Pictures of the Future    Frühjahr 2006

Der Charme der Hybriden

Angespornt durch den Erfolg von Toyota arbeiten inzwischen alle Hersteller an Hybridautos, die ein hohes Einsparpotenzial beim Treibstoffverbrauch und daher ein grünes Image haben. Auch Siemens feilt an Lösungen, mit denen Autobauer die komplexe Technik in den Griff bekommen sollen.

Kaum eine Technik wurde in den vergangenen Jahren so unterschätzt wie der Hybridantrieb, bei dem ein Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ergänzt. Nachdem sich Mitte der 90er Jahre der Hybrid Audi 80 Duo des Volkswagen-Konzerns als nahezu unverkäuflich erwiesen hatte – weil zu teuer –, reagierte kein Autohersteller ernsthaft, als Toyota 1997 mit dem Prius seinen ersten Serien-Hybrid auf den Markt brachte. Der Aufstieg begann mit der Einführung der zweiten Prius-Generation 2003. Heute ist Hybrid in aller Munde – obwohl die Stückzahlen noch recht bescheiden sind.

Die Vorteile: Vor allem im Stadtverkehr ist der Verbrauch deutlich niedriger als bei einem rein mit Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeug. Auch die Kohlendioxid-Emissionen sind geringer. Beim Abbremsen wirkt die Elektromaschine als Generator und gewinnt so Energie zurück, die gespeichert wird. Der Elektromotor kann zudem beim Beschleunigen ein zusätzliches Drehmoment liefern. Inzwischen arbeiten alle großen Hersteller an dem Thema und zeigen auf internationalen Fahrzeugausstellungen ihre Autos von Micro- bis Voll-Hybrid (siehe Kasten). Auch die Zulieferer sind gefordert. "Der Markt ist für uns sehr interessant", sagt Norbert Bieler vom Business Development für Hybridfahrzeuge bei Siemens VDO (SV).

Schätzungen gehen davon aus, dass im Jahr 2012 weltweit 1,5 Millionen Hybridfahrzeuge verkauft werden. Verglichen mit anderen Fahrzeugen ist das wenig – im Jahr 2005 verkaufte allein DaimlerChrysler mehr als vier Millionen Pkw, ein Zuwachs von knapp 4 %. Aber das Wachstum bei Hybrid ist viel höher: Toyota verkaufte im selben Zeitraum 230 000 Hybridfahrzeuge; etwa zwei Drittel mehr als 2004. Die Berater von PricewaterhouseCoopers erwarten eine Verdreifachung der Modelltypen auf 74 im Jahr 2010. Neun von zehn Hybridautos werden derzeit in den USA verkauft, wo bis Ende 2006 ein Steuervorteil von bis zu 3 000 US-$ gewährt wird und zehn verschiedene Modelle angeboten werden – vom Kleinwagen bis zum Pickup-Truck.

Beim Vergleich mit einem sparsamen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor punktet der Hybrid mit seinem grünen Image: Im stockenden Berufsverkehr fährt er zum Teil rein elektrisch und hinterlässt so weniger Abgase und Lärm. Die Begeisterung der Hersteller in Europa hielt sich dennoch lange in Grenzen. Der Grund: Bei den Verbrauchswerten ist der Diesel dem Hybrid in etwa vergleichbar. Ein Elektromotor macht das Auto aber schwerer und braucht Energiespeicher mit hoher Lebensdauer sowie Leistungsfähigkeit. Die Autobauer sehen Hybrid daher eher als Ergänzung und setzen auf die Optimierung bestehender Technik. "Der Verbrennungsmotor bietet noch großes Potential, auch beim Benziner", sagt Bieler. So senkt die Benzin-Direkteinspritzung mit Piezo-Technik den Verbrauch im Vergleich zu heute üblichen Saugrohr-Einspritzverfahren um bis zu 20 %. Für die Weiterentwicklung der Piezo-Einspritztechnik gewann Siemens gemeinsam mit Bosch 2005 den Deutschen Zukunftspreis.

In Europa liegt der Marktanteil von Dieselfahrzeugen bei 50 %, in Frankreich sogar bei 70 %. Kein Wunder, dass der zweitgrößte europäische Autobauer einen Sonderweg eingeschlagen hat. "Wir setzen auf Dieselhybrid", sagt Robert Peugeot, Vorstand für Innovation und Qualität bei PSA Peugeot Citroën in Paris (siehe Interview). "Für Benzin-Hybrid sehen wir in Europa keinen Markt." Das Unternehmen kombiniert daher einen Dieselmotor mit einem elektrischen Antrieb und will so die Kohlendioxid-Emissionen noch drastischer senken. Der Prototyp verbraucht 3,4 l pro 100 km. Ziel ist es, bis 2010 die Kosten für ein Serienfahrzeug so weit zu drücken, dass der Preisaufschlag nicht höher ist als der eines heutigen Diesels gegenüber einem Benzinmodell – etwa 2 000 €. "Dafür sind noch viele Forschungsanstrengungen nötig", erklärt Peugeot.

"Je tiefer wir in das Thema eintauchen, desto mehr stellen wir fest, dass die Hybridisierung weit über das elektrische Antriebssystem hinausgeht", erklärt Bieler. Laut dem Siemens-Experten geht es um das perfekte Zusammenspiel nicht nur der Verbrennungsmaschine mit dem Elektroantrieb, sondern auch mit dem Getriebe, der Motorsteuerung, den Nebenaggregaten und dem Energiespeicher sowie den elektrischen Verbrauchern. Für eine optimale Fahrzeugfunktion muss in Millisekunden entschieden werden, ob und wie lange der Elektromotor zugeschaltet wird und ob etwa beim Verzögern der Elektromotor ausreicht oder die Scheibenbremsen eingreifen müssen.

Die Herausforderungen an ein Hybridsystem sind hoch, weil höhere Spannungen und Ströme auftreten als heute bei elektrischen Komponenten im Auto. "Elektromotoren und Leistungshalbleiter sind schon für verschiedenste Anwendungen optimiert worden, aber nicht für die im Auto", sagt Prof. Eckhard Wolfgang, Leiter des Fachzentrums Power Electronics bei Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen.

Der Toyota Prius etwa arbeitet im Antriebsstrang mit Spannungen bis 500 V, wie Dr. Martin März erklärt, Leiter des Bereichs Leistungselektronik am Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie in Nürnberg. Die Ströme betragen kurzzeitig einige hundert Ampere. "Um die Systemzuverlässigkeit sicherstellen zu können, hat der Prius einen eigenen Kühlwasserkreislauf für die Elektronik", sagt März. Auch ist die Umgebung in einem Auto alles andere als elektronikfreundlich: Die empfindlichen Bauteile müssen eisige Kälte und große Hitze sowie starke Erschütterungen aushalten. Viele Komponenten müssen zudem deutlich kleiner werden. "Ein Frequenzumrichter für die Industrie mit 100 kW Leistung sitzt heute in einem großen Schaltschrank", sagt März. "Im Auto muss er in eine Schuhschachtel passen." Toyota löste das Raumproblem mit einem völlig neuen Fahrzeugdesign, das voll und ganz auf Hybrid abzielte. Für die Zukunft arbeitet März an Umrichtern, die direkt in den Elektromotor eingebaut werden (siehe Hinweis im Trend-Beitrag). "Wir wollen die Technik bis zur übernächsten Generation der Hybridfahrzeuge – ab 2012 bis 2015 – einsatzreif machen."

Auch Eckhard Wolfgang von CT arbeitet mit seinem Team seit Jahren an der Ertüchtigung der Elektroniken für höhere Temperaturen. In den abgeschlossenen EU-Projekten HIMRATE und HOTCAR haben die Forscher Silizium-Leistungshalbleitermodule und Teile der Steuerelektronik so verbessert, dass sie Temperaturen bis 150 °C aushalten können, etwa 25 Grad mehr als zuvor. Seit Anfang 2006 läuft das EU-Projekt HOPE unter Federführung von Siemens. 13 Partner aus Industrie und Forschung untersuchen die Anwendungsmöglichkeiten von Siliziumkarbid (SiC) für Brennstoffzellen- und Hybridantriebe. Bauelemente aus SiC halten weit höhere Temperaturen aus und haben geringere Verluste als Silizium-Bauelemente. "Der Vorteil wäre eine kompaktere, einfachere und leichtere Bauweise", erklärt Wolfgang.

Ein weiterer Baustein für ein Hybridfahrzeug ist ein neuartiges, vollelektrisches Getriebe, das die mechanische Übersetzung komplett ersetzen könnte. "Wir loten derzeit für SV die Machbarkeit dieser innovativen Kraftübertragung aus", sagt Markus Wilke von CT in Erlangen. Sie muss besser sein als Automatikgetriebe und Antriebssysteme, wie sie in Voll-Hybriden zum Einsatz kommen – beides sehr komplexe Systeme. Im Toyota Prius stecken etwa zwei elektrische Maschinen, die über ein Planetengetriebe an den Verbrennungsmotor gekoppelt sind. Weil hier das Drehmoment des Benzinmotors mehrfach übersetzt an der Antriebswelle ankommt, sinkt der Wirkungsgrad.

Fahrspaß garantiert. "Das elektrische Getriebe wäre hier eine Revolution", sagt Heinz Schäfer, der Projektleiter bei SV. "Simulationen haben ergeben, dass das System konkurrenzfähig sein dürfte", ergänzt Wilke. Es hätte einen sehr guten Wirkungsgrad und wäre ideal für Hybridfahrzeuge. Hier würde es mehrere Komponenten ersetzen und wäre Kupplung, Getriebe, Elektromotor, Generator und Starter zugleich. Das Wundergetriebe besteht aus zwei verbundenen elektrischen Maschinen und zwei Frequenzumrichtern. Das Prinzip: Der Verbrennungsmotor versetzt einen der Elektromotoren in Rotation. Der Rotor des zweiten Elektromotors wird ebenfalls in Drehung versetzt. Über die Umrichter werden die Elektromaschinen so geregelt, dass ihre Drehzahlen unabhängig sind. Der Verbrennungsmotor kann damit sein Drehmoment variabel und stufenlos an die Antriebswelle weitergeben. Um Platz zu sparen, sind die Motoren ineinander gebaut. So nutzen sie einen Teil der Kupferwicklungen gemeinsam, die zur Induktion der Magnetfelder gebraucht werden. Die elektrische Steuerung dieses Systems ist sehr anspruchsvoll. "Ende 2007 könnte ein Prototyp fertig sein", sagt Schäfer.