Automobilzulieferer werden

Hybridantriebstechnik setzt sich durch Automobilzulieferer werden auch bei neuen Technologien immer stärker in die Rolle des Innovationsführers gedrängt. Zwar haben jüngst Automobilhersteller Teile der Produktion und Entwicklung wieder in die Konzerne verlagert zum Teil auf Grund von Überkapazitäten oder um Standortsicherungsverträgen nachzukommen, aber auch um Knowhow und Qualität zu sichern. Trotzdem gehen die Automobilzulieferer davon aus, dass der Trend zum Outsourcing anhält. 45 % der 120 von uns in 2005 befragten Zulieferer rechnen damit, künftig noch mehr Entwicklungsarbeit für Hersteller aus dem Volumensegment zu übernehmen. Für den Premiumbereich gehen 34 % von einer Steigerung aus, so die Analyse von Franz Wagner, Leiter des Bereichs Automotive bei der Unternehmensberatung PriceWaterhouse Coopers [1]. Die Zulieferer spekulieren dabei auf vermehrte Produktionsaufträge, auch in der Hybridtechnik. Und hier geht es besonders auch um kraftstoffsparende Antriebskonzepte. Im Jahr 2010 rechnen wir weltweit mit 74 Modellen und einer Gesamtverkaufszahl von rund einer Million Hybridfahrzeugen. Es steht außer Frage, dass die Hauptmerkmale der Hybridantriebstechnik wie Start- Stopp-Fähigkeit, hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen oder Bremsenergie-Rückgewinnung in reifen Märkten wie Europa, Japan oder den USA mittelfristig in unterschiedlicher Ausprägung in allen Automobilen zu finden sein werden, prognostiziert Wagner. Japan sei derzeit klar führend bei Produktion und Absatz von Hybridfahrzeugen. Europäische und nordamerikanische Fahrzeughersteller hätten jedoch zur Aufholjagd angesetzt. Das wird im Markt nicht ohne Folgen bleiben. Zwar dominieren japanische Hersteller derzeit die Nische mit einem Marktanteil von mehr als Europäische Automobilzulieferer stehen in den Startlöchern Ferdinand Porsche entwickelte schon Ende des 19. Jahrhunderts einen Hybridmotor, den Mixte. Doch erst heute wird dieses Antriebskonzept wieder aktuell und von den Fachleuten diskutiert aufgrund steigender Energiepreise und dem unübersehbaren Zwang, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Von Achim Scharf 70 % souverän. Dieser Anteil könnte bis zum Jahr 2010 aber auf 50 % zurückgehen. Dank entsprechender Investitionen nordamerikanischer Automobilhersteller dürften dann die Zwitterwesen mit Verbrennungs- und Elektromotor unter der Haube um das Jahr 2010 herum zu 40 % in Nordamerika vom Band laufen, meint Wagner. In den USA machen derzeit Sports Utility and Light Commercial Vehicles rund die Hälfte des amerikanischen Automobilmarktes aus und werden von Ford und General Motors (GM) dominiert. Diese Unternehmen stecken in akuten Absatzschwierigkeiten, die ehemalige GM-Tochter Delphi, weltweit zweitgrößter Automobilzulieferer, musste in 2005 gar Insolvenz anmelden. Zudem will Präsident Bush neben dem Hybridantrieb, der mit bis zu 3400 US-Dollar je Fahrzeug steuerlich gefördert wird, ab 2006 auch den Clean Diesel steuerlich fördern. Hier sehen europäische Zulieferanten wie Bosch [2] Perspektiven für den Diesel. Europäische Automobilhersteller haben jedoch das Marktpotential der I Bild 1. Das Smart Electronic Start/Stopp System von Bosch wird an das Getriebe angekuppelt und mit Motorsteuerung, Bremse, Lichtmaschine und Akku verbunden. (Bild: Bosch) www.elektroniknet.de Elektronik automotive 2.2006 47

IIII Hybridantriebe Hybridtechnologie wegen des Diesels lange unterschätzt. 2007 sollen jedoch erste Modelle made in Europe das positive Image der Hybridtechnologie nutzen und Käufer finden. Bis zum Jahr 2010 wird es nach Einschätzung von PWC 21 europäische Modelle geben, und die Produktion wird die Marke von 40 000 Einheiten überschreiten. Auch das Interesse Chinas an der zukunftweisenden Antriebstechnologie darf nicht unterschätzt werden. Die Volksrepublik räumt dem schonenden Umgang mit Energieressourcen und der Reduktion der Luftverschmutzung neuerdings einen besonderen Stellenwert ein. China könnte dank einschlägiger Erfahrungen auf dem Feld der Elektronik rasch zu den anderen Herstellerstaaten aufschließen, glaubt Wagner. Für ausländische Produzenten sei diese Entwicklung ein zweischneidiges Schwert. Zwar ist China als Absatzmarkt überaus verlockend. Doch auf der anderen Seite trüben drohende Verstöße gegen den Schutz geistigen Eigentums die Freude. Hybrid versus Diesel Kommen wird der Diesel in den USA zunächst vor allem in den Segmenten Sports Utility und Light Commercial Vehicle. Daher lohnt es sich schon, Kosten-Nutzen- Vergleiche anzustellen. Wir haben dies auf der Basis einer Simulation getan. Ausgangspunkt ist ein Ottomotor mit klassischer Saugrohr-Einspritzung. Daran haben wir gemessen, welche Zusatzkosten vonnöten sind, um Kohlendioxid-Ausstoß und Kraftstoff-Verbrauch zu senken. Sehr bald wird klar, dass der Dieselmotor besonders günstig abschneidet. Zwar erreicht der Hybridantrieb ein vergleichbares Minimum an Kohlendioxid-Emissionen aber mit höherem Aufwand. Wird er weiter aufgerüstet, dann vor allem wegen des Fahrspaßes. Genau dies lässt neben zunehmenden Kosten auch Verbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß wieder steigen, unterstreicht Bernd Bohr, Vorsitzender des Unternehmensbereichs Kraftfahrzeugtechnik der Robert Bosch GmbH. Den höchsten Marktanteil für Hybrids sehen wir daher auch in Japan voraus, mit 5 % unter den,light Vehicles im Jahr 2015. In den USA erwarten wir 4 % und in Westeuropa 2 %. In den asiatischen Schwellenländern gibt es zwar auch viele Ballungszentren, für die der Hybrid prädestiniert wäre, aber dort werden die Autokäufer vorerst sensibel auf seine hohen Anschaffungskosten reagieren, erwartet Bohr. Die generelle Betrachtung, bezogen auf einen gemischten Fahrzyklus, I Bild 2. Der von Bosch entwickelte Elektromotor für Hybridantriebe wird in den Antriebstrang integriert und kann mit Leistungen bis zu 50 kw ein Automobil auch über kurze Strecken emissionsfrei antreiben. (Bild: Bosch) darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Hybridantrieb seine spezifischen Vorteile im innerstädtischen Verkehr hat, schon wegen des Start- Stopp-Betriebes und der Bremsenergie-Rückgewinnung. Es ist daher nur folgerichtig, dass unser erstes Serienprojekt für einen Strong Hybrid auf ein typisches Kurierfahrzeug abzielt Produktionsbeginn 2007, stellt Bohr fest. Intensiv entwickelt das Unternehmen verschiedene Hybridkonzepte, inzwischen auch in einem eigenen Projekthaus. Mit Elektromaschine und Batterie sei es dabei nicht getan, vielmehr komme es auf das Zusammenspiel dieser neuen Komponenten mit dem Motor- und Bremsenmanagement an. Dabei richten wir uns darauf ein, dass sich der Hybrid vor allem als Antrieb für das,stop-and-go eignet, so Bohr. Vorteilhaft ist ein Hybrid in den nachfolgenden Verkehrssituationen: Zum Anfahren ist der Elektromotor die ideale Antriebsquelle, da er sein maximales Drehmoment bereits aus dem Stand entwickelt. Der Verbrennungsmotor springt bedarfsgerecht automatisch an, wenn darüber hinaus mehr Leistung gefordert ist. Dynamisch beschleunigt das Fahrzeug mit der kombinierten Kraft beider Antriebsquellen, die gleichzeitig ihr maximales Drehmoment liefern können. Bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit kommt die Antriebskraft vom Verbrennungsmotor. Gleichzeitig kann der Elektromotor als Generator arbeiten und mit dem erzeugten Strom die elektrischen Verbraucher des Bordnetzes sowie die Batterie versorgen. Wenn der Fahrer bremst, wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die zum Aufladen der Batterie oder anderer Speicher wie z.b. Ultrakondensatoren genutzt wird. Bei konventionellen Fahrzeugen geht diese Energie als Abwärme der Bremsen verloren. Sobald das Fahrzeug anhält, stellt sich der Verbrennungsmotor automatisch ab. Die europäischen Automobilhersteller haben sich verpflichtet, die Abgas-Emissionen bis zum Jahr 2008 auf durchschnittlich 140 g zu senken. Entsprechend muss auch der Kraftstoffverbrauch sinken. Die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Verzögern durch Umwandlung in elektrische Energie hilft viel Kraftstoff sparen, denn die gespeicherte, elektrische Energie ist zum erneuten Anfahren oder Beschleunigen einsetzbar. Bei den bisher üblichen Antrieben nur mit Verbrennungsmotor geht die Bremsenergie dagegen verloren als Wärme. Bis zu 80 % der alltäglichen Bremsvorgänge laufen mit einer geringen Verzögerung (0,3 g) ab, die der Elektromotor/-gene- 48 Elektronik automotive 2.2006 www.elektroniknet.de

rator allein mit dem Laden des Energiespeichers abdecken kann. Bosch: Projekthaus seit 2004 Bosch beschäftigt sich bereits seit mehr als 30 Jahren mit Hybridtechnologien. Um deren Bedeutung zu unterstreichen, wurde im Jahr 2004 ein eigenständiger Bereich gegründet, das Projekthaus Hybridsysteme. Dahinter steht das Verständnis, dass Hybride mehr sind als nur die Kopplung technischer Komponenten. Denn für ein wirkungsvolles Hybridfahrzeug müssen der Verbrennungsmotor, die Elektromaschine, die Bremsen und weitere Aggregate optimal aufeinander abgestimmt werden. Nur so ergeben sich die angestrebten Verbesserungen, ergänzt Manfred Walter, Leiter des Projekthauses Hybridsysteme. Wir greifen auf das im Unternehmen konzentrierte Wissen der Arbeitsgebiete Energiesysteme, Bremse, Elektronik, Benzin- und Dieseleinspritzung zurück. Rund 100 Spezialisten arbeiten im Projekthaus intensiv an Entwicklung und Vertrieb des Hybridantriebs. Zusätzliche Mitarbeiter aus den anderen Geschäftsbereichen unterstützen uns. Ein konkretes Ergebnis ist bereits greifbar: Das erste Bosch- Hybridsystem (Bild 1), das Smart Electronic Start/Stopp System (SES), wird voraussichtlich von 2006 an in Serie gefertigt. Hybridsysteme teilt Bosch in drei Funktionsklassen Micro Hybrids, Mild Hybrids und Strong Hybrids. Die Micro Hybrids stellen den kostengünstigsten Einstieg dar. Beim SES übernimmt das Motorsteuergerät die Ansteuerung eines modifizierten Starters in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch und einiger Sensorgrößen. Das Smart Power System (SPS) basiert auf einem Generator (Bild 2) mit zwei Betriebsmodi. Im 14-V-Modus versorgt es das konventionelle elektrische Bordnetz mit bis zu 3 kw elektrischer Leistung. Im 42-V-Modus erzeugt es Leistungen bis zu 8 kw und speist damit Hochleistungsverbraucher wie z.b. eine Scheibenheizung. Die nicht benötigte Leistung wird über einen Spannungswandler dem Bordnetz zugeführt. Diese Variante des Micro Hybrid ist kombinierbar mit einer rekuperativen Betriebsbremse, bei der die Bremsenergie teilweise in elektrische Energie umgesetzt und in einer leistungsfähigen Batterie gespeichert wird. Der Übergang zwischen Mild und Strong Hybrids ist fließend. Beide enthalten die Vorteile der Mikro-Hybridsysteme. Mild Hybrids haben meist eine Elektromaschine mit einer Leistung von 10 kw bis 25 kw. Dieser relativ kleine Elektromotor bietet zusätzliche Kraft beim Überholen, also einen Booster -Effekt, und erlaubt im Zusammenspiel mit einem verkleinerten Verbrennungsmotor eine Kraftstoffeinsparung von 30 % und mehr. Beides offeriert auch der Strong Hybrid. Er hat aber eine stärkere Elektromaschine von typischerweise rund 50 kw und unterstützt mit einem Drehmoment bis zu 350 Nm aus dem Stand den Verbrennungsmotor deutlich stärker. Der Fahrer spürt dadurch eine viel dynamischere Beschleunigung als bei einem Antrieb allein mit Verbrennungsmotor. Diese Systeme könnten auch als reine Einsparsysteme verwendet werden und hätten ein Kraftstoffeinsparpotential von mehr als 30 %. Strong Hybrids bieten zudem die Möglichkeit, kürzere Strecken nur mit Elektroantrieb und damit emissionsfrei zu fahren. Dazu ist eine zusätzliche Kupplung erforderlich, die die beiden Antriebsquellen voneinander entkoppelt. Allen Hybridklassen gemeinsam ist die intelligente Kommunikation zwischen den elektronischen Regelsystemen und den Sensoren. Der Fahrerwunsch nach Beschleunigung oder Verzögerung, der Batterieladezustand und weitere Einflussgrößen werden für das optimale Zusammenspiel der Komponenten verwendet. So können die einzelnen Ziele Reduktion von Emission und Kraftstoffverbrauch, emissionsfreies Fahren, Erhöhung des Fahrspaßes oder Kombinationen davon erreicht werden. Der Hybrid hat seine Vorteile in der Stadt, wo viel gebremst und angehalten wird. Der Diesel hingegen punktet im Überlandbetrieb, konzediert Walter. Continental: Hybridtechnik für GM und VW Ein weiteres Beispiel für eine deutsche Entwicklung, die allerdings in den I Bild 3. Der Elektromotor/Generator des Integrierten Starter- Alternator-Dämpfers (ISAD) von Continental Temic ersetzt das Schwungrad zwischen Ottomotor und Getriebe. USA ab 2003 in Serie ging, ist der Integrierte Starter-Alternator-Dämpfer (ISAD) von Continental Temic [3]. Ein elektrischer Motor/Generator (Bild 3) umgreift anstelle des Schwungrades zwischen Motor und Getriebe die Kurbelwelle und ist über Leistungselektronik mit einem Akku-/ Ultracap-Energiespeicher verbunden. ISAD unterstützt den Motor mit bis zu 200 Nm zusätzlichem Drehmoment. In sehr kurzer Zeit (10 ms) kann die Elektronik das System von Generator- auf Motorfunktion umschalten und damit Mild-Hybridfunktionen wahrnehmen. Damit kompensiert ISAD durch das phasenrichtige Aufbringen von Drehmomenten auf die Kurbelwelle wirksam Torsionsschwingungen im Antriebsstrang. Die Dämpfungsfunktion ermöglichte nicht nur die Reduktion der Größe des Drehmomentwandlers, die zu der besonders kompakten Integration in den Rotor der elektrischen Maschine führte, sie verringerte zudem die hydrodynamischen Verluste im Drehmomentwandler und verbesserte die Funktion der Schubabschaltung. Die Hybridtechnologie ist für GM eine der Schlüsseltechnologien, um den (Bild: Continental Automotive Systems) www.elektroniknet.de Elektronik automotive 2.2006 49

IIII Hybridantriebe I Bild 4. Der ISAD-Hybrid-Antrieb von Continental Temic nutzt Kondensatoren (Ultracap) als Energiespeicher. (Bild: Continental Automotive Systems) Treibstoffverbrauch sowie die Schadstoff-Emissionen zu senken. Die Pick- Ups GMC Sierra und Chevrolet Silverado wurden als weltweit erste Mild- Hybridfahrzeuge mit 42-V-ISAD- System konzipiert. Seit Herbst 2003 läuft nun die Serienfertigung des ISAD-Systems für diese Fahrzeuge. Beide sind mit einem 5,4-l-V8-Ottomotor und Automatikgetriebe ausgerüstet. Primäres Ziel bei Konzeption und Entwicklung war die Verbrauchsreduktion um mindestens 10 % bei möglichst geringer Abweichung vom Serienstandard. Regeneratives Bremsen sowie die Mild-Hybrid- und Start-/Stopp-Funktion mit Ultracaps (Bild 4) tragen dazu erheblich bei. Der ISAD bildet wegen des höheren Wirkungsgrades eine 42-V-Insel im Fahrzeug, das wie bisher mit 12 V oder 24 V betrieben werden kann. Im Motorleerlauf werden bis zu 5 kw elektrischer Energie für interne oder auch externe Verbraucher geliefert, bei Nenndrehzahl 15 kw. Kommt das Auto zum Stehen, schaltet sich der Ottomotor ab. Beim Tritt aufs Gaspedal bringt ISAD ihn nahezu geräuschlos innerhalb von 0,2 s auf Leerlaufdrehzahl rund zehnmal so schnell wie mit einem konventionellen Starter. Bei kaum modifizierten Serienautos führen diese Funktionen zu Verbrauchseinsparungen von mehr als 10 %. Bei entsprechender Auslegung aller relevanten Fahrzeugsysteme sind bis zu 15 % möglich. Im Januar 2006 hat die Volkswagen AG mit Continental Automotive Systems eine Partnerschaft zur Entwicklung und Lieferung der Leistungselektronik (Bild 5) für zukünftige Hybridprojekte vereinbart. Gleichzeitig erteilte VW Continental und der ZF Friedrichshafen [4] den Auftrag für ein Hybridantriebsmodul. Die Leistungselektronik ist bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb das Herzstück. Sie sorgt für die Umsetzung von Befehlen wie elektrisches Fahren, Boosten und regeneratives Bremsen in Verbindung mit dem Elektromotor und Energiespeicher. Dabei stellt sie auf der einen Seite die Schnittstelle zur Fahrzeugkommunikation und auf der anderen Seite über die Leistungshalbleiter den sicheren Energiefluss zwischen Energiespeicher und Elektromotor her. Continental Automotive Systems kann hier auf die langjährige Erfahrung der Continental Temic in der Steuergeräte-Elektronik und den laufenden Serienprojekten zurückgreifen. Wir sehen in Hybridantrieben den richtigen Weg hin zu einer Mobilität, die sich von Verbrennungsmotoren und dem Verbrauch fossiler Brennstoffe weiterentwickelt zu einem umweltfreundlichen und dynamischen Fahren. Mit unseren Hybridsystemen sind wir mit GM und DaimlerChrysler seit 2003 in Serie, so Karl- Thomas Neumann, Vorsitzender der Geschäftsleitung Continental Automotive Systems. In Berlin hat das Unternehmen in 2005 ein Zentrum für elektrische Antriebe aufgebaut, hier sind auch die Kompetenzen in der Hybridtechnik konzentriert. Mit mehr als 70 Mitarbeitern in der Entwicklung wol- I Bild 5. Die Leistungselektronik des ISAD steuert den Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine (Bild 3) und dem Energiespeicher (Bild 4) mit einer Dauerleistung von 100 kva. (Bild: Continental Automotive Systems) 50 Elektronik automotive 2.2006 www.elektroniknet.de

I Bild 6. Für Toyota entwickelte Denso dieses Hybrid-Steuergerät, das mit dem Lexus RX400H auch nach Europa kommt. (Bild: Denso) I Bild 7. Der neue Gleichspannungswandler von Denso ist 10 % kleiner als sein Vorgänger und liefert dennoch höhere Ausgangsströme bis zu 120 A. (Bild: Denso) len wir uns frühzeitig in einem Markt etablieren, der zuverlässigen Prognosen zufolge im Jahr 2012 mehr als zwei Millionen Hybridfahrzeuge umfasst. Durch die Bündelung der Kräfte an einem Standort können wir Synergiepotentiale noch besser nutzen als bisher, unterstreicht Neumann. Und für das Hybridantriebsmodul aus elektrischem Antrieb inklusive Leistungselektronik sind wir für die Leistungselektronik verantwortlich. Die ZF Friedrichshafen AG liefert die Elektromaschine, die Kupplung und das Zweimassenschwungrad. Das ist nur wenige Monate nach Ankündigung unserer Zusammenarbeit ein erster überzeugender Erfolg des Konsortiums von ZF Friedrichshafen und Continental Automotive Systems, sagte Karlheinz Haupt, Leiter Business Unit Elektrische Antriebe. Die Gesamtbilanz von Emissions- und Verbrauchsreduzierungen spricht trotz zusätzlichen Gewichts und Teilekosten für den Hybridantrieb. Wir fokussieren uns auf Leistungen von 20 kw bis 70 kw, für deren Entwicklung ISAD eine ideale Basis ist. Denso: Komponenten für Toyota Der japanische Zulieferer Denso [5] hat auf der letzten Motor Show in Tokio vier neue Komponenten für Hybridfahrzeuge präsentiert ein Hybrid-Steuergerät, eine Batterieüberwachung, einen Gleichspannungswandler und einen elektrischen Kompressor für die Klimaanlage. Diese Komponenten wurden bereits in den japanischen Harrier- und Kluger-Modellen sowie dem Lexus RX400H für die USA und Europa vorgestellt. Das gemeinsam mit Toyota entwickelte Hybrid-Steuergerät (Bild 6) integriert Funktionen wie Systemüberwachung, Motorsteuerung und Batterieüberwachung in einer Einheit. Eine neue separate Batterieüberwachung überwacht den Zustand der Hauptbatterie per Spannung, Strom und Temperatur. Der neue Gleichspannungswandler (Bild 7) ist etwa 10 % kleiner als die Vorgänger-Generation, bringt jedoch einen höheren Ausgangsstrom bis zu 120 A für höhere Motorleistungen. Der Motor des elektrischen Kompressors 60 % kleiner als ein konventioneller Kompressor wird über einen eingebauten Umrichter gespeist. Es ist nicht einfach, einen Umrichter in einen konventionellen Kompressor einzubauen, da die Kühlung über den normalen Kühlkreislauf erfolgt. Zur Lösung dieses Problems setzen wir ein Kühlmittel aus Klimageräten ein. Und unsere Segment-Wicklungsmethode, die wir auch für Lichtmaschinen einsetzen, konnte die Größe des eingebauten Motors erheblich reduzieren, stellt Hiromi Tokuda, Densos Powertrain-Manager fest. Wir haben bereits für den ersten Toyota-Prius die ersten Komponenten geliefert und werden weiterhin neue Technologien und Produkte für Hybridfahrzeuge entwickeln. LuK: Mild Hybrid mit ESG I Bild 8. Um Platz zu sparen, baut LuK die Elektromaschine des Hybridantriebes achsparallel zum Getriebe ein. (Bild: LuK) Die Bühler LuK-Gruppe [6], einer der führenden Automobilzulieferer mit einem jährlichen Produktionsvolumen von über 14 Millionen Kupplungen, entwickelte ein elektrisches Schaltgetriebe (ESG), das besonders vorteilhaft die Eigenschaften des Doppel-Kupplungsgetriebes mit den Funktionen eines milden Hybridantriebes kombiniert (Bild 8). Basis ist das trockene Doppel-Kupplungsgetriebe (PSG), da es hohen Komfort mit einem hohen www.elektroniknet.de Elektronik automotive 2.2006 51

IIII Hybridantriebe Wirkungsgrad verbindet. Die Kupplungen werden über elektromechanische Elemente gesteuert. I Bild 10. Der riemengetriebene Starter-Generator StARS von Valeo kann am Einbauplatz der herkömmlichen Lichtmaschine montiert werden. (Bild: Valeo) I Bild 9. Mild Hybrids mit Energierückgewinnung von Siemens VDO laufen derzeit in Demonstrationsfahrzeugen. (Bild: Siemens VDO) Durch Anbindung einer Elektromaschine an der Getriebeeingangswelle der geraden Gangstufe werden, ohne zusätzliche Komponenten, alle hybriden Funktionen wie Start/Stopp, Rückgewinnung von Bremsenergie und das Verkleinern des Verbrennungsmotors durch den elektrischen Booster -Motor ermöglicht. Die Elektromaschine wird achsparallel zum Getriebe eingebaut. Dadurch bleibt die axiale Länge des gesamten Antriebes unverändert gegenüber dem Basisantrieb, was vor allem für die engen Bauraumbedingungen bei einem typischen Frontantrieb große Vorteile bietet. Der Riementrieb entfällt zugunsten einer elektromechanisch angetriebenen Wasserpumpe zur Kühlung des Verbrennungsmotors. Die Gesamtlänge des ESG-Antriebsstranges reduziert sich damit um 22 mm. Zusätzlich ist, aufgrund der Bauweise, eine Klimatisierung auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor möglich. Der Energiespeicher des Milden Hybrid (42 V, Ultracap mit Bleiakku) ist derzeit im Kofferraum eines 1,3-Liter-Prototypen untergebracht. Das Ultracap-Modul mit einer Kapazität von 150 F ermöglicht nicht nur einen guten Wirkungsgrad bei der Zwischenspeicherung rekupierter Energie, sondern stellt darüber hinaus für zeitkritische Vorgänge wie Synchronisierung und das Wiederstarten des Verbrennungsmotors kurzzeitig sehr hohe Leistungen zur Verfügung, erläutert Dr.-Ing. Reinhard Berger, LuK-Abteilungseiter für Systemintegration. Der Booster kompensiert das Turboloch durch einen kurzzeitigen Überlastbetrieb der Elektromaschine und unterstützt auch das Beschleunigen aus dem Stand bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors. Wir konnten gegenüber dem Basisfahrzeug eine um rund 1,1 s kürzere Beschleunigung bis auf 70 km/h messen, und das bei 44 kg zusätzlichem Gewicht für den Milden Hybridantrieb. Der Kraftstoffverbrauch kann gegenüber dem konventionellen Fahrzeug um 13,6 % reduziert werden und bei aktiviertem elektrischen Fahren um weitere 2 %, resümiert Berger. Siemens VDO: Hybrid-Modulbaukasten Als ersten Schritt in Richtung Hybridtechnik hat Siemens bereits 2002 einen Integrierten Starter-Generator (ISG) zur Serienreife entwickelt. Heute arbeitet Siemens VDO [7] an einem Baukastensystem für Hybridantriebe, das ein breites Leistungsspektrum von 5 kw bis 75 kw bieten soll. Zu den Komponenten zählen Elektromaschinen für Start-Stopp- Systeme sowie integrierte Startergeneratoren inklusive der entsprechenden Steuermodule und Leistungselektronik für Micro-, Mild- und Voll-Hybrid (Bild 9). Erstere laufen in Versuchsfahrzeugen und erreichen Kraftstoffeinsparungen von 6 respektive 18 %. Den Voll-Hybrid mit bis zu 75 kw elektrischer Antriebsleistung will das Unternehmen 2008 fertig haben. Es gibt keinen Hersteller, der nicht über die Hybridisierung des Antriebs nachdenkt, so Rainer Knorr, Vorentwicklung Antriebsstrang, Siemens VDO Automotive. Eine der Ziel-Herausforderungen ist es, Hochtemperaturelektronik für bis zu 150 C zu entwickeln, welche auch bei starken Vibrationen funktioniert. In der Vergangenheit seien viele Hybridantriebe entwickelt und erprobt worden, bei denen die elektrische Maschine eine möglichst gute mechanische Kopplung zum Antriebsstrang haben musste, um große Drehmomente effizient übertragen zu können. Deshalb wird die elektrische Maschine meistens direkt auf die Kurbelwelle montiert, während die Elektronik zur Ansteuerung immer noch im Motorraum des Kraftfahrzeugs platziert ist. Dabei sprechen gute Gründe dafür, die Elektronik direkt an der elektrischen Maschine anzubauen. Zum einen werden durch diese Maßnahme das Volumen und das Gewicht des Systems reduziert, da das Anschlussfeld kleiner und der Aufwand für das Gehäuse verringert wird. Zum anderen werden elektomagnetische Abstrahlungen verhindert. Ein weiterer Grund ist der immer weiter schwindende freie Bauraum unter der Motorhaube, der die Unterbringung der Leistungselektronik erschwert, unterstreicht Knorr. Mit einem integrierbaren Ansatz könnten ganzheitliche Hybridantriebseinheiten für verschiedene Fahrzeuge ge- 52 Elektronik automotive 2.2006 www.elektroniknet.de

baut und durch einen modularen Aufbau zudem noch unterschiedliche Ausführungen berücksichtigt werden. Valeo: Start/Stopp für Citroën Valeos [8] StARS μ-hybrid aus Frankreich basiert auf einem riemengetriebenen Starter-Generator (Bild 10), der bei 14 V Bordnetzspannung arbeitet und die Funktionen des Anlassers und der Lichtmaschine in sich vereint. Er besteht aus einem reversiblen Generator mit dazugehöriger Elektronik. Bei Stillstand wird der Ottomotor abgeschaltet, und sobald der Fahrer den Fuß von der Bremse nimmt, springt der Motor wieder an. Der riemengetriebene Starter-Generator wird am selben Einbauplatz montiert wie ein herkömmlicher Generator. Ein Umrichter zwischen Batterie und Generator ist einerseits für ein schnelles Anlassen des Ottomotors und die Stromerzeugung zuständig, andererseits setzt er die Start-Stopp-Strategie um. Die Leistungselektronik mit integrierter Regelungstechnik ermöglicht ein nahezu lautloses Starten des Motors über den Keilriemen in 400 ms, ungefähr dreimal so schnell wie ein herkömmlicher Anlasser. Der Generatorbetrieb weist durch den Einsatz von MOSFETs anstelle von Dioden (Synchrongleichrichter) einen um 15 % verbesserten Wirkungsgrad auf, maximaler Ausgangsstrom ist 180 A. Generator und Elektronik sind luftgekühlt. Seit Herbst 2004 ist StARS μ-hybrid serienmäßig im Citroën C3 eingebaut. StARS wird auch in einem Micro- Hybrid-Forschungsprojekt auf Ford- Fiesta-Basis eingesetzt Ford bezeichnet StARS als belt-driven integrated startergenerator. Valeo arbeitet derzeit an Erweiterungen des Systems, wie zum Beispiel der Bremsenergierückgewinnung, die weitere Kraftstoffeinsparungen mit sich bringt. Die Batterie wird ohne Hilfe des Verbrennungsmotors geladen. Die Energierückgewinnung des regenerativen Bremssystems funktioniert sogar auf Autobahnen, sobald der Fahrer den Fuß vom Gaspedal nimmt, um langsamer zu werden. Der neue Fiesta mit 1,4-l-/80-PS-Benzinmotor an einem Fünfganggetriebe könnte 2006 in Serie gehen, hofft Valeo-Chef Thierry Morin. Unser Micro Hybrid StARS bringt schon bis zu 15 % Kraftstoffersparnis, mit der zweiten Generation und regenerativem Bremsen sind es bis zu 20 %. Wir sehen die Hybridtechnologie damit als eine der fünf wichtigen Säulen der Verbrauchsreduzierung. Zusammen mit Ricardo [9] entwickelte Valeo einen Prototyp eines Hybridleichtfahrzeuges (i-mogen), ausgestattet mit einem Ricardo-Dieselmotor und 42-V-Systemen von Valeo integrierter Starter-Generator, Thermiksysteme. Diese Kombination soll bis zu 25 % Kraftstoff sparen. Valeos Lieferant für die Leistungselektronik- Module ist International Rectifier. In den Jahren nach 2015 wird sich was nach diesen Aktivitäten der Zulieferer zu vermuten ist und auch von den Unternehmensberatern von Price- Waterhouse Coopers so verhergesehen wird die Hybridtechnologie auf dem Markt etabliert haben und die Wachablösung vollzogen sein. hs Literatur [1] www.pwc.com [2] www.bosch.de [3] www.conti-online.com [4] www.zf.com [5] www.globaldenso.com [6] www.luk.de [7] www.siemensvdo.de [8] www.valeo.com [9] www.ricardo.com Dipl.-Ing. Achim Scharf ist seit 1973 zugereister Rattenfänger in München. Er erlernte Radio-/Fernsehtechnik in Hameln und studierte Nachrichtentechnik in Lemgo. Nach Industrieerfahrungen in der Halbleiterindustrie ist er seit 1975 Fachjournalist in der Elektronik und verwandten Bereichen. Heute betreibt er in München sein Hightech-Redaktionsbüro mit den Schwerpunkten Automatisierungstechnik, Elektronik und Fahrzeugtechnik. HTRedaktion@aol.com www.elektroniknet.de Elektronik automotive 2.2006 53