Automobilelektronik 20.08.2004, 18:32 Uhr

Mit „Power Split“ sparsam Auto fahren

VDI nachrichten, Aachen, 20. 8. 04 -Der Hybridantrieb aus Japan bringt Bewegung in die amerikanische wie deutsche Autoindustrie. Toyotas Erfolg mit dem neuen Prius und der Start eines sparsamen und leistungsstarken Hybrid-Geländewagen von Toyota 2005 lässt sie nicht mehr kalt. Es ist deshalb kaum verwunderlich, dass das „Hybrid Synergy Drive“-Konzept des Prius auf der „Power Electronics Specialist Conference“ große Beachtung fand.

Hybridautos fahren aus der Nische, wie Honda Civic IMA mit „Mildehybrid“-System und der Toyota Prius II mit dem fortschrittlichsten „kooperativen“ Parallelhybrid-System „Hybrid Synergy Drive“ (HSD). Beim Prius, der allein über Benzin- und Elektromotor als auch von beiden gemeinsam angetrieben wird, ist wie bei allen Mischsystemen die Leistungselektronik ein Schlüssel der Antriebs-Innovation. Kein Wunder, dass sie Ende Juni viel Beachtung auf der „Power Electronics Specialist Conference“ in Aachen fand.
Der neue Prius erfreut sich seit seinem Start im Herbst 2003 derart großer Beliebtheit in Japan und den USA, dass die Produktion angehoben werden musste. Geplant hatte Toyota für 2004 den Absatz von 80 000 Prius, der jetzt auf mindestens 120 000 Einheiten erhöht wurde. Abgesehen von einigen tausend Stück wird die Hälfte der Prius-Produktion in Nordamerika verkauft.
Für Fujio Cho, Präsident der Toyota Motor Corporation, war der internationale Erfolg des neuen Hybridfahrzeug überraschend. Neben der Auszeichnung „Auto des Jahres“ in den USA freute man sich bei Toyota auch über die Einstufung des Prius in Deutschland als Fahrzeug mit den geringsten Emissionen im ADAC Eco-Test und über den 1. Rang im Öko-Trend.
Basis für die Eigenschaften des kooperativen Parallelhybridantriebs ist für Chefingenieur Masao Inoue „die auf 500 V gesteigerte Betriebsspannung des elektrischen Antriebssystems, angefangen beim Motor bis zum Generator“. Der Elektromotor könne dadurch mit kleinerer Strombelastung gefahren werden, was den Wirkungsgrad erheblich steigere.
Das neue Konzept „Hybrid Synergy Drive“ (HSD) im Toyota Prius arbeitet mit einem Synchronmotor, ausgestattet mit V-förmig angeordneten „Neodym“-Magneten im Stator und einem Rotor aus gestapelten Stahlblechen für höheres Drehmoment und besseren Wirkungsgrad. Auch der Generator arbeitet im Synchronbetrieb mit bis zu 10 000 min-1, um eine ausreichende Leistung für den Motor bereit zu stellen. Ein Umrichter, ausgestattet mit modernsten Leistungstransistoren, Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), setzt die Batteriespannung auf 500 V Wechselspannung für den Motor hoch, während ein Gleichspannungswandler für das normale elektrische System 12 V liefert.
Die Nickel-Metall-Hydrid(NiMH)-Batterie wird sowohl durch den Generator als auch den Elektromotor per regenerativen Bremsens geladen und erfordert somit kein externes Laden, wie beim reinen Elektrofahrzeug erforderlich. „Diese Rückgewinnung von Energie ist besonders effektiv im Stadtverkehr mit den vielen Stop-and-go-Zyklen“, erläutert Inoue.
Beim Betätigen des Bremspedals steuere das System die Koordination zwischen der hydraulischen und der regenerativen Bremse. Die Präferenz liegt, so der Chefingenieur, auf dem regenerativen Bremsen, um auch bei langsamer Fahrt Energie rückgewinnen zu können. Zusätzlich würden die reduzierten Reibungsverluste im Antriebssystem und die rückgewonnenen Systemverluste während des Abbremsens zu einer wesentlichen Steigerung der rückgewonnenen Energie führen.
Das gesamte HDS-Konzept setzt sich somit aus dem Elektroantrieb und dem 1,5-l-Benzinmotor zusammen, die beide auf ein Reduziergetriebe wirken. Die Leistung des Ottomotors (57 kW bei 5000 min-1) trennt ein „Power Split“ zwischen Getriebe und Generator auf, somit kann die aus Verbrennungsenergie erzeugte mechanische Arbeit auf zwei Wegen, mechanisch und elektrisch, übertragen werden. Dieses Verfahren der Kraftübertragung wird noch verfeinert, indem eine elektronisch geregelte, kontinuierliche variable Übertragung implementiert wurde, die die Drehzahlen von Verbrennungs- und Elektroantrieb sowie des Generators variiert.
Die Maximierung der Kraftstoffnutzung höre damit noch nicht auf, „denn die Systemsteuerung des HDS erstreckt sich auf das ganze Fahrzeug einschließlich Klimaanlage, Beleuchtung und Navigationssystem“, stellte Inoue fest. „Sie überwacht in Echtzeit die Betriebszustände des gesamten hybriden Antriebssystems sowie die Aktionen des Fahrers – wie Betätigung von Gas und Bremse – und regelt diese auf möglichst hohe Sicherheit und Effizienz aus.“
Damit höre die elektronische Steuerung aber noch lange nicht auf. Wie bei modernen Jets nutzt Toyota im Prius die „By-Wire-Control“. Bei Drücken der Starttaste überprüft das System Antrieb, Batterie und Generator auf Betriebsbereitschaft. Danach fahren die Komponenten des Hochspannungssystems wie der Elektroantrieb und die Batterie hoch, der Pkw ist nun fahrbereit.
Auf Basis der ermittelten Daten, Gaspedalstellung, Batteriezustand und Außentemperatur, entscheidet nun das Energiemanagement-System, ob die Limousine nun nur vom Elektroantrieb in Gang gesetzt oder auch der Verbrennungsmotor gestartet wird. In letzterem Fall startet der Generator den Motor und gleichzeitig berechnet das Energiemanagement-System den gesamten Energiebedarf sowie die Laufzeitbedingungen für den höchsten Wirkungsgrad. Abhängig von dieser Kalkulation stellt sich automatisch die Drehzahl des Ottomotors ein, wobei die Leistung für die elektrische Energieerzeugung sowie für die Ladung der Batterie und der externen Verbraucher berücksichtigt wird.
„HSD hat sowohl die relevanten Aspekte der Umwelt als auch der Fahrleistung verbessert“, verdeutlichte Inoue in Aachen. Mit einer Höchstgeschwindigkeit von 170 km/h, einer Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 11 s und einem Kraftstoffverbrauch im Alltagsverkehr von 5 l bis 6 l je 100 km, wie Tests der VDI nachrichten über rund 7000 km ergaben, braucht sich Toyotas neuer Prius durchaus nicht vor anderen Pkw der Mittelklasse verstecken.
Europäischen Herstellern dürfte es schwer fallen, angesichts der schleppenden Forschung und Entwicklung in Hybridfahrzeugen, ähnlich leistungsfähige und erprobte Produkte schnell auf den Markt zu bringen. Rein elektrisch angetriebene Autos, Stichwort Brennstoffzellen-Technik, dürften vielleicht noch Jahrzehnte bis zur Massenproduktion benötigen oder sogar Utopie bleiben. „Denn Verbrennungsmotoren wird es auf Grund der überragenden Energiedichte fossiler Brennstoffe immer geben“, war von Martin März vom Erlanger Fraunhofer-Institut IISB zu hören. Wobei allerdings nicht ausgeschlossen wird, dass es auch alternative Kraftstoffe sein könnten. ACHIM SCHARF/WOP
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