MAHLE Range-Extender-Fahrzeug

Mit einem Verbrennungsmotor als Range Extender eröffnet sich für den batterieelektrischen Antrieb für Pkw eine erzielbare Reichweite, die dem konventionellen Antriebsstrang nicht nach steht. Der Range Extender kann daher zum Türöffner für breitere Serienanwendungen für Fahrzeuge mit Elektroantrieb werden. MAHLE untersucht diese Antriebstechnik zur Zeit anhand eines selbst entwickelten Range-Extender-Verbrennungsmotors und eines eigens dafür aufgebauten Demonstrator-Fahrzeugs.

Als Basis für das Demonstrator-Fahrzeug mit Elektroantrieb und Range Extender (Range Extended Electric Vehicle – REEV) hat sich MAHLE für ein konventionell angetriebenes B-Segment-Fahrzeug entschieden. Die Hauptgründe dafür lagen einerseits in der Markteinschätzung für Range-Extender-Antriebe und einem typischen Nutzungsprofil, das tägliche Überland- und Autobahnfahrten im Bereich von 50 bis 80 km beinhaltet sowie andererseits im anspruchsvollen Packaging. Dadurch kann die kompakte und flexible Einbaulage des MAHLE Range-Extender-Motors zum Tragen kommen.

Durch die Reihenzweizylinder-Bauweise mit integriertem Generator fällt der Range Extender deutlich kleiner aus als der im Basisfahrzeug verbaute 1,2-Liter-Reihenvierzylinder-Motor. Dank der ebenfalls äußerst kompakten Abmessungen des 55 kW (100 kW Spitze) leistenden elektrischen Traktionsmotors und des Zweigang-Reduktionsgetriebes konnten bis auf die Hochvoltbatterie alle wesentlichen Antriebskomponenten (inklusive Inverter und Steuergeräte) im Vorderwagen des Fahrzeugs untergebracht werden.

Die unmittelbare Nähe des Verbrennungsmotors zu den elektrischen Antriebskomponenten erfordert im ohnehin engen Bauraum des Vorderwagens die Integration von separaten Kühlkreisen. Einflüsse der beim Verbrennungsmotor üblichen Kühlmitteltemperatur von circa 90 °C auf das deutlich niedrigere Temperaturniveau im Kühlkreislauf der Elektrik (circa 40 °C) müssen dabei über eine Isolation vermieden werden. Die Kühlstrategie des Hauptkühlers richtet sich im Demonstratorfahrzeug nach dem jeweiligen Bedarf der einzelnen Kreisläufe: Sobald in einem Kreislauf zusätzlicher Kühlbedarf entsteht, erhält dieser oberste Priorität im Zusammenspiel der Einzelkreisläufe.

Der elektrische Antriebsstrang wurde grundsätzlich so ausgelegt, dass das Demonstratorfahrzeug, mit Ausnahme der Höchstgeschwindigkeit, die Fahrleistungen des Basisfahrzeugs erreicht oder gar übertrifft. Außerdem war es wichtig, aufzuzeigen, dass durch die Antriebskonfiguration keine Abstriche im Ladevolumen nötig sind. Die Hochvoltbatterie mit 14 kWh Speicherkapazität ist ohne Beeinträchtigung des Lade- oder Passagierraums unterflur im Bereich der Reserveradmulde eingebaut. Zusätzlich konnte der im Basisfahrzeug circa 45 Liter große Kraftstoffbehälter um fast die Hälfte auf 25 Liter reduziert werden.

MAHLE hat die Betriebsstrategie des Range Extenders auf minimalen Kraftstoffverbrauch im Fahrbetrieb unter Einhaltung der Grenzwerte für Abgas-, Geräusch- und Vibrationsemissionen hin optimiert. Hierzu wurden bereits in der frühen Entwicklungsphase die Drehzahlschwankungen innerhalb eines Arbeitsspiels so weit wie möglich reduziert und somit der Applikationsaufwand für den Motor gezielt minimiert. Eine dynamische Lastregelung des Generators und eine angepasste Betriebspunktwahl bilden eine sehr gute Basis. Wie umfangreiche Kaltstartuntersuchungen gezeigt haben, ergeben Teillast-Betriebspunkte bei geringen Drehzahlen für den Range-Extender-Antrieb den besten Kompromiss aus niedrigen Abgasemissionen (zirka 30 Prozent der Euro-6-Grenzwerte) und Kraftstoffverbrauch im NEFZ.

Basierend auf der aktuell gültigen europäischen Abgasgesetzgebung muss zur Darstellung niedrigster CO2-Emissionswerte bei Elektrofahrzeugen mit Range Extender (und sogenannten Plug-in-Hybridfahrzeugen im Allgemeinen) zum einen die rein elektrische Reichweite maximiert werden, zum anderen gleichzeitig verhindert werden, dass der Range Extender die Batterie über Bedarf lädt. Einen Strommix aus „regenerativen“ Energien (Wind, Wasser oder Sonne) vorausgesetzt, wäre jegliche in der Batterie zum Ende der Fahrt gespeicherte Energie aus CO2-Sicht kontraproduktiv. Eine verbrauchsoptimale Betriebsstrategie für REEV startet den Range Extender erst beim Erreichen eines unteren Batterieladezustands (zur Maximierung der rein elektrischen Reichweite) und bewegt sich dann nur marginal (zum Beispiel +1 kW) über der momentan erforderlichen Antriebsleistung. Um im realen Fahrbetrieb die Geräuschemissionen quasi im Hintergrundrauschen untergehen zu lassen, sieht eine mögliche Betriebsstrategie vor, den Range Extender nur in Ausnahmefällen (etwa bei tiefstem Batterieladezustand) unter 5 kW Leistungsanforderung oder 45 km/h Fahrzeuggeschwindigkeit zu starten. Im normalen Betriebszustand wird die Leistung proportional der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angepasst.

Die Betriebsstrategie ermöglicht dem Demonstratorfahrzeug neben der rein elektrischen Reichweite von 70 km zusätzlich mehr als 400 km Reichweite bei insgesamt weniger als 45 g CO2/km. Dies bedeutet eine CO2-Reduktion um gut zwei Drittel im Vergleich zu dem bereits guten Ausgangswert des Basisfahrzeugs. Ausschlaggebend ist hier der sehr hohe erreichte Gesamtwirkungsgrad des MAHLE Antriebs: Über 31 Prozent im Bestpunkt des Gesamtantriebsstrangs sind ein beachtlicher Wert, insbesondere in Anbetracht der physikalisch bedingten Wirkungsgradnachteile von seriell-hybriden Antriebskonzepten mit zusätzlicher zweifacher Energiewandlung (von mechanisch in elektrisch und elektrisch wieder in mechanisch). Die Wirkungsgrade von modernen konventionellen Antrieben, die bei circa 35 Prozent (Otto) bis gut 40 Prozent (Diesel) liegen, lassen sich mit einem REEV zwar systembedingt nicht ganz erreichen, jedoch fällt der Unterschied beim MAHLE Antrieb erstaunlich gering aus.

Aufgrund der weltweiten Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch sowie die Emissionen von Fahrzeugantrieben weiter signifikant zu reduzieren, wird in Zukunft je nach Anwendungsgebiet ein breites Spektrum unterschiedlicher Antriebsstränge zum Einsatz kommen. Den wesentlichen Anteil dazu wird die kontinuierliche Optimierung der etablierten Verbrennungsmotoren beitragen. Rein elektrische Antriebe können sich im urbanen Umfeld zukünftig globale Marktanteile bei den Klein- und Kompaktwagen ergeben, die derzeit auf etwa 5 % in der nächsten Dekade geschätzt werden. Der Range Extender ermöglicht für diese Fahrzeuge eine deutliche Erhöhung der bislang eingeschränkten Reichweite sowie eine Reduzierung der Gesamtkosten aufgrund der Möglichkeit zur Verwendung von Batterien geringerer Kapazität. Damit kann der Range Extender die Attraktivität der elektrischen Antriebe deutlich steigern. Entsprechend erwartet MAHLE in den hauseigenen Antriebsstrangszenarien, dass Range Extender in den nächsten zehn Jahren bei reinen Elektrofahrzeugen eine realistische Einsatzchance haben und gestaltet mit diesem Produkt die weitere Entwicklung zukünftiger Mobilität aktiv mit.