Hybridelektrokraftfahrzeug

Begriff und Nutzen

Ein Hybridelektrokraftfahrzeug (englisch Hybrid Electric Vehicle, HEV; nach EU-Richtlinie kurz Hybridelektrofahrzeug) ist ein Elektrofahrzeug mit mindestens einem Elektromotor und einem weiteren Energiewandler. Es bezieht Energie sowohl aus einem elektrischen Speicher, dem Akku, als auch aus zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff. Meist ist der zweite Energiewandler ein Verbrennungsmotor mit Generator; bei Brennstoffzellenfahrzeugen (Fuel Cell Hybrid Vehicle, FCHV) erzeugt eine Brennstoffzelle aus Wasserstoff direkt Elektrizität. Nur Plug-in-Hybride können am Stromnetz geladen werden.

Hybridantriebe dienten ursprünglich vor allem dazu, die Reichweite früher Elektrofahrzeuge zu vergrößern. Heute sollen sie Kraftstoffverbrauch und CO₂-Ausstoß senken, Fahrkomfort oder Leistung erhöhen. Der Elektromotor liefert schon bei niedriger Drehzahl hohes Drehmoment; der Verbrennungsmotor ist bei höheren Drehzahlen vorteilhaft. Rekuperation, also die Rückgewinnung von Bremsenergie, lädt dabei den Energiespeicher. Neben Akkus können Superkondensatoren als leistungsstarke Kurzzeitreserve eingesetzt werden.

Wirkungsgrad und Fahrbetrieb

Beim Ottomotor beträgt der maximale Wirkungsgrad bei optimaler Drehzahl und Auslastung etwa 37 %. Im Teillastbetrieb und im Leerlauf ist er deutlich schlechter; für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor werden bei Peter Marx 20 % Effizienz genannt. Elektromotoren erreichen dagegen über 90 % Wirkungsgrad über einen weiten Drehzahlbereich; für Elektroantriebe wird ein Gesamtwirkungsgrad von 85 % angegeben. Akkuverluste, unter anderem durch den Peukert-Effekt, gehören zur elektrischen Gesamtbilanz.

Im Stadtverkehr vermeidet der Hybrid häufige ungünstige Teillast- und Leerlaufphasen: Der Verbrennungsmotor kann bei hoher Last zugleich fahren und über den Generator den Akku laden. Beim Beschleunigen arbeiten beide Motoren zusammen; dadurch ist Downsizing, also ein kleinerer Verbrennungsmotor, möglich. Beim Bremsen und im Schubbetrieb speist die Nutzbremse einen großen Teil der Bremsenergie in den Akku zurück. Dies kann insbesondere im Stadtverkehr den Verbrauch um bis zu 60 % senken. Der Motor kann bei geringem Leistungsbedarf abschalten; dies senkt auch Lärm etwa beim Stillstand oder Einparken.

Das Fahrmanagement wählt zwischen rein elektrischem Fahren, elektrischer Unterstützung des Verbrennungsmotors und Lastpunktanhebung, bei der der Verbrennungsmotor gleichzeitig antreibt und lädt. So kann der Fahrzeug-Gesamtwirkungsgrad über 38 % steigen. Elektrisches Boosten kann bei gleicher Systemleistung die Beschleunigung um etwa 10–20 % verbessern. Diesel profitieren wegen ihres günstigeren Wirkungsgradverlaufs weniger. Bei schneller Autobahnfahrt kann Zusatzgewicht den Verbrauch erhöhen; bei wechselndem Tempo oder Gefälle kann Rekuperation dies ausgleichen. Toyota und Honda nutzen unter anderem den Atkinson-Zyklus, um bei niedriger bis mittlerer Leistung Kraftstoff zu sparen und Lärm zu verringern.

Systemstrukturen

Ein serieller Hybrid hat keine mechanische Verbindung zwischen dem zweiten Energiewandler und der Antriebsachse. Ein Verbrennungsmotor treibt meist einen Generator an, der Fahrenergie liefert oder den Akku lädt; bei einem Brennstoffzellenfahrzeug übernimmt die Brennstoffzelle diese Aufgabe. Die Elektromotoren müssen stets das gesamte Drehmoment und die gesamte Antriebsleistung bereitstellen. Die Motor-Generator-Kombination oder Brennstoffzelle bestimmt Dauerleistung und Höchstgeschwindigkeit; der Akku hilft nur bei kurzfristig höherem Bedarf. Als Beispiele nennt der Artikel Mazda MX-30 R-EV, BMW i3 mit Range Extender, Fisker Karma und Nissan Qashqai e-Power. Der zugehörige Abschnitt ist laut Artikel nicht hinreichend belegt.

Beim parallelen Hybrid wirken Elektromotor und Verbrennungsmotor zugleich auf den Antriebsstrang; ihre Drehmomente addieren sich. Beide Motoren können daher kleiner ausgelegt werden. Die Position der E-Maschine wird als P0 bis P4 bezeichnet: P0 liegt vor dem Verbrennungsmotor, P1 an dessen Kurbelwelle, P2 zwischen Motor und Getriebe, P2.5 im Doppelkupplungsgetriebe, P3 hinter dem Getriebe und P4 als elektrische Achse ohne mechanische Welle zum Verbrennungsmotor. P4 kann Allradantrieb ermöglichen. P0 und P1 eignen sich besonders für Startergeneratoren, Rekuperation, Lastpunktverschiebung und Beschleunigungsunterstützung. Ein Getriebe am Verbrennungsmotor bleibt jedoch notwendig.

Mischhybride verbinden seriellen und parallelen Betrieb und schalten je nach Fahrsituation zwischen ihnen um, etwa Chevrolet Volt, Opel Ampera, Cadillac ELR und Honda-Modelle seit 2022. Beim leistungsverzweigenden Hybrid wird die Leistung zugleich mechanisch und elektrisch über Motor-Generatoren zu den Rädern übertragen. Der Toyota Prius mit Hybrid Synergy Drive steuert die Übersetzung ausschließlich über die Drehzahlen elektrischer Maschinen. Two-Mode-Getriebe von Allison Transmission besitzen zwei leistungsverzweigende Fahrbereiche und vier mechanische Übersetzungen; sie wurden in einer Kooperation von General Motors, Daimler AG und BMW entwickelt.

Hybridisierungsstufen

Autarke Hybride laden ihre Akkus nur durch den Verbrennungsmotor und Generator; Plug-in-Hybride zusätzlich am Stromnetz. Nach dem Anteil der elektrischen Leistung gibt es Mikro-, Mild- und Vollhybride.

Ein Micro-Hybrid besitzt streng genommen nicht zwei Energiewandler für den Fahrzeugantrieb. Er hat Start-Stopp-Automatik und Rekuperation zum Laden der Starterbatterie, nutzt den Startergenerator aber kaum zum Fahren. Die elektrische Leistung beträgt nach Naunin 2,7 bis 4 kW/t. Ein Mild-Hybrid unterstützt den Verbrennungsmotor beim Anfahren und Beschleunigen, besitzt Startergenerator, Start-Stopp und stärkere Rekuperation, kann aber keine längeren Strecken elektrisch fahren. Genannt werden etwa 6–14 kW/t und rund 15 % CO₂-Einsparung.

Ein Vollhybrid hat mehr als 20 kW/t elektrische Leistung und kann auch anfahren und beschleunigen, ohne den Verbrennungsmotor einzusetzen. Er verfügt über Start-Stopp, Rekuperation, rein elektrisches Fahren und Boost-Funktion; die Antriebswahl steuert meist Software. Der Toyota Prius erreicht laut Artikel etwa 70 km/h rein elektrisch, der Ford C-MAX Hybrid etwa 100 km/h.

Plug-in-Hybride (PHEV) haben größere Akkus und können etwa 60 bis 80 Kilometer lokal emissionsfrei elektrisch fahren; bei leerem Akku sind weitere Strecken mit dem Verbrennungsmotor möglich. Ein Range Extender (REX) ist vorwiegend ein Elektrofahrzeug mit zusätzlichem, vergleichsweise schwachem Verbrennungsmotor. Beim BMW i3 von 2013 hat dieser 28 kW gegenüber 125 kW des Elektromotors; Nachteile sind zusätzliches Gewicht, Tank, begrenzte Tankkapazität von 9 Litern und bei leerem Akku etwa 120 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit im Nachladebetrieb.

Nachteile größerer Vollhybride sind Gewicht und aufwändige Herstellung von Elektromotor und Akku. Der Artikel stellt fest, dass unabhängige Untersuchungen zur zusätzlichen Herstellungsenergie bislang fehlen. Bei Dieselhybriden kann ein nicht vollständig genutztes Downsizing-Potenzial die Stickoxid-Emissionen (NOₓ) erheblich reduzieren.

Entwicklung und wichtige Modelle

Frühe Hybridfahrzeuge entstanden bereits um 1900: Armstrong baute 1896 wahrscheinlich das erste Fahrzeug dieser Art. La Cuadra entstand 1899 in Barcelona; Établissements Pieper bot von 1899 bis 1901 ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit batterieaufladendem Einzylindermotor an. Ferdinand Porsche entwickelte 1902 den Lohner-Porsche Mixte mit verbrennungsmotorgetriebenem Generator. Weitere frühe Anwendungen waren Tilling-Stevens Petrol-Electric Busse in London von 1911 bis 1925 und das Woods-Modell von 1916 bis 1923. Spätere Prototypen umfassten unter anderem Victor Wouks Umbau eines Buick Skylark 1972, Toyota Sports 800 von 1977, einen Daimler-Benz-Prototyp von 1982 und den Audi 100 Avant quattro von 1989.

Audi bot 1994 den Audi 80 duo und 1997 den A4 duo an, fand jedoch kaum Käufer. Honda baute den Insight von 1999 bis Ende 2006. BMW stellte 2009 den Mild-Hybrid Active-Hybrid 7 vor; Daimler bot seit Sommer 2009 die S-Klasse als Mild-Hybrid an. Der Peugeot 3008 HYbrid4 war ab März 2011 das weltweit erste Serienfahrzeug mit Diesel-Hybridantrieb: 120-kW-Dieselmotor, 27-kW-Elektromotor, 3,8 l/100 km und 99 g CO₂/km.

Besonders prägend ist der seit 1997 serienmäßig gebaute Toyota Prius. Er verbindet einen Ottomotor und zwei Elektromotoren über ein Planetengetriebe, nutzt Rekuperation und kann den Verbrennungsmotor abschalten. Toyota gibt gegenüber vergleichbaren reinen Ottomotor-Fahrzeugen rund 30 % Energieeinsparung an. Eine Netzlade-Version mit etwa 20 km elektrischer Reichweite wird seit 2011 angeboten. Anfang 2019 waren vom Prius 3,9 Millionen Exemplare verkauft. Der Artikel nennt außerdem weltweit elf Millionen verkaufte Toyota-Hybridautos und 77 Millionen Tonnen eingespartes CO₂ sowie 33 verfügbare Toyota-Hybridmodelle.

Seit 2005 folgten unter anderem Chevrolet Volt und Opel Ampera, der Plug-in-Hybrid Golf GTE im August 2014 sowie verschiedene Porsche-Hybride. Mildhybride mit Schaltgetriebe sind beispielsweise Fiat Panda und Fiat 500 seit 2020, Ford Fiesta und Focus seit 2020, Mazda3 seit 2019 und Suzuki Swift seit 2020.

Nutzfahrzeuge, Verbreitung und Förderung

Bei Nutzfahrzeugen werden Hybridantriebe besonders bei Stadtbussen eingesetzt, etwa von Volvo, Solaris und Mitsubishi Fuso. Kurze Strecken können dort rein elektrisch und emissionslos gefahren werden. Auch Hybrid-Lastwagen werden angeboten, etwa der Canter Eco Hybrid und Peterbilt-Modelle; seit 2013 fährt in Winterthur ein Hybrid-Kehrichtsammelwagen.

Der Bestand von Hybrid-Pkw stieg in Deutschland von 2.150 am 1. Januar 2005 auf 2.911.262 am 1. Januar 2024. In Österreich stieg er von 2.592 am 1. Januar 2009 auf 250.982 am 1. Januar 2024 und 329.935 am 1. Januar 2025. In mehreren Ländern werden Kauf oder Betrieb von Hybridfahrzeugen durch Kaufprämien, Boni, steuerliche Vorteile oder Steuerbefreiung gefördert.