klein und die Reichweite auf wenige Kilometer begrenzt. Deshalb ist die Höchstgeschwindigkeit für rein elektrisches Fahren oft auf 50 oder 60 km/h limitiert.


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Bekanntestes Beispiel für diese Konstruktionsweise ist der seit 1997 gebaute Toyota Prius mit der Hybrid Synergy Drive Technology (HSD). Diese ist darauf ausgelegt, Leistung und Effizienz gleichzeitig zu verbessern, indem permanent automatisch der optimale Betriebsmodus ausgewählt wird. Unterwegs agieren beide Motoren gemeinsam und wirken auf ein Getriebe: „Das Verhältnis der Kraftverteilung wird permanent überwacht und stets so geregelt, dass ein maximaler Wirkungsgrad gewährleistet ist“, sagt Matthias Vogt.

In Autos wie dem Hyundai Ioniq kann der Verbrennermotor auch die Batterie aufladen.
In Autos wie dem Hyundai Ioniq kann der Verbrennermotor auch die Batterie aufladen.
Foto: Hyundai

 

Systemarchitektonisch betrachtet könnte man den Toyota Prius und andere Vollhybride wie den Hyundai Ioniq oder den Kia Niro auch als Mischhybride bezeichnen, weil sie je nach Fahrzustand auch seriell arbeiten – der Verbrenner also die Batterie lädt und das Fahrzeug rein elektrisch fahren kann. Das Prinzip wird auch leistungsverzweigt genannt, weil es Merkmale eines seriellen und eines parallelen Hybrid hat.

Range Extender – Mehr Reichweite

Zu den seriellen Hybridfahrzeugen, bei denen die Motoren nicht parallel geschaltet sind, sondern hintereinander in Reihe (seriell), zählen auch solche mit Reichweitenverlängerer (Range Extender). „Der direkte Antrieb erfolgt in der Regel nur über den Elektromotor“, sagt Matthias Vogt vom ADAC. Der Verbrenner, oft ein hubraumkleiner Dreizylinder, werkelt im Hintergrund als kleines E-Kraftwerk. Denn seine Aufgabe besteht darin, einen Generator anzutreiben, der die Traktionsbatterie nachlädt, sobald diese leer ist. So muss das Fahrzeug nicht sofort wieder an die Steckdose.

Ein Range Extender, wie er etwa lange beim BMW i3 zu haben war, hat einen kleinen Verbrenner zur Stromerzeugung an Bord.
Ein Range Extender, wie er etwa lange beim BMW i3 zu haben war, hat einen kleinen Verbrenner zur Stromerzeugung an Bord.
Foto: BMW Group

In aller Regel wirkt der Range Extender nicht auf die Kurbelwelle und ist damit vom Antrieb entkoppelt. So läuft er stets kraftstoffsparend im optimalen Drehzahlbereich. Neben dem zeitweise damit erhältlichen BMW i3 zählt der Fisker Karma oder der erste Opel Ampera von 2012 zu den Range-Extender-Modellen – der Verbrenner des Ampera kann sich in manchen Fahrsituationen aber am Antrieb direkt beteiligen.

Weil beim Energieaustausch zwischen Kraftstoff, Generator, Batterie und E-Maschine viel Verlust auftritt, haben Range-Extender-Modelle nicht das größte Sparpotenzial. „Am besten taugen sie als Mittel gegen die Reichweitenangst“, sagt Dekra-Experte Andreas Richter.

Plug-in-Hybrid - Mit Steckdose

Hybridfahrzeuge, die von außen aufgeladen werden können, heißen Plug-in-Hybride. Sie haben einen deutlich stärkeren Elektromotor und eine größere Hochvoltbatterie als Vollhybride. Rein elektrisch sind sie damit schneller, um die 130 km/h sind möglich. Die zusätzliche Batteriegröße lässt Strecken zwischen 30 und 100 Kilometern zu, auch die Rekuperationsleistung ist höher. In Städten kann man sie lokal emissionsfrei fahren.

Für einen Dienstwagen, der über lange Strecken auf der Autobahn bewegt wird, ist der Plug-in-Hybrid nicht die beste Variante

Matthias Vogt, ADAC

Plug-in-Hybride eignen sich laut ADAC besonders für Berufspendler, wenn sie an Start- und Zielorten wieder aufgeladen werden können. „Für einen Dienstwagen, der über lange Strecken auf der Autobahn bewegt wird, ist der Plug-in-Hybrid aus Umweltgesichtspunkten aber nicht die beste Variante“, sagt ADAC-Fachmann Vogt.

Für möglichst hohe elektrische Fahranteile im Alltag sollten Langstreckeneinsätze eher die Ausnahme sein. Die Verbrauchsvorteile sind ansonsten schnell aufgezehrt, und der CO2-Ausstoß erhöht sich bei leer gefahrener Batterie schnell auf oder sogar über das Niveau eines reinen Verbrenners.

Plug-in-Hybride gibt es mittlerweile in nahezu allen Fahrzeugklassen.
Plug-in-Hybride gibt es mittlerweile in nahezu allen Fahrzeugklassen.
Foto: Daimler AG


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