stufenlos elektrisch leistungsverzweigtes Fahrzeuggetriebe

In letzter Zeit wird in der Automobilentwicklung eine Verbesserung der Umweltfreundlichkeit erzielt, und zwar hauptsächlich durch Minderung des Leistungsbedarfes der Fahrzeuge, Optimierung der Motoren und Verbesserung des Zusammenspiels zwischen Motor und Fahrzeug. Dazu kommt seit kurzem die Möglichkeit, Bremsenergie zu speichern und wiederzuverwenden. Das Stufenlose Fahrzeuggetriebe mit elektromechanischer Leistungsverzweigung, kurz SEL , erfüllt gleich zwei von diesen Zielen bei hohem Fahrkomfort und verbesserter Fahrdynamik.

Der Leistungsbedarf eines Fahrzeuges, an der Achse gemessen, summiert sich aus Rollwiderstand, Luftwiderstand, Beschleunigungs- und Steigungswiderstand. Der Rollwiderstand lässt sich durch Gewichtsreduzierung und verbesserte Reifentechnologie senken, im Windkanal geglättete Formen senken den cw-Wert immer weiter. Durch den Einsatz von Leichtmetallen und Kunststoff reduziertes Gewicht verringert auch den Beschleunigungs- und den Steigungswiderstand.

Neue und optimierte Motoren liefern die gleiche Leistung mit immer weniger Kraftstoff verbrauch. Noch wichtiger als die Feinoptimierung der existierenden Motorentechnik ist in diesem Hinblick die Entwicklung neuer Motortechnologien wie TDI- und GDI-Motoren. Diese Entwicklungen haben auf einen Schlag Verbrauchsminderungen von 10% und mehr in Diesel- und Ottomotoren gebracht. Brennstoffzellen versprechen weitere Verbesserungen, aber ihr Einsatz beschränkt sich vorerst auf die Teststrecke.

Neben der Optimierung der Einzelaggregate bietet ein verbessertes Zusammenspiel von Fahrer, Motor, Getriebe und Fahrzeug ein weiteres Sparpotenzial. Neben der Vollast-Drehmomentkurve gibt es auch eine Kurve im Verbrauchskennfeld des Motors, auf der sich die verbrauchsoptimalen Betriebspunkte befinden. Das Fahrzeug wird meistens im Teillastbereich bei fast konstanter Geschwindigkeit in der Ebene bei kleinen Leistungen betrieben. Der Leistungsbedarf steigt mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit, wenn also das Fahrzeug eine maximale Geschwindigkeit von 180 km/h erreicht, dann braucht es bei 90 km/h ca. 1/8 der maximalen Leistung. Um diese Leistung verbrauchsgünstig aufzubringen, muss der Motor einen Punkt auf der Verbrauchskurve fahren, der kaum über dem Leerlauf liegt. Das verlangt sehr niedrige Übersetzungen (hoher Overdrive) [3]. Dagegen muss der Motor für gute Beschleunigung etwa 4000-5000 U/min drehen bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit, was hohe Übersetzungen erfordert.

Bei dieser großen Spreizung von Übersetzungen wird es leichter, einen bezüglich Verbrauch oder Fahrdynamik optimalen Betriebspunkt zu finden, je mehr Gänge zur Wahl stehen. Bei Handschaltgetrieben führt das zu einer Überforderung des Fahrers, und mehr Gänge in herkömmlichen Automatikgetrieben bedeutet höhere Kosten und einen niedrigeren Wirkungsgrad. Aus diesem Grund werden stufenlose Getriebe mit ihrer unendlichen Anzahl von Gängen eine immer interessantere Alternative.

Die vier bekanntesten stufenlosen Getriebekonzepte sind Umschlingungsgetriebe, Wälzgetriebe, elektrische und hydrostatische Getriebe [2]. In Umschlingungsgetrieben erfolgt die Kraftübertragung über ein Zugmittel (Kette oder Schubgliederband) zwischen zwei konusförmigen Kegelscheiben. In Wälzgetrieben wird die Kraft über Roller zwischen zwei meist toroidischen An- und Abtriebsscheiben übertragen. Umschlingungsgetriebe und Wälzgetriebe haben den Nachteil, dass sie die gesamte Kraft über sehr kleine Reibflächen übertragen. Abgesehen von den hohen, schmierungskritischen lokalen Belastungen können sie wegen ihrer Geometrie einen optimalen Wirkungsgrad nur in bestimmten Betriebsbereichen vorweisen. Hydrostatische und elektrische Getriebe weisen unendlich große Übersetzungsspreizungen und die Möglichkeit zur Drehrichtungsumkehr auf. Sie haben aber einen zu schlechten Wirkungsgrad, um in Pkws als alleinige Getriebe eingesetzt zu werden.

Deshalb verwendet man sie in Fahrzeuganwendungen meist in Verbindung mit einer Leistungsverzweigung. Hierbei wird der Hauptanteil der Leistung rein mechanisch mit hohem Wirkungsgrad direkt über einen Planetenradsatz übertragen, während nur ein kleinerer Anteil der Leistung durch ein stufenlos regelbares Stellgetriebe mit relativ geringem Wirkungsgrad fließt. Diese Leistung fließt zurück in den Planetenradsatz, wo sich die Drehmomente und Drehzahlen, also die Leistungen überlagern. Die Verluste dieses kleineren stufenlos geregelten Kraftflusses sind im Vergleich zu dem gesamten Energiefluss gering [2].

Mit einem stufenlosen Getriebe gibt es zwar immer die Möglichkeit, aus den unendlich vielen Übersetzungen die richtige zu wählen. Diese Wahl, abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt, ist aber schwierig. Der Fahrer muss hier bei der Übersetzungswahl entlastet werden, um das vom Getriebe beeinflusste Verbrauchspotenzial tatsächlich zu realisieren. Durch den Einsatz von Mikroprozessor-Steuerungen lassen sich stufenlose Getriebe nicht nur verbrauchs-, sondern auch fahrdynamikoptimal steuern. Bei Beschleunigungen im ersten Gang eines Schaltgetriebes geht etwa die Hälfte der Leistung in die Beschleunigung des Motors. Ein stufenloses Getriebe dagegen kann während Beschleunigung den Motor bei einer fast konstanten Drehzahl halten. Ein Fahrzeug mit einem stufenlosen Getriebe beschleunigt deshalb schneller und verbraucht weniger Kraftstoff als mit herkömmlichen Getrieben. Außerdem fährt es komfortabler. Es gibt keine Schaltrucke, weil es keine Übersetzungssprünge ("Gänge") gibt.

Ein weiteres Potenzial zur Verbrauchsreduzierung bietet die Rekuperation von Bremsenergie. Fährt ein Auto zum Beispiel von einer Ampel zur nächsten, wandelt der Motor zuerst Kraftstoff in kinetische Energie, und dann wird diese Energie, in Grunde genommen dieser Kraftstoff, beim Bremsen in Wärme gewandelt und verschenkt. Wenn diese Energie gespeichert wird,  kann das Fahrzeug später von dieser Energie statt von weiterem Kraftstoff angetrieben werden. Die Verbrauchsvorteile liegen zwischen 5% auf der Autobahn und 30% oder mehr im bremsintensiven Stadtverkehr (schon bei 20 kW verfügbarer Rekuperationsleistung).

Die gesamte in einem Fahrzyklus anfallende Bremsenergie kann nicht gespeichert werden. Die bekannten mechanischen Bremsen bleiben noch im Einsatz, weil nur sie die sehr hohen max. Bremsleistungen aufbringen können. Bei einer Vollbremsung mit –1g bei 100 km/h in einem 1500 kg Pkw müssen zum Beispiel die Bremsen 409 kW (548 PS) leisten, eine Leistung, die kein Pkw-taugliches Speichersystem verkraften würde.

Als Speichersystem kommen verschiedene Alternativen in Frage. Es ist zwar möglich, Bremsenergie mechanisch über ein CVT in ein Schwungrad oder hydraulisch über eine Pumpe in einen Druckspeicher zu speichern [6], aber diese Konzepte sind meistens unpraktikabel hinsichtlich Kosten, Geräusch und Sicherheitsgedanken. Ein Druckbehälter oder Schwungrad mit genug Energie, um ein Mittelklasse-Fahrzeug auf 120 km/h zu beschleunigen, enthält soviel Energie wie 200 g Schwarzpulver, und wenn diese Speichermedien im Crashfall zerstört würden, kann es zu einer entsprechenden Explosion kommen. Batterien bieten sich als attraktive Speichermedien an, weil Batterien sowieso schon im Fahrzeug vorhanden sind und Energie in chemischer Form speichern.

Auch bei der elektrischen Energiespeicherung gibt es durch die Wandlung der Energie Verluste. Die kinetische Energie muss zweimal gewandelt werden, einmal, wenn sie gespeichert wird und dann noch einmal bei Wiederverwendung, und beide Wandlungen sind mit Verlusten verbunden. Trotzdem kann man mit elektrischen Speichersystemen die oben genannten Verbrauchsreduzierungen erreichen.

Wegen seiner relativ kleinen Energiedichte und der ebenfalls geringen Leistungsdichte kommen rein elektrische Speicherantriebe nur für Elektrofahrzeuge mit geringen Dynamikanforderungen in Frage.  Ihr einziger Vorteil liegt im geringen Primärenergiebedarf und den niedrigen Emissionswerten.

Ein Hybridantrieb dagegen, mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, kann Bremsenergie speichern, unter Umständen rein elektrisch fahren, hat dieselbe oder eine höhere Reichweite wie ein herkömmliches Auto, erreicht vergleichbare Beschleunigungen und Höchstgeschwindigkeiten und braucht eine wesentlich kleinere Batterie als ein reines Elektrofahrzeug. Hybridfahrzeuge können wahlweise vom Verbrennungsmotor, von einem durch die Batterie gespeisten Elektromotor oder von beiden angetrieben werden. Beim Bremsen kann bis zur Leistungsgrenze der installierten E-Maschinen Bremsenergie wieder in die Batterie gespeichert werden. Im Stadtverkehr oder im Stau zum Beispiel bietet sich die Möglichkeit an, den Motor ganz auszuschalten, komfortabel elektrisch zu starten und das Fahrzeug bei kleinen bis mittleren Geschwindigkeiten rein elektrisch anzutreiben.

Elektromotoren können aus dem Stillstand heraus relativ hohe Drehmomente erzeugen. Damit bietet sich die Möglichkeit, einen Generator direkt vom Verbrennungsmotor anzutreiben und die Antriebsachse mit einem von diesem Generator gespeistem Elektromotor. Ein zusätzlicher Speicher dient zur Aufnahme von Bremsenergie und zur Stabilisierung des elektrischen Systems. Bei Bedarf fließt Bremsenergie dann durch den Elektromotor in die Batterie zurück oder umgekehrt. Diese Bauart nennt man serielle Anordnung. Sie befindet zum Teil in Zügen und Bussen im Einsatz. [4] Der Gesamtwirkungsgrad ist aber niedrig, weil die gesamte Antriebsenergie im Leistungsfluss zweimal elektrisch-mechanisch umgewandelt wird, jedes Mal mit erheblichen Verlusten [1].

Deshalb ist die parallele Anordnung attraktiv. In der einfachsten Form sitzt ein Elektromotor an der Achse parallel zu dem herkömmlichen Triebstrang, speichert Energie beim Bremsen und benutzt diese Energie für die nächste Beschleunigung [7].

In beiden Anordnungen können die konzeptbedingten Elektromotoren als Starter, Hochspannungs-Generator und/oder als Rangiermotor verwendet werden, wodurch der Rückwärtsgang, Anlasser und Lichtmaschine entfallen können [2]. Dazu gibt es einen Bonus: der Elektromotor kann bei hoher Beschleunigungsanforderung kurzzeitig als „Nachbrenner“ agieren und aus der Batterie heraus einen Zusatzschub geben.

Hybridantriebe werden zur Zeit von vielen Fahrzeugherstellern erforscht bzw. gehen bei einigen Herstellern bereits in Serie. Ziel der Entwicklungen sind Hybridsysteme, die die folgenden Hauptanforderungen erfüllen:

1. Stufenlose Übersetzung

2. Rekuperation von Bremsenergie

3. Hybrid-Betrieb

4.  Starter/Generatorfunktion

Dabei sollen die Hybridantriebe natürlich hinsichtlich Baugröße, Bauraum, Zuverlässigkeit und Komfort wettbewerbsfähig zu anderen Antriebssystemen sein.

Eines dieser Hybridantriebe ist das „Stufenlose elektrisch leistungsverzweigte“ (SEL) -Antriebssystem der TU Chemnitz, an dem seit 1998 gearbeitet wird. Das Konzept in [2, 3] ausführlich beschrieben.
 

Funktionsweise des SEL-Getriebes im Vergleich zum Toyota-Hybridsystem

Das Herz eines leistungsverzweigten Getriebes ist ein Überlagerungsgetriebe, wo im einfachsten Fall (3-Wellen-Planetengetriebe) zwei Eingangsdrehzahlen eine Ausgangsdrehzahl ergeben. In dem Hybrid-Konzept von Toyota sind das die Drehzahl des Verbrennungsmotors und die eines Elektromotors, die Ausgangdrehzahl ist die der Abtriebswelle. Die Elektromotoren beziehen ihre Energie entweder vom anderen, dann als Generator agierenden Motor oder von der Batterie.
 

Bild 1: Toyota Hybrid System

Uns stand ein ein aus Japan eingeführter Toyota Prius zur Verfügung. Das Fahrzeug wurde mit Meßtechnik ausgestattet und damit Meß- und Testfahrten durchgeführt. Man kann sagen, daß das Toyota Hybrid System sehr ausgereift und ausgesprochen komfortabel erscheint. Das sich auch andere Leute mit dem Prius beschäftigen, kann man z.B. hier sehen.
In Bild 1 sind links die Elemente des Antriebssystems im Toyota Prius dargestellt [3]. Rechts ist ein Drehzahlleiterdiagramm dargestellt, mit dem sich das Zusammenspiel von Drehzahl und Drehmomenten im Überlagerungsgetriebe besonders gut zeigen lässt. Jede grau gezeichnete vertikale Drehzahlleiter gehört zu einem Element (R, St oder S) des Überlagerungsgetriebes. Die Abstände der Drehzahlleitern sind eine Funktion der Zähnezahlen (Übersetzungen). Die drei Drehzahlen von Hohlrad, Steg und Sonnenrad lassen sich in jedem Betriebszustand immer durch eine (hier rot gezeichnete) Gerade verbinden. Mit diesem Hilfsmittel lässt sich aus zwei bekannten Drehzahlen problemlos die unbekannte dritte ermitteln. Die Berechnung eines unbekannten Drehmomentes wird ebenfalls erleichtert, da die Drehmomente an Hohlrad S, Sonnenrad R und Steg St in diesem Diagramm wie Kräfte an einem Hebel im Gleichgewicht stehen.

Das Prius-Getriebe kommt ohne Schaltelemente aus. Es hat deshalb einen sehr einfachen, eleganten Aufbau. Aber es hat auch einen schwerwiegenden Nachteil: das Abtriebsdrehmoment kann nie größer werden als die Summe der Drehmomente vom Hohlrad S und von dem Elektromotor E1 an der Abtriebsseite. Das Hohlraddrehmoment ist bei diesem Konzept immer kleiner als das schon geringe Stegmoment bzw. Drehmoment des Verbrennungsmotors von max. 150 Nm. Für hohe Beschleunigungen und hohe Steigfähigkeit benötigt selbst ein leichtes Fahrzeug Abtriebsdrehmomente von 600 Nm und mehr. Mit diesem Antriebskonzept erfordert das eine sehr große Maschine E1 [3].

Mit dem SEL-Konzept wurde das Ziel verfolgt, die vielen guten Ideen des Toyota-Konzeptes beizubehalten, aber die Nachteile zu beseitigen. Bild 2 zeigt die Struktur des SEL-Getriebes.

Bild 2: Getriebeschema SEL-120

Wie beim Prius-Getriebe gibt es im SEL-Getriebe ein Überlagerungsgetriebe mit den Wellen R, St und S. Der Steg St ist wieder fest mit dem Verbrennungsmotor verbunden, die Welle R mit einer E-Maschine E2. Die E-Maschine E1 wird im SEL-Konzept mit der Antriebswelle verbunden. Sie kann viel kleiner werden als im Prius-Getriebe, das Abtriebsdrehmoment wird im SEL-Konzept nicht über E2 erzeugt. Zum Aufbau hoher Abtriebsdrehmomente wird das Hohlraddrehmoment der Welle S in einem weiteren Planetengetriebe mit hoher Übersetzung zum Abtrieb übertragen.

Diese zweite Stufe besteht aus einem gewöhnlichen Planetenradsatz, in dem der Steg als Abtrieb dient und das Sonnenrad J fest mit Hohlrad S der ersten Stufe verbunden ist. Das Hohlrad kann für den Betrieb im ersten Fahrbereich zur Erzeugung hoher Übersetzungen i>1,8 für hohe Abtriebsdrehmomente über Bremse B1 festgehalten werden.

Im zweiten Fahrbereich für Übersetzungen 1,8 > i >1 wird Hohlrad A über Kupplung K2 mit einem Hohlrad L gekoppelt.  Durch einen zusätzlichen Planetenradsatz und ein zusätzliches Hohlrad wird die aus dem Prius bekannte erste Planetenradstufe zu einem 4-welligen Überlagerungsgetriebe nach dem Vorbild eines Ravigneaux-Satzes erweitert.

Für einen dritten Fahrbereich mit Übersetzungen 1 > i > 0,45 können  Welle S und Welle ab noch über Kupplung K3 verbunden werden.

In einem rein elektrischen Fahrbetrieb über E-Maschine E2 stützt sich der Steg St über einen Freilauf B0 am Getriebegehäuse ab. Damit wirken dann beide Planetenradstufen mit hoher Übersetzung. Die z.B. 120 Nm von E2 können so auf über 1000 Nm am Abtrieb übersetzt werden.

Indem mehr Fahrbereiche hinzugefügt werden, ist es durch die Hebelwirkung des zweiten Planetengetriebes möglich, hohe Abtriebsmomente zu erzielen mit sogar kleiner dimensionierten Elektromotoren. Dabei kann der elektrische Leistungsfluss und seine damit verbundenen Verluste vermindert werden. Das resultierende Hybridgetriebe hat also ein Überlagerungs-Schaltgetriebe mit 3 Schaltelementen, eine einfache elektro-hydraulische Steuerung und ein Stellgetriebe mit 2 permanent erregten Synchronmaschinen sowie einer Leistungssteuerung [3]. Im Vergleich zu einem herkömmlichen, nicht hybriden Antriebssystem fallen die Lichtmaschine, der Anlasser und viele Getriebeelemente weg, dagegen kommen zwei Elektromotoren mit Steuerungselektronik und eine größere Batterie hinzu.
 

Konstruktion

Die Konstruktion des SEL-Getriebes (s. Bild 3) erfolgte komplett im 3D-CAD-System "ProEngineer".
Für eine erste Prototypanwendung wurde das SEL-Getriebe für den Einbau in einen Mercedes-Benz C220 CDI konstruiert. Das SEL-Getriebe darf dabei nicht mehr Platz einnehmen als ein dort sonst eingesetztes Automatikgetriebe, s. Bild 4. Insgesamt sind die Form und Größe mit einem Automatikgetriebe vergleichbar. Da die E-Maschinen im Stellgetriebe Prototypen sind, ist zu erwarten, dass sie bei einer Serienkonstruktion noch kleiner bauen werden.
 

Stellgetriebe

Das Stellgetriebe ist eine komplett vormontierte Einheit bestehend aus den zwei identischen E-Maschinen mit ihren Kühlmänteln und Drehzahlsensoren, den Antriebswellen und dem Freilauf B0, s. Bild 5. Der Aufbau der beiden wassergekühlten permanent erregten Synchronmaschinen ist in Bild 6 dargestellt. Entsprechende Prototypen wurden hier an der TU Chemnitz schon gebaut, s. Bild 7 und getestet. Im Steuerungsalgorithmus der Maschinen werden sowohl die Kennfelder des Verbrennungsmotors und der Synchronmaschinen berücksichtigt, wie auch Fahrprofil und Batterieladezustand.

Bild 5: Stellgetriebe

 
Bild 6: Aufbau der E-Maschinen
 

Bild 7: Prototypen von Rotor und Stator (mit Wicklung, Klemmring und Kühlkörper)

Hydraulik

Zwei Varianten der Hydrauliksteuerung wurden entworfen, die eine mit selbsthaltenden Ventilen und die andere mit ständig bestromten Ventilen. Die erste Variante ist zwar weniger gefährdet von Ausfällen der elektrischen Komponenten, aber dafür komplizierter und damit teurer. In der zweiten Variante müssen Ventile unter Strom entweder offen oder geschlossen gehalten werden. Im häufigst gefahrenem Fahrbereich muß kein Ventil bestromt werden (stromlos offen).
In dem selbsthaltenden Aufbau sorgt das System Speicherladeventil/Pumpe/Speicher dafür, dass ein Hydraulikdruck von etwa 25-50 bar für Schalten und Schmierung immer zur Verfügung steht. Der Speicher dient dazu, die hohen, kurzzeitigen Ölströme beim Schließen der Kupplungen zu decken und damit eine kleinere Pumpe zu ermöglichen. Der Hauptschaltblock, Ventilplatte 2, ist so aufgebaut, dass die drei Schaltventile nur kurz bestromt werden, um ein Drucksignal freizugeben, welches dann ein Halteventil öffnet und die anderen schließt. Das offene Ventil bleibt dann unter dem freigelassenen Druck offen, bis es von einem neuen Drucksignal geschlossen wird. Die fertige Konstruktion sieht man in Bild 8.
 

Bild 8: vorgesteuerte und direktgesteuerte Hydraulikeinheit

Der direktgesteuerte Aufbau ist wesentlich einfacher, nimmt aber in Kauf, dass die Pumpe nach Spitzenströmen dimensioniert wird (größer), und dass die Ventile unter Strom offen gehalten werden.
 

Systemgewicht

Das Gewicht des SEL-Getriebes ist incl. Batterie und Leistungssteuerung etwa 50 kg höher als das eines herkömmlichen Automatgetriebes. Simulationen haben gezeigt, daß der höhere Kraftstoffverbrauch aufgrund des Zusatzgewichts von der Bremsenergie-Rekuperierung mehr als ausgeglichen wird. Bemerkenswert ist der hohe Anteil der  elektrischen Komponenten am Gesamtgewicht. Mit immer mehr Herstellern im Forschungsgebiet Hybridfahrzeuge wird dieser Wert schnell sinken. Das Gewicht des reinen Fahrgetriebeteiles entspricht schon heute dem Gewicht anderer Fahrgetriebe.
 

Zusammenfassung

Nachdem das Konzept feststand, wurde das SEL-Getriebe komplett durchgerechnet, dimensioniert und konstruiert, ein vollständiger 3D-Datensatz liegt vor. Ob ein Prototyp dieses Getriebes gebaut wird, ist aber noch ungewiss. Das SEL-Getriebe ist seiner Zeit eben um einiges voraus, viele potentielle Partner scheuen die noch hohen Kosten für Elektromotoren und Leistungssteuerung. Dennoch ist eine derart detaillierte und durchdachte Konstruktion ein Schritt aus der grauen Theorie in Richtung Praxis. Indem die „Kleinigkeiten“, an dem letztendlich viele Konzepte scheitern, angepackt wurden, konnten die Stärken, Schwächen und Möglichkeiten zur Weiterentwicklung erforscht werden.
Konkurrierende Konzepte sind andere stufenlose Getriebe in Verbindung mit Starter-/Generatoren. Wenn sich jedoch Starter-/Generatoren in der Serie durchsetzen, ist der Siegeszug der elektrischen Komponenten im Fahrzeugantrieb nicht mehr aufzuhalten. Dann werden sich so viele Anbieter um diesen Markt bewerben, dass die heute noch zu hohen Kosten der elektrischen und elektronischen Komponenten schnell fallen werden. Spätestens wenn die Brennstoffzelle die Serienreife erreicht, wird das SEL-Konzept für viele Anwendungen hochinteressant. Dass es technische Vorteile hinsichtlich Fahrdynamik, Komfort, Kraftstoffverbrauch und Emissionen bietet, ist durch Simulationen und in der Praxis durch den Toyota Prius bewiesen und wird allgemein anerkannt.