Konkurrierend oder doch komplementär?

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1 Konkurrierend oder doch komplementär? Hydraulische und elektrische Hybridantriebe im Vergleich Juergen Jasche; Robert Golin Eaton Corporation Hybridantriebe für Nutzfahrzeuge sowie mobile Arbeitsmaschinen erweisen sich immer mehr als zukunftsweisende Technik für diese Bereiche. Ein Übersichtsbeitrag zu den wesentlichen Differenzierungsmerkmalen aktuell verfügbarer Hybridkonzepte und ihre geeignete Applizierung. Was überhaupt ist unter dem Begriff Hybridfahrzeug (inklusive Hybridsystem)zu verstehen? Die allgemeine Definition lautet: Ein Fahrzeug mit mehr als einer Energieart bzw. Antriebsart. Das dabei verwendete typische hybride Antriebssystem besteht aus Verbrennungskraftmaschine, konventionellen Antriebselementen, Energiewandler, Leistungselektronik sowie Energiespeicher. In der Praxis existieren zahlreiche Komponentenvarianten, und für die Verknüpfung der Varianten wiederum gibt es unterschiedliche Strukturen. In hydraulischen Hybridsystemen etwa ist der Verbrennungsmotor an ein hydraulisches Pumpe-Motor- Modul und Hydrospeicher gekoppelt. Hingegen erfolgt in elektrischen Hybridsystemen die Kopplung mittels elektrischen Motor-Generator-Moduls (E-Maschine) uns Akkumulatoren, Batterien oder anderen elektrischen Speichermedien. Beide Technologien stehen in diversen Ausführungen zur Verfügung mit unterschiedlicher Anordnung des Antriebsstrangs, aber auch unterschiedlicher Wirkungsweise. Beim parallelen, auch als Mild-Hybrid bezeichneten Hybridsystem, wird ein konventioneller Antriebsstrang um einen zusätzlichen, parallel angeordneten Energiewandler und speicher erweitert. Sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch der Energiewandler sind dabei mechanisch an die Antriebsräder gekoppelt. Beim seriellen, auch als Full-Hybrid bezeichneten Hybridsystem, sind die Energieumwandler so angeordnet, dass die Verbrennungskraftmaschine nicht mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt ist. Sie treibt vielmehr einen Energiewandler an, der seinerseits den Fahrantrieb sowie einen im System angeordneten Speicher bedient. Die Gemeinsamkeiten beider Systeme: Regeneratives Bremsen und Zwischenspeichern kinetischer Energie Optimierung der Betriebspunkte innerhalb des Kennfeldes der Verbrennungskraftmaschine Aus beidem resultierender reduzierter Kraftstoffverbrauch sowie Verringerung der Emissionen Hydraulische Hybridsysteme Bei diesen fungiert eine Pumpe-Motor-Modul als Energiewandler. Je nach Betriebsstrategie des Nutzfahrzeugs oder der mobilen Arbeitsmaschine fördert das Modul ein Fluid unter hohem Druck in einen 1

2 Hydraulikspeicher. Dabei wird kinetische Energie umgewandelt, die dann wiederum als mechanische Leistung dem Antriebsstrang zugeführt werden kann. Bild 1: Bei parallelen hydraulischen Hybridsystemen wird der vorhandene konventionelle Antriebsstrang um einen zusätzlichen, parallel angeordneten Energiewandler und speicher sowie um Steuerelektronik erweitert. So eignet sich die Bauart des Hybridantriebs für bestehende Fahrzeugkonzepte. Beim parallelen hydraulischen Hybridsystemen wird der übliche konventionelle Antrieb um ein zusätzliches, parallel angeordnetes Hydrauliksystem erweitert. Sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch der Energiewandler (Pumpe-Motor) sind mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt. Bild 2: Hydraulischer Hybrid parallel: zusätzliches parallel angeordnetes Hydrauliksystem. Das System verfügt über zwei Funktionen: Regeneration: Während des Bremsvorgangs wird die kinetische Energie des rollenden Fahrzeugs in hydraulische Energie umgewandelt. Dabei wirkt die Pumpe-Motor-Kombination als Pumpe und lädt den Hydrospeicher mit einem Hydraulikfluid. Die dabei auftretenden Lastmomente unterstützen den Bremsvorgang des Fahrzeugs. Anfahrassistent: Beim Anfahren dient die Pumpe-Motor-Kombination dazu, die im Hydrospeicher geladene Energie dem Antriebsstrang als mechanische Leistung zuzuführen. Folge ist eine signifikante Boost -Wirkung im Fahrbetrieb sowie wirksame Lastglättung des Verbrennungsmotors. Serielle, in mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzte Hydraulik-Hybridsysteme erweitern einen bereits vorhandenen hydrostatischen Antrieb. Bei Nutzfahrzeugen hingegen wird der konventionelle An- 2

3 triebsstrang durch den hydrostatischen Antrieb ersetzt. Die Verbrennungskraftmaschine ist dabei nicht mechanisch mit den Antriebsrädern verbunden. Bild 3: Hydraulischer Hybrid seriell: Erweiterung eines bestehenden hydrostatischen Antriebs. Während des Betriebs des Fahrzeuges werden die Parameter Anfahren, Fahren sowie Regeneratives Bremsen mittels einer verstellbaren hydrostatischen Transmission in Verbindung mit Hydrospeichern dargestellt. Die Verbrennungskraftmaschine läuft nahe dem optimalen Betriebspunkt mit der Folge signifikanter Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Umwandlung und Zwischenspeicherung der Energie erfolgen wie beim parallelen hydraulischen Hybridantrieb. Elektrische Hybridsysteme Beim elektrischen Hybrid übernimmt eine sogenannte E-Maschine (Motor-Generator) die Umwandlung der Energie. Analog zu hydraulischen Hybridantrieben wird dabei die während des Bremsvorgangs umgewandelte kinetische Energie als elektrische Energie in Akkumulatoren, Ultracap oder anderen geeigneten elektrischen Speichern zwischengespeichert. Bild 4: Elektrischer Hybrid parallel: konventioneller Antriebsstrang erweitert um parallel angeordnetem Elektroantrieb. Je nach Dimensionierung des Systems erlaubt es rein elektrischen Betrieb über gewisse Strecken oder auch den Betrieb elektrischer Verbraucher-/Arbeitskreislauf bei nichtlaufender Verbrennungskraftmaschine. 3

4 Wie bei den hydraulischen setzen auch elektrische Hybride auf parallelem oder seriellem Konzept auf. Das parallele elektrische Hybridsystem erweitert den üblichen konventionellen Antriebsstrang um einen zusätzlichen parallel angeordneten Elektroantrieb. Sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch der elektrische Energiewandler (Motor-Generator) sind mittels verschiedener Kupplungen mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt. Bei seriellen Hydraulik-Hybridsystemen ist die Verbrennungskraftmaschine nicht mechanisch mit den Antriebsrädern verbunden. Sie erfordern ein erheblich stärkeres Elektroantriebssystem als parallele elektrische Hybridantriebe, um das Kennfeld des Nutzfahrzeuges oder der mobilen Arbeitsmaschine abzudecken. Der konzeptionelle Aufwand zur Gestaltung eines elektrischen Full -Hybrids ist beachtlich. Bild 5: Elektrischer Hybrid seriell: mit starkem Elektroantrieb, da Entkoppelung von Antriebsrädern und Verbrennungskraftmaschine. Die Auswahl eines Hybridsystems erfolgt applikationsspezifisch, sie setzt dazu eine detaillierte Analyse der Betriebsstrategien von Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen voraus. Hydraulische Hybridsysteme sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte prädestiniert für Verwendung in Fahrzeugen mit kurzzeitig hohem Leistungsbedarf, großer Masse sowie intensivem Start-Stopp - Zyklus wie beispielsweise bei Entsorgungsfahrzeugen, Bussen, Gabelstaplern. Elektrische Hybridsysteme wiederum eignen sich dank hoher Energiedichte insbesondere für Applikationen mit moderatem Leistungsbedarf über einen längeren Zeitraum (etwa Lieferfahrzeuge), geringer bis moderater Masse, geringer Start-Stopp -Häufigkeit sowie Bedarf an emissionsfreiem Betrieb von Nebenverbrauchern im Arbeitsmodus, wie etwa bei Geräteträgern. Und die Energieanalyse? Die Applizierung eines Hybridantriebs setzt detaillierte Analyse der gewünschten Fahrleistungen und Betriebsstrategien unter Berücksichtigung wesentlicher Funktionsmerkmale der unterschiedlichen Hybridsysteme voraus. Wesentlich dabei: das Potential der zurückzugewinnenden Energie. Bei parallelen hydraulischen Hybridsystemen (PPH) wird der vorhandene konventionelle Antriebsstrang um einen zusätzlichen, parallel angeordneten Energiewandler und -speicher sowie um Steuerelektronik erweitert (siehe oben). Diese Bauart des Hybridantriebs eignet sich daher insbesondere für bestehende Fahrzeugkonzepte, da sie lediglich geringe Anpassungen erfordern. Parallele hydraulische Hybridsysteme nutzen das Prinzip des rekuperativen Bremsens, um Energie zurückzugewinnen. Ein Beispiel dafür: der Hydraulic Launch Assist, ein Mild-Hybridsystem auf Basis von Axialkolbeneinheiten mit Hydrospeichern. Die gewonnene Energie kann entweder zum alleinigen hydraulischen Anfahren oder zur Stützung der Verbrennungskraftmaschine herangezogen werden. 4

5 Energie gewinnen Abhängig von der gewünschten Betriebsstrategie des Nutzfahrzeugs oder der mobilen Arbeitsmaschine sind zwei unterschiedliche Modi darstellbar: Ökonomie -Modus: In diesem wird beim Anfahren ausschließlich die im Hydrospeicher geladene Energie dem Antriebsstrang als mechanische Leistung zugeführt. Die Verbrennungskraftmaschine wird erst zum Ende der Umwandlung von gespeicherter Energie in mechanische Leistung aktiviert. Vorteil: gesenkter Kraftstoffverbrauch und reduzierte Emissionen. Darüber hinaus lassen sich die gewohnten Fahrzeugparameter mit hubraumkleineren Verbrennungskraftmaschinen darstellen. Dieses Downsizing wirkt sich zusätzlich positiv auf Kraftstoffverbrauch und Emissionen aus. Power -Modus: Im Power-Modus wird die im Hydrospeicher geladene Energie als mechanische Leistung dem Antriebsstrang gemeinsam mit der Leistung der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Diese Boost -Wirkung aufgrund zusätzlichen Drehmoments sorgt für nennenswerten Anstieg der Fahrzeugleistung und Produktivität. Zusammengefasst die Vorteile des Systems: wesentliche Kraftstoffersparnis signifikante Reduktion der Schadstoffemissionen verlängerte Serviceintervalle für Bremsen und Getriebe reduzierter Betriebslärm deutlich höhere Beschleunigung. Serielle Hydraulik-Hybride (SHH) sind für einen umfangreicheren Applikationsbereich geeignet als parallele Systeme. Sie bieten sich daher an für Einsätze in mobilen Arbeitsmaschinen mit vorhandenem hydrostatischem Antrieb. Wie etwa bei Gabelstaplern und Radladern, bei denen konzeptionell 5

6 der konventionelle Antriebsstrang durch einen hydrostatischen Antrieb ausgetauscht wird oder auch Lieferfahrzeugen und Pendelbussen. Die Vorteile dieses Systems kommen insbesondere wie bei allen anderen Hybridsystemen bei Fahrzeugen mit kurzem Stop-Go -Zyklus zum Tragen. Serielle hydraulische Hybridantriebe eignen sich daher zur Optimierung der Lastpunkte der Verbrennungskraftmaschine durch periodisches Speichern und Abrufen hydraulischer Energie. Verbunden damit ist eine Glättung der Lastabnahme an der Verbrennungskraftmaschine. Das von Eaton entwickelte serielle Hydraulik-Hybrid-System stützt sich auf erprobte hydraulische Transmissionen, Hydrospeicher und eine neuentwickelte Hybridsteuerelektronik. Laut Aussagen von Fahrzeugbetreibern lässt sich mit dieser Art von Hybridantrieb eine Kraftstoffersparnis von 40 bis 50 Prozent und eine CO2-Emissionen-Reduzierung um 30 Prozent erreichen. Tafel 1: Eigenschaften serieller und paralleler hydraulischer sowie elektrischer Hybridantriebe Der Parallele Elektrische Hybrid PEH: Parallele elektrische Hybridsysteme sind prädestiniert für Einsätze in Fahrzeugen sowie mobilen Arbeitsmaschinen mit: moderatem Bedarf an elektrischer Energie über einen längeren Zeitraum, Bedarf an emissionsfreiem Betrieb von Nebenverbrauchern im Arbeitsmodus. 6

7 Bild 6: Eatons erstes serielles Hydraulik-Hybridsystem: erprobte hydraulische Transmissionen plus Hydrospeicher plus Hybridsteuerelektronik. Das elektrische Hybridsystem von Eaton basiert auf der Verknüpfung des Fuller-UltraShift- Automatikgetriebes (AMT) mit neuentwickelten Hybridkomponenten. Es besteht aus einer automatischen Kupplung, permanentmagneterregtem Motor-Generator, Wechselrichter, Hybridelektronik sowie einer Li-Ion Batterie. Der in Bild 7 dargestellte Hybridantrieb steht nach mehr als vier Jahren Entwicklung und über zehn Millionen absolvierter Straßenkilometer in den Regionen Nord-Amerika, Europa und Asien nunmehr als ausgereiftes Serienprodukt zur Verfügung. Das System weist einen hohen Wirkungsgrad auf und bietet sich an für Verwendung in Nutzfahrzeugen von 7,5 bis 18 Tonnen zulässiges Gesamtgewicht. Bild 7: Eatons paralleler elektrischer Verknüpfung des Fuller Ultra Shift-Automatikgetriebes mit neuen Hydraulikkomponenten. 7

8 Speicherenergie nutzen Wie bei seriellen hydraulischen Hybridantrieben gilt auch bei parallelen elektrischen Hybridantrieben die Optimierung des Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine als wesentlich. Die während des Bremsvorganges gewonnene und gespeicherte Energie lässt sich: für rein elektrisches Anfahren sowie Beschleunigen nutzen, die Versorgung des Bordnetzes und von Nebenverbrauchern wie Klimakompressor, Winden, Drehwerke, etc sicherstellen, emissionsfreies Fahren von Bussen im Haltestellenbereich oder den Betrieb von Arbeitsgeräten in geschlossenen Räumen realisieren. Zudem kommt es im Vergleich zu konventionellen dieselmotorischen Antrieben zu Kraftstoffeinsparungen im Bereich von 20 bis über 50 Prozent. Tafel 2: Energieanalyse: Anteile regenerierbarer kinetischer Energie bezogen auf typische Fahrzeugarten. Der Serielle Elektrische Hybrid SEH: Serielle elektrische Hybridsysteme erfordern die komplette Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Mit dieser Bauart eines Hybridantriebs kann zeitweilig rein elektrisch gefahren werden. Wird die Verbrennungskraftmaschine in optimalen Betriebspunkten betrieben, lassen sich Reduzierungen des Kraftstoffverbrauchs im Bereich von 40 bis 50 Prozent erreichen. Bleibt die Frage, für welches Konzept sich der Anwender im Bedarfsfall entscheiden sollte? Allgemein gilt, dass heutige Hybridantriebe Optimierung hinsichtlich Zuverlässigkeit, Leistung sowie Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen bieten. Hydraulische Hybridsysteme erweisen sich aufgrund ihrer Leistungsdichte als die geeignetere Variante für die Verwendung in Nutzfahrzeugen sowie mobilen Baumaschinen mit großer Masse und signifikantem Start-Stopp -Zyklus. Ein wesentlicher Vorteil dabei: die Möglichkeit schneller Energieumsetzung. Letztendlich entscheiden Art und Betriebsstrategien der Nutzfahrzeuge und mobilen Ar- 8

9 beitsmaschinen, ob ein hydraulischer oder elektrischer Hybridantrieb der geeignetere für den jeweiligen Anwendungsfall ist. Generell gilt: Unabhängig von der Anwendung reduzieren Hybridantriebe den Kraftstoffverbrauch signifikant, erhöhen die Produktivität und Funktionalität, reduzieren Lärm und verbessern die Fahrzeugeigenschaften. Allein der niedrigere Kraftstoffverbrauch kann Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO 2 ) um bis zu 70 Prozent reduzieren. Ungeachtet im Vergleich zu konventionellen Antrieben höherer Investitionen bieten sie daher eine attraktive Antriebslösung. Die signifikante Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und die wesentlich höhere Lebensdauer von Bremsen und Antriebsstrang tragen zudem zur Reduzierung der Betriebskosten über die Nutzungsdauer (Life Cycle Cost) bei. Und der Markt für Hybridantriebe? Eaton ist einer der wenigen Zulieferer von Hybridsystemen, der sowohl elektrische als auch hydraulische Hybridantriebe entwickelt und fertigt. Das Unternehmen verfügt über mehrjährige Praxiserfahrung in der Serienanwendung unterschiedlicher Hybridantriebe. Das erlaubt - je nach der Spezifikation des Fahrzeugtyps und jeweiliger Anwendung - stets die Auswahl der passenden technischen Lösung. 230 Hybridbusse für China Und die Praxis? Seit 2000 investierte das Unternehmen mehr als 100 Millionen Dollar in Forschung und Entwicklung von Hybridsystemen. In den USA werden Hybridantriebe bereits seit mehreren Jahren von Unternehmen wie Coca-Cola, UPS, FedEx und PepsiCo eingesetzt. Peterbilt, Kenworth, International und Freightliner führen Eatons Hybridsysteme als Option in ihren Nutzfahrzeugspezifikationen. Im vergangenen Jahr bestellte Coca-Cola 120 Lieferfahrzeuge mit Eaton-Hybridantrieben, die bislang größte Bestellung in der Firmengeschichte von Eaton. Im chinesischen Guangzhou wurden 2008 mehr als 230 Transitbusse mit Hybridantrieben von Eaton geordert, die größte Bestellung von Hybridbussen aus China überhaupt. Im Mai 2007 hat UPS seine Green Fleet die größte in Nordamerika um 50 Fahrzeuge mit Eaton-Hybridantrieben aufgestockt. Quellen Bilder: Eaton Corporation Dieser Beitrag wurde in der Zeitschrift fluid Heft 6/2009 erstveröffentlicht. Auto Dipl.-Ing. Juergen Jasche, Robert Golin Eaton Corporation Internet: 9