PowerHybrid für künftige Plug-in-Antriebe

Noch dominieren bei europäischen Hybridfahrzeugen Getriebe mit vollständigem Funktionsumfang für den verbrennungsmotorischen Leistungszweig. Sie behalten die Gangzahl und Mechanik bei und werden um eine E-Maschine am Getriebeeingang erweitert. Anderswo haben die Hersteller andere Wege eingeschlagen: Asiatische OEMs verwenden beispielsweise immer mehr dedizierte Hybridgetriebe in ihren Fahrzeugen. Dieser Trend kann sich bald auch in Europa durchsetzen, denn Dedicated Hybrid Transmissions (DHT) bieten zahlreiche Vorteile und lassen sich kompakt und performant bauen, wie eine Eigenentwicklung von IAV belegt.

Effizient, leistungsstark und dabei kompakt, kostengünstig und flexibel für verschiedene Fahrzeuge einsetzbar – das sind bedeutsame Anforderungen an künftige DHT. „Derzeit dominieren zwei Ansätze diesen Bereich: elektrisch leistungsverzweigte Getriebe wie das Hybrid Synergy Drive des Toyota Prius und kombinierte Hybridgetriebe wie im Mitsubishi Outlander“, berichtet Dr. Jörg Müller, Abteilungsleiter für Hardwareentwicklung von Getriebe- und Hybridsystemen bei IAV. „Generell zeichnen sie sich durch einen relativ einfachen mechanischen Aufbau aus. Allerdings benötigen solche DHT zwei E-Maschinen plus Leistungselektronik, was in puncto Bauraum und Kosten problematisch ist.“

Ziel von IAV war es, ein neues DHT für einen Hybridantriebsstrang mit Drehmomentaddition zu entwickeln. Dieses System verbindet einen geringen Kraftstoffverbrauch mit hoher Performance, gleichzeitig beansprucht es aber nur einen geringen Bauraum und lässt sich vergleichsweise kostengünstig herstellen. Es ist zudem für möglichst viele Fahrzeugklassen bis hin zu drehmoment- und leistungsstarken Verbrennungsmotoren geeignet, was derzeit besonders für den europäischen und amerikanischen Markt interessant ist.

Größter Unterschied zu den bekannten Lösungen: Das IAV-DHT kommt mit nur einem E-Motor und einer Leistungselektronik aus – ohne Kompromisse bei Leistung oder Effizienz zu machen. Im Gegenteil: Die gesamte elektrische Leistung steht für effektive hybride Funktionalitäten wie Boosten, rein elektrisches Fahren und die Rekuperation nahezu in allen Betriebspunkten unabhängig vom angekoppelten Verbrennungsmotor zur Verfügung. Bei leistungsverzweigten oder kombinierten DHT ist das prinzipbedingt eingeschränkt.

Die mechanischen Vorteile bleiben dennoch erhalten: Dank der Elektrifizierung des Antriebsstrangs kann die Gangzahl des IAV PowerHybrids im Vergleich zu einem konventionellen Getriebe deutlich reduziert werden. Während beispielsweise Wandlerautomatikgetriebe heute bis zu zehn und Doppelkupplungsgetriebe bis zu acht Gänge aufweisen, kommt ein DHT normalerweise mit vier bis sechs Gängen aus. „Unser Tool IAV Antriebsstrangsynthese lieferte diese Gangzahl unter der Voraussetzung, dass die E-Maschine eine Leistung um die 100 Kilowatt hat“, so Müller. „Die erforderliche Spreizung sinkt dadurch von ungefähr acht auf nur noch vier bis fünf.“

Die Entwickler verglichen mithilfe der IAV Antriebsstrangsynthese rund 5,1 Millionen Antriebsstrangkonfigurationen und entschieden sich beim IAV PowerHybrid für vier Gänge und einen E-Motor mit 90 Kilowatt Leistung. „Eine noch höhere Leistung hätte kaum noch Verbrauchsvorteile in weltweit typischen Verbrauchszyklen oder Verbesserungen im Beschleunigungsverhalten – zumindest bis 100 Stundenkilometer – ergeben“, sagt Müller. Das DHT hat ein maximales Eingangsdrehmoment von 750 Newtonmetern und ein Abtriebsdrehmoment von bis zu 6.500 Newtonmetern. Mit seiner Länge von 380 Millimetern passt es trotz seiner hohen Leistung in die typischen bei Frontqueranwendungen zur Verfügung stehenden Bauräume. Damit eignet sich das IAV Power- Hybrid für verschiedene Fahrzeugklassen, vom A-Segment bis hin zum SUV.

Im simulativen Vergleich mit einem typischen elektrisch leistungsverzweigten System zeigt die IAV-Lösung für ein Fahrzeug des C-Segmentes deutliche Vorteile bei vergleichbarer elektrisch installierter Leistung: Beispielsweise dauert die Beschleunigung von 0 auf 100 Stundenkilometer mit dem IAV Power- Hybrid in Kombination mit einem 1,8-Liter- Verbrennungsmotor im Hybridbetrieb nur sechs anstatt mehr als zehn Sekunden. Rein elektrisch können ca. drei Sekunden eingespart werden. Trotz der besseren Fahrleistungen kann der Verbrauch zum Beispiel im WLTC um weitere 0,2 Liter reduziert werden.

„Wir haben gezeigt, wie man aktuelle Hybridsysteme für die anstehenden Anforderungen ganzer Fahrzeugflotten weiterentwickeln kann“, so Müller. „Derzeit diskutieren wir mit mehreren Kunden über unsere Lösung, und es gibt schon Anfragen wegen einer möglichen Serienentwicklung.“

Zahl der Gänge: 4 Leistung E-Maschine: 90 kW Drehmoment E-Maschine: 300 Nm Länge inkl. E-Maschine: 380 mm Eingangsdrehmoment DHT: max. 750 Nm Abtriebsdrehmoment DHT: max. 6.500 Nm