Der Range Extender schlägt die Brücke zwischen dem verbrennungsmotorischen und dem batterieelektrischen Antrieb. Dabei stehen unterschiedliche technische Konzepte und Umsetzungen in der Diskussion. Die MTZ fragte nach, wie wir uns das System der Zukunft vorstellen müssen.

“Baukastenüberlegungen spielen eine ganz entscheidende Rolle”
Die Versuchung ist groß: Wenn es nur darum geht, nach Hause “zu schleichen”, wenn die Batterie leer ist, dann sind Packaging und Kosten – weil ja die Batterie schon soviel Platz braucht und so teuer ist – entscheidender als der Wirkungsgrad der On-Board-Stromerzeugung. So haben rein serielle Konzepte mit Wankelmotoren oder Gasturbinen recht gute Chancen der Realisierung. Zu besonders interessanten Varianten kommt man, wenn man eine integrierte Lösung für die Fahrzeugkühlung und -heizung haben möchte, sowie bei der bedarfsweisen Erzeugung von elektrischer Energie nur für “Notfälle”. Sobald aber “ernsthaft” verbrennungsmotorisch gefahren werden muss, wird der Wirkungsgrad eine so große Bedeutung haben, dass es ausschließlich Hubkolbenmotoren mit Kurbelwelle sein werden, die auf jeden Fall auch mechanisch direkt auf die Antriebsachse arbeiten können. Hier wird dann aus einem eigentlich seriellen System durch eine Kupplung schnell ein Parallelhybrid-System, um dies zu ermöglichen. Hinsichtlich des Hubkolbenverbrennungsmotors sind zwei unterschiedliche Konzeptionen zu beobachten: Zum einen relativ hubraumgroße Saugmotoren ohne besondere technische Besonderheiten, da die Anforderungen an die zur Verfügung zu stellenden Fahrleistungen nicht sehr hoch sind. Zum anderen aufgeladene Hightech-Downsizing-Motoren, da diese durch die höhere Leistungsdichte Packagingvorteile bieten. Letztlich werden aber Baukastenüberlegungen eine ganz entscheidende Rolle spielen, weil ich auf absehbare Zeit keine wirklich großen Stückzahlen für BEVs mit Range Extendern erwarte und deshalb eine eigenständige Range-Extender-Serienkomplettentwicklung gegenüber dem Einsatz eines im Modulbaukasten vorhandenen, unter Umständen leicht modifizierten Motors nur schwer zu rechtfertigen sein wird.

(Autor: Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Leiter Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart)

“Der Range Extender wird dem Batteriefahrzeug zum Durchbruch verhelfen”
Ironischerweise wird der Verbrennungsmotor dafür sorgen, dass Elektrofahrzeuge in größeren Stückzahlen verkauft werden können. Auch wenn für ein Stadtfahrzeug 50 km Reichweite ausreichen, wird der Kunde eher ein Fahrzeug kaufen, das ihm – im auch noch so seltenen (Not-)Fall – die Sicherheit gibt, doch einmal weiter fahren zu können. Das Nehmen der “Reichweitenangst” durch entsprechend große Batterien wird durch Kosten und Gewicht eingeschränkt. Der Verbrennungsmotor als Range Extender wird dem Batteriefahrzeug zum Durchbruch verhelfen. Fast sekundär dazu ist die Frage, welche Motortechnologie sich als Range Extender durchsetzen wird. Abhängig vom Nutzungsprofil arbeitet AVL an einer breiten Varianz von Lösungen. Fahrzeuge, die regelmäßig über größere Strecken betrieben werden sollen, werden mit großer Wahrscheinlichkeit mit Direkt-Durchtrieb- oder Plug-in-Hybrid-Konzepten betrieben werden – mit konventionellen Verbrennungsmotoren. Für Elektro-Stadtfahrzeuge werden sich eher kompakte serielle Lösungen durchsetzen. Bei fast ausschließlichem Elektrobetrieb sollte der Aufwand für den Verbrennungsmotor und die Mechanik minimiert werden, um Kosten und Energiebedarf durch Mehrgewicht zu vermeiden. Beste Akustik und Vibrationsfreiheit stehen im Vordergrund. Mit intelligenten Betriebsstrategien kann auch die Leistung der VKM minimiert werden. Kurzfristig wird man eher Motoren basierend auf vorhandene Fertigungsanlagen sehen. Längerfristig haben hochinnovative Lösungen wie ein innovativer, systemoptimierter Wankelmotor oder ein Zweizylinder der “neuen Art” sicherlich Erfolgspotenzial.

(Autor: Dr. Robert Fischer, Geschäftsführer AVL List GmbH)

“Es bleibt die Abwägung des Kundennutzens”
Der Plug-in-Hybrid stellt an das Gesamtsystem die größten Herausforderungen, bietet dafür aber Langstreckentauglichkeit. Das Fahrzeug benötigt neben der großen Batterie, Ladegerät und Elektromotor zusätzlich einen abgasharten Verbrennungsmotor. Wir können uns dem Konzept von zwei Seiten nähern: Wünschen wir ein Elektroauto, das eine “Versicherung” an Bord hat, falls die Strecke einmal unerwartet länger wird oder der Fahrer in einen Stau, in ein Schneetreiben gerät? Oder ein langstreckentaugliches Hybridfahrzeug, das darüber hinaus die ersten 40 bis 100 km rein elektrisch fahren kann und dafür den Strom aus der Steckdose mitnimmt? Im ersten Fall würden wir ein Elektroauto mit einem kleinen Aggregat ausstatten, das genug Energie für gemäßigten Fahrbetrieb, Bordnetzversorgung, Heizung und Klimatisierung liefert. Es treibt nur den Generator und ist als serieller Hybrid mechanisch vom Antrieb getrennt. Als geräuscharmer Antrieb kommen je nach Kosten- und Packagesituation Kolbenmotoren, eine Turbine oder eine Brennstoffzelle in Betracht. Im zweiten Fall würde ein Hybridfahrzeug mit ausreichender elektrischer Leistung, größerer Batterie und Ladegerät versehen werden und damit auch nach Entladen der Batterie die uneingeschränkten Fahrleistungen und den günstigen Verbrauch des parallelen Hybriden erlauben. Beliebige Zwischenstufen sind denkbar. Die Kosten beider Systeme lassen sich durch Differenzierung der Batteriegröße und damit der elektrischen Reichweite auf Gleichstand bringen. Danach bleibt die Abwägung des Kundennutzens. Dafür ist dann einerseits entscheidend, welche Anforderungen an Anhängelast, Bergfahrt und Dauerhöchstgeschwindigkeit gestellt werden, andererseits aber auch, wie häufig die Batterie in der Praxis tatsächlich leer- und motorisch weitergefahren wird.

(Autor: Dipl.-Ing. Hanno Jelden, Aggregateentwicklung, Leiter Antriebselektronik, Volkswagen AG)

“NVH-Anforderungen stellen die wesentliche Herausforderung dar”
Auf absehbare Zeit werden Elektrofahrzeuge nicht die heute üblichen Reichweiten konventioneller Fahrzeuge ermöglichen. Darum kommt dem Range Extender bis zur Verfügbarkeit einer neuen Batterietechnologie eine entscheidende Brückenfunktion zu. Auch mit Range Extender soll das E-Fahrzeug seinen lautlosen Betrieb ermöglichen und auch den Fahrzeuginsassen dieses Gefühl vermitteln. Darum stellen die NVH-Anforderungen an den Range Extender die wesentliche Herausforderung an den Entwickler dar. Aus diesem Grund und auch wegen seiner kompakten Bauform hat der Wankelmotor dabei großes Interesse gefunden. Aus Kostengründen und auch aus technischer Sicht, man denke insbesondere an Wirkungsgrad und Emissionen, sind dagegen Hubkolbenmotoren zu bevorzugen. Für primär im städtischen Betrieb eingesetzte E-Fahrzeuge mit relativ kurzen Tagesreichweiten stellt der Range Extender eher die Absicherung eines nur selten eintretenden Notfalls dar. Hier ist im Interesse einer geringeren Komplexität die serielle Integration in das Antriebskonzept zu bevorzugen. Ein solches Konzept lässt sich auch als Sonderausstattung modular ausführen, bis hin zu der Überlegung eines nur zeitweisen Einbaus in das Fahrzeug. In den Fällen, wo der Fahrbetrieb häufiger die Batteriereichweite überschreitet und wo dem Fernbetrieb angemessene Fahrleistungen erwünscht sind, bietet eine parallele Integration Vorteile hinsichtlich der Gesamteffizienz. Dabei können die Batterie und die Systemkomponenten des E-Antriebs kostenoptimiert ausgelegt werden.

(Autor: Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Geschäftsführender Gesellschafter, FEV Motorentechnik GmbH)

“Keine Abstriche an die Nutzbarkeit des Fahrzeugs”
Die Elektromobilität erschließt zahlreiche Energiequellen für Fahrzeuganwendungen und stellt mit den Elektromotoren ideale Antriebskennungen für Fahrzeuge bereit. Alles scheint perfekt – wären da nicht die hohen Kosten, die lange Ladezeit der Batterien und die geringe Speicherdichte, die die Reichweite begrenzt. General Motors konnte hierzu Erfahrungen mit dem 1996 eingeführten Fahrzeug EV1 sammeln. Die Kunden prägten den Begriff der “Range Anxiety”, also der Angst mit leerer Batterie liegen zu bleiben. Der Verbrennungsmotor bietet sich hier als Lösung zur Erhöhung der Reichweite an. Die Wahl der Architektur des Antriebsstrangs hängt sehr stark von der Zielsetzung des Fahrzeugs ab. Parallelhybride können zu Plug-in-Hybriden mit in Reichweite und Leistungsbedarf begrenztem elektrischen Betrieb ausgebaut werden. Nachteilig sind die notwendige Baugröße des Verbrennungsmotors und das ungeplante, fahrbedarfsabhängige Kaltstarten des Motors mit den entsprechenden Emissionsimplikationen. Ein Elektrofahrzeug erfordert Elektromotoren und eine Leistungselektronik, die alle Fahranforderungen erfüllt. Range Extender können hier auf die Abdeckung der mittleren elektrischen Last dimensioniert werden. Diese wird durch die Abstriche an die Fahrleistungen im Betrieb mit Ladungserhaltung bestimmt. Solche Verbrennungsmotoren werden gezielt gestartet und bei hohen Lasten und definierten Drehzahlen betrieben, was eine Vielzahl an Konzepten ermöglicht. Neben Hubkolbenmotoren sind auch alternative Bauformen bis hin zu Freikolbenmotoren vorstellbar. General Motors wird 2010 mit der Serienproduktion des Chevrolet Volt beginnen; das Schwestermodell Opel/Vauxhall Ampera folgt im nächsten Jahr. Beides sind elektrische Fahrzeuge mit Vierzylinder-Ottomotor als Range Extender, der keine Abstriche an die Nutzbarkeit des Fahrzeugs abverlangt. Mit einer elektrischen Reichweite von 60 km im europäischen Testzyklus werden die meisten Einsätze rein elektrisch absolviert werden. Die Elektromobilität ist ein fester Bestandteil im Portfolio von Antriebssystemen, die General Motors zukünftig anbieten wird.

(Autor: Prof. Dr.-Ing. Uwe-Dieter Grebe, Executive Director – Global Powertrain Advanced Engineering, General Motors LLC)

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Der Beitrag wurde am Dienstag, den 24. August 2010 um 13:52 Uhr von ATZblog veröffentlicht und wurde unter Batterie, Elektronik, Emissionen, Forum der Meinungen, Ottomotor abgelegt. Du kannst die Kommentare zu diesen Eintrag durch den RSS 2.0 Feed verfolgen. Du kannst einen Kommentar schreiben, oder einen Trackback auf deiner Seite einrichten.