Vergleich verschiedener aktueller Range Extender-Lösungen für Elektroantriebe

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Elektrofahrzeuge mit Range Extender eliminieren durch ihren zusätzlichen Verbrennungsmotor das Reichweiten- und Kosten- problem reiner Elektroantriebe. Neben den Automobilherstellern entwickeln auch etliche Zulieferer Range Extender-Lösungen und rechnen sich gute Marktchancen aus.

Der Autor Jürgen Goroncy ist redaktioneller Mitarbeiter der AutomobilKONSTRUKTION

Experten sehen Range Extender generell als Wegbereiter für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen und gehen davon aus, dass es dafür eine ganz neue Gattung sehr kleiner Verbrennungsmotoren geben wird. Da diese nur in seltenen Fällen auf die vorhandenen Produktionslinien der Automobilhersteller passen und eventuell die Stückzahlen zunächst nicht sehr hoch sind, bieten sich attraktive Marktchancen für Zulieferer.
Die Einzelkomponenten eines Range Extender-Antriebs (Elektromotor und kleiner Verbrennungsmotor samt Generator) sind in der Regel seriell angeordnet, der Antrieb der Räder erfolgt allein mit dem Elektromotor. Der Getriebespezialist Getrag hat das serielle Range Extender-Hybridkonzept um ein lastschaltfähiges Zweigang-Planetengetriebe erweitert. Dieses Antriebslayout ähnelt eher einem Parallelhybrid a la Toyota und entspricht nicht mehr unbedingt der reinen „Range Extender-Lehre“.
Deutlich kleiner und kostengünstiger
Da der Verbrennungsmotor vollen Durchgriff auf den Antrieb erhält, ist die betriebliche Flexibilität des „Boosted Range Extender“ erstaunlich groß. Denn das von Getrag selbst entwickelte Zweigang-Planetengetriebe verbindet bei Bedarf mechanisch den Verbrennungs- mit dem Elektromotor und bietet eine spezielle Anfahrübersetzung. Dadurch kann die gesamte installierte elektro- und verbrennungsmotorische Leistung gemeinsam zum Vortrieb genutzt werden, die Aggregate benötigen weniger Leistung und sind deutlich kleiner und kostengünstiger. Im Vergleich zu einem Parallelhybrid-Antrieb benötigt der Boosted Range Extender laut Stefan Hüpkes, Manager Next Generation Technology bei Getrag-Ford Transmissions in Köln „deshalb bis zu 60 Prozent weniger Gesamtantriebsleistung bei gleicher Systemleistung.“
Vereinfacht gesagt: Im Fahrbetrieb übernimmt der Elektromotor dank seiner guten Drehmomentcharakteristik den größten Teil der Beschleunigungs- und Brems(Rekuperations)phasen. Der Verbrennungsmotor wird nur bei höheren Geschwindigkeiten als „Grundlastmotor“ genutzt und arbeitet dann fast ausschließlich im optimalen Kennfeldbereich mit gutem Wirkungsgrad. Zusätzlich ist ein serieller Betrieb möglich, wo dann der Generator das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors in Elektrizität umwandelt und damit die Batterie und indirekt den Elektromotor speist.
Hauptantrieb ist ein Asynchron-Elektromotor mit einer Dauerleistung von (fahrzeugabhängig) etwa 30 bis 45 kW (Maximalleistung 45 bis 80 kW). Dank der speziellen Anfahrstufe im Planetengetriebe reicht diese im Vergleich zu anderen Hybridkonzepten eher geringe Leistung zum Anfahren und Beschleunigen sowie an Steigungen aber aus. Bei fließendem Stadtverkehr kann dann der Verbrennungsmotor zugeschaltet werden
Bei höherem Tempo schaltet das Steuermodul in den zweiten Gang, der Verbrennungsmotor arbeitet – soweit aktiv – im Bereich des optimalen spezifischen Verbrauchs. Die Beschleunigung übernimmt in diesem Fahrzustand der Elektromotor, der in lastarmen Phasen auf der Landstraße und Autobahn auch alleine für den Vortrieb genutzt wird.
Zweiganggetriebe reicht aus
Um die Kosten des Antriebs zu begrenzen, schlägt Getrag für den Boosted Range Extender eine Lithium-Ionen-Batterie mit lediglich 7 bis 8 kWh Kapazität vor. Sie ermöglicht für ein Kompaktfahrzeug etwa 50 km elektrische Reichweite. Das deckt nach Angaben von Hüpkes bei mehr als 80 % der deutschen Autofahrer die Tagesfahrleistung ab. Bei niedrigem Ladezustand der Batterie wird der Verbrennungsmotor zugeschaltet und dieser treibt dann das Fahrzeug an. Da der Elektromotor nicht mechanisch abgekoppelt werden kann, läuft er permanent mit und kann nebenbei Strom erzeugen und in die Batterie einspeisen. Das zusätzliche geringe Schleppmoment des Elektromotors wiederum sorgt beim Verbrennungsmotor für eine Lastpunktverschiebung hin zu effizienteren Kennfeldbereichen. Im Stand ist auch ein Laden an der Steckdose – Stichwort Plug-In – möglich.
Der zusätzliche Generator mit 10 kW Dauerleistung ist erforderlich, da der Verbrennungsmotor unterhalb von etwa 20 km/h nicht für den direkten Vortrieb genutzt werden kann. Angesichts der Übersetzungsverhältnisse würde er „absterben“. Sollte bei speziellen Fahrsituationen etwa langen Stop and Go-Phasen auf der Autobahn oder kurvenreichen Alpenpässen die Batterie vom häufigen elektrischen Anfahren erschöpft sein, wird ebenfalls mit Verbrennungsmotor und Generator elektrische Energie erzeugt, die dann den Elektromotor antreibt. Zweite Aufgabe des Generators ist der Antrieb des Klimaanlagenkompressors für Klimaanlage und Batteriekühlung. Zur Rekuperation ist der Generator nicht vorgesehen, da der Verbrennungsmotor in Schubphasen konsequent abgekoppelt wird. Der große Elektromotor reicht zur Rückgewinnung von Bewegungsenergie aus.
Der Verbrennungsmotor des Boosted Range Extender ist ebenfalls recht klein: ein wahlweise Zwei- oder Dreizylindermotor mit Saugrohreinspritzung und etwa 900 cm3 Hubraum und maximal 45 kW Leistung reicht aus. In seinem Bestpunkt entwickelt er etwa 30 kW Leistung. Dank der Verwendung als „Grundlastmotor“ ohne Spitzenlasten und hohe Drehzahlen ist er nicht auf Turboaufladung, variable Ventilsteuerzeiten oder direkte Einspritzung angewiesen. Sollte der Boosted Range Extender in Serie gehen nach Angaben von Hüpkes etwa 2014 – kann Getrag auf Wunsch den kompletten Hybridantrieb liefern. Dieser ist aber so modular aufgebaut, dass die Kunden auch ihre eigenen Verbrennungsmotoren implementieren können.
Weitere Anbieter auf dem Markt
Auf der IAA 2011 wird Kolbenschmidt Pierburg (KSPG) auch einen Range Extender vorstellen. Das gemeinsam mit der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen entwickelte Modul ist nach eigenen Angaben universell einbaubar und ermöglicht einen positiven Skaleneffekt und eine Begrenzung des Entwicklungs- und Applikationsaufwands. Know-how und Bauteile für den Range Extender übernimmt KSPG zu einem beträchtlichen Teil aus dem eigenen Unternehmen.
Der Verbrennungsmotor ist ein Zweizylinder-Ottomotor in V-Bauweise mit einer vertikal stehenden Kurbelwelle und zwei Generatoren mit Zahnradantrieb. Das Aggregat hat eine Leistung von 30 kW. Alle Komponenten sind bis auf den Kraftstofftank und den Kühler auf einem Tragrahmen montiert. Die stehende Kurbelwelle ermöglicht eine niedrige Bauhöhe, so dass das Modul platzsparend im Unterflurbereich eingebaut werden kann, beispielsweise in der Reserveradmulde.
Insgesamt erreicht der Range Extender mit den Generatoren und allen dazu gehörigen Teilen ein Gewicht von gut 60 kg. Aufgrund seiner speziellen Konstruktion mit aktiver Schwingungskompensation und günstiger Aggregatelagerung soll der Verbrennungsmotor laut KSPG optimale NVH (Noise-Vibration-Harshness)-Werte aufweisen und so beim Anspringen den Eindruck geräuscharmen elektrischen Fahrens wenig beeinträchtigen.
Getrag: Halle 8; Stand F10
Kolbenschmidt Pierburg: Halle 8; Stand F04
Getrag; Telefon: 07131 644-5601; E-Mail: vera.muench@getrag.de
KSPG; Telefon: 07132 33-3142; E-Mail: folke.heyer@de.kspg.com
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