Neue Idee fürs Reichweitenproblem: ein Hybrid aus Elektro- und Erdgasmotor

DE4LoRa heißt der Prototyp. Das steht für „Doppel-E-Antrieb for Long Range“ und verbindet einen hocheffizienten elektrischen Antrieb mit einem emissionsminimierten Erdgasmotor. Die zusätzliche Hybridisierung soll dabei vor allem das Problem der bislang noch nicht ausreichenden Reichweiten von Elektrofahrzeugen beheben. Denn der Prototyp soll weit kommen.

„Für viele Nutzer, deren tägliche Fahrten selten 100 Kilometer überschreiten, sind Hochvolthybride eine zukunftsfähige Lösung“, sagt Stephan Rinderknecht, Professor für mechatronische Systeme im Maschinenbau an der TU Darmstadt und einer der Initiatoren von DE4LoRa. „Sie bieten lokal emissionsfreies elektrisches Fahren auf Alltagsstrecken und gleichzeitig volle Langstreckentauglichkeit. Die technische Grundlage in Form einer neuen Referenzarchitektur entwickeln und erproben wir mit DE4LoRa.“

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Hybridfahrzeug mit Erdgas: viel Effizienz, hohe Reichweite und wenig Kosten

Die sogenannten Hochvolthybride gibt es bereits. In der Regel sind es Fahrzeuge aus der höheren Preisklasse. Sie erweitern den konventionellen Antrieb um einen elektrischen. Und das ist eben verhältnismäßig teuer. Alternativ gibt es auch rein batterieelektrische Antriebe. Um allerdings längere Fahrstrecken möglich zu machen, sind große Batteriekapazitäten notwendig. Insgesamt lassen sich bei beiden Konzepten für zahlreiche Nutzungsprofile und Randbedingungen durchaus Potenziale finden, mit denen sich der gesamtökologische Fußabdruck des jeweiligen Systems verringert werden kann. An diesem Punkt setz DE4LoRa an.

Basis von DE4LoRa ist eine einfach gehaltene Struktur des hybriden Doppel-E-Antriebs mit drei Zielen: hohe Effizienz, geringe Kosten und hohe Reichweiten. Das funktioniert, indem die Antriebe über ein spezielles Getriebekonzept miteinander verbunden werden. Es nennt sich Dedicated Range-Extender Transmission (DTR). Der hocheffiziente elektrische Antrieb weist eine Spannung von 800 Volt auf. Dank eines bidirektionalen Ladesystems, das eigens dafür entwickelt wird, sollen Ladeverluste auf ein Minimum reduziert werden können. Die Forschenden verzichten dabei absichtlich auf einen Transformator im Fahrzeug, der viel Raum einnehmen würde. Gleichzeitig wolle man aber auch bei der elektrischen Sicherheit keinerlei Abstriche machen. Der gesamte Antrieb ist vor allem darauf ausgelegt, Verluste zu minimieren. Das gelingt durch zwei baugleiche E-Maschinen und die Mehrgängigkeit des Antriebsstrangs. Das Forschungsteam setzt dabei darauf, dass ein kleiner E-Motor, der höher ausgelastet wird, effizienter sein kann als eine große Maschine. Es macht sich den sogenannten Downsizing-Effekt zunutze.

Hybridfahrzeug mit Erdgasmotor soll alltagstauglich sein

Je nach Lastanforderung und Geschwindigkeit besteht die Möglichkeit, nur eine E-Maschine oder beide zu nutzen. Die Forschenden sind sich sicher, dass der größte Teil der Fahrten im Alltag mit einer moderaten Batteriekapazität komplett elektrisch möglich sei. Der Verbrennungsmotor biete dazu vier parallele Gänge und könne seriell hinzugeschaltet werden. Das mache das Konzept trotz geringer Batteriekapazität, im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen, durchaus langstreckentauglich. Der Grund dafür liege in der Hybridisierung.

Der herkömmliche Teil des Antriebs solle ein reiner Erdgasmotor sein, der mit Compressed Natural Gas (CNG) betrieben werden könne. Er stoße weniger Treibhausgasemissionen aus als ein klassischer Benzinmotor und sei zudem effizienter als ein Dual-Fuel-CNG-Motor, der sowohl Erdgas als auch Benzin verarbeiten müsse. Nun komme es noch auf eine intelligente Nutzung der beiden E-Maschinen an. Dann müsse der DE4LoRa-Gasmotor nicht allen dynamischen Veränderungen folgen und könne so häufiger in hocheffizienten und schadstoffarmen Betriebsbereichen laufen. Diesen bezeichnen die Forschenden auch als „phlegmatisierten“ Betrieb. Damit lasse sich weiterer Kraftstoff sparen, ermögliche einen weniger komplexen Aufbau und eine kleinere Dimensionierung. Und das senke am Ende eben auch die Kosten.

Hybridfahrzeug mit Erdgasmotor als Vision für kleinere Fahrzeugsegmente

Denkt man weiter, ließe sich der Antrieb auch auf langen Strecken CO₂-neutral nutzen, vor allem dann, wenn man synthetische Gase einsetzen kann, die auf regenerativer Basis hergestellt werden. Die Forschergruppe ist sich einig: Mit ihrem Prototyp erarbeitet sie ein neues Gesamtkonzept, das nicht nur besonders effizient sei, sondern auch ökologisch und ökonomisch attraktiv. Ihre Idee zeige das Potenzial von Hybridantrieben auch für kleinere Fahrzeugsegmente.

An dem Forschungsprojekt DE4LoRa sind das Institut für Mechatronische Systeme, für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe sowie für Elektrische Energiewandlung, Leistungselektronik und Antriebsregelung der TU Darmstadt beteiligt. Koordiniert wird es von dem Unternehmen Vitesco Technologies. Darüber hinaus bringen noch folgende Industriepartner ihre Expertise mit ein: APS-technology GmbH, AVL Software und Functions GmbH, BMZ Germany GmbH, Compredict GmbH, Hyundai Motor Europe Technical Center GmbH, Isar Getriebetechnik GmbH & Co. KG und Windschiegl Maschinenbau GmbH. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Projekt mit rund 6,4 Millionen Euro.

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