Wenn es um die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen geht, spielt neben der Optimierung der Verbrennungsmotoren die Elektrifizierung des Antriebsstrangs eine zentrale Rolle – angefangen von der spritsparenden Start-Stopp-Funktion bis zum vollelektrischen Antrieb. In diesem Spektrum der Elektrifizierungs-Möglichkeiten klafft bisher allerdings eine Lücke zwischen den relativ kostengünstigen 12-Volt-Start-Stopp-Systemen und den wesentlich aufwändigeren Hybridlösungen mit Spannungen ab 110 Volt. Diese Lücke hat der internationale Automobilzulieferer Continental mit seinem „48 Volt Eco Drive“-System geschlossen.
Die neue Hybrid-Technologie verbindet das Beste aus zwei Welten: Sie lässt sich mit wenig Aufwand in die Architektur konventionell angetriebener Fahrzeuge integrieren und bietet zugleich Funktionen, die bisher nur bei den Hochvolt-Hybridsystemen zu finden sind – das Abschalten des Verbrennungsmotors während der Fahrt („Segeln“, „Coasting“), einen sehr schnellen, komfortablen Premium-Motorstart und eine effiziente Bremsenergie-Rückgewinnung (Rekuperation). Die neue Continental-Technologie wird erstmals 2016 bei europäischen Automobilherstellern in Serie gehen. Welches Spritspar-Potenzial sie bietet, zeigt nun das Magazin „auto mobil“ des TV-Senders Vox am 16. November um 17 Uhr. Die Vox-Redakteure testeten das Demonstrationsfahrzeug von Continental – einen handelsüblichen Kompaktwagen mit 1,2-Liter-Benzinmotor, ergänzt um das „48 Volt Eco Drive“-System – unter realen Bedingungen im vorwiegend städtischen Raum.
Das Resultat: 21 Prozent Kraftstoffeinsparung gegenüber der serienmäßigen Ausführung mit 12-Volt-Start-Stopp-System.
„Dieses Ergebnis belegt eindrucksvoll das enorme Potenzial, das unser 48-Volt-Hybridsystem bei der Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen bietet“, sagt Dr. Carsten Götte, Leiter Entwicklung Bordnetzstabilisierungssysteme des Geschäftsbereichs Hybrid Electric Vehicle der Continental-Division Powertrain. „Die höchsten Einsparungen lassen sich im städtischen Bereich erzielen, aber auch auf Landstraße und Autobahn reduziert das System durch Motorabschaltung und Rekuperation den Verbrauch. Der Durchschnittsverbrauch nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEDC) ist nach unseren Messungen um rund 13 Prozent niedriger als bei einem konventionellen Verbrennungssystem ohne Start-Stopp-Funktion.“
Besonders starke Nachfrage in Kompakt- und Mittelklasse erwartet
Continental bietet Systeme für alle Stufen der Antriebselektrifizierung an, von der 12-Volt-Start-Stopp-Technologie bis zum kompletten Antriebsstrang für Elektrofahrzeuge. In dieser Strategie der „Elektrifizierung nach Maß“ ist das neue 48-Volt-Hybridsystem ein weiterer Baustein. „Diese neue Technologie ist sehr wirtschaftlich, weil sie sich zum einen leicht in eine bestehende Fahrzeugarchitektur integrieren lässt und weil zum anderen die Batteriekosten aufgrund des relativ kleinen 48-Volt-Akkus überschaubar sind“, sagt Christopher Breitsameter, Leiter Business Development & Strategy der Division Powertrain. „Die Automobilhersteller fordern kostengünstige ‚Clean Power’-Lösungen mit einem attraktiven Systempreis im unteren zweistelligen Euro-Bereich pro Gramm CO2-Reduzierung – mit dem ‚48 Volt Eco Drive’ liegen wir genau in dieser Größenordnung.“
Das System sei in allen Fahrzeugklassen optimal einsetzbar, so Breitsameter. „Wir gehen aber davon aus, dass es in den volumenstarken Segmenten der Kompakt- und Mittelklasse besonders gefragt sein wird, da hier die Kostenhürde für eine Elektrifizierung des Antriebsstrangs sehr hoch ist.“ Angesichts der bevorstehenden Reduzierung der Flotten-Emission auf durchschnittlich 95 Gramm CO2 pro Kilometer werde Europa voraussichtlich die Vorreiterrolle bei der Einführung der 48-Volt-Technologie übernehmen. „Wir rechnen damit, dass andere Regionen in Kürze folgen werden und die Nachfrage weltweit sehr schnell wächst.“ Nach Branchen-Schätzungen werden 2025 weltweit rund 20 Prozent der Neufahrzeuge über elektrifizierte Antriebe verfügen – und mehr als die Hälfte davon werden 48-Volt-Hybride sein.
Geringer Aufwand, hohe Effizienz – und Basis für neue Funktionen
Das 48-Volt-Bordnetz – welches das 12-Volt-Netz ergänzt – besteht beim „Eco Drive“-System von Continental aus drei Komponenten: einem Elektromotor mit integriertem Umrichter, der die Lichtmaschine ersetzt, einer 48-Volt-Lithium-Ionen-Batterie und einem Spannungswandler (DC/DC-Wandler) für den Energieaustausch zwischen den beiden Bordnetzen. Größere Eingriffe in das Fahrzeugsystem sind auch deshalb nicht nötig, weil ein 48-Volt-Netz keine Maßnahmen zum Berührungsschutz erfordert, diese sind erst bei Spannungslagen ab 60 Volt vorgeschrieben. Der Elektromotor ist im aktuellen Demonstrationsfahrzeug von Continental ein Riemen-Starter-Generator mit integrierter Leistungselektronik. Die E-Maschine – die alternativ auch direkt an das Getriebe angebaut werden kann – versorgt das 48-Volt-Bordnetz, unterstützt den Antrieb elektromotorisch (bei „E-Boosting“ und „Segeln“, s. unten) und startet den Verbrennungsmotor sehr leise und doppelt so schnell (in weniger als 0,2 Sekunden).
Das 48-Volt-Bordnetz bietet auch im Hinblick auf weitere Energiesparmaßnahmen und neue elektrische Funktionen viele Vorteile. So lassen sich elektrische Verbraucher mit höherem Energiebedarf bei 48 Volt effizienter betreiben. Zudem können 48-Volt-Verbraucher aufgrund dieser hohen Effizienz leichter konstruiert werden, was das Fahrzeuggewicht reduziert. Und gerade bei größeren Fahrzeugen, bei denen das herkömmliche 12-Volt-Bordnetz schon heute an seine Leistungsgrenzen stößt, lassen sich neue Funktionen – wie elektrischer Klimakompressor oder elektrische Wankstabilisierung (aktive Begrenzung der seitlichen Neigung in Kurven) – ohne eine zusätzliche Spannungslage kaum noch realisieren.
Wirkungsvolle Rekuperation und Motorabschaltung während der Fahrt
Im Vergleich zu 12-Volt-Systemen bietet der „48 Volt Eco Drive“ eine deutlich wirkungsvollere Rekuperation. Die so gewonnene Energie, die im leistungsstarken Li-Ion-Akku gespeichert wird, trägt maßgeblich zur Kraftstoffeinsparung bei. Und die Rekuperationsleistung lässt sich bei künftigen Anwendungen noch weiter optimieren, beispielsweise zusammen mit dem Continental-System eHorizon (elektronischer Horizont), das auf Basis der topografischen Daten und des GPS-Signals ein dreidimensionales Profil der Fahrtstrecke erstellt. Die Motorsteuerung kann dadurch schon im Voraus ermitteln, auf welchen Streckenabschnitten Energie gewonnen werden kann und wie diese Energie am sinnvollsten genutzt wird.
Den Kraftstoffverbrauch reduziert das neue 48-Volt-Hybridsystem auch durch die Ausweitung der Start-Stopp-Funktion auf den Fahrbetrieb – insgesamt ist der Verbrennungsmotor fast ein Drittel der Zeit abgeschaltet. Das 48-Volt-Netz stützt dabei das 12-Volt-Bordnetz und sorgt dafür, dass alle elektrischen Funktionen aufrecht erhalten werden. Herkömmliche 12-Volt-Start-Stopp-Systeme müssen dagegen häufig für den Betrieb energieintensiver Verbraucher (z.B. Klimaanlage) den Motor wieder starten oder schalten ihn im Stand gar nicht erst ab.
Der „48 Volt Eco Drive“ schaltet den Verbrennungsmotor bereits ab, sobald der Fahrer den Fuß vom Gaspedal nimmt. Dabei wird zugleich der Antriebsstrang vom Motor entkoppelt, so dass das Fahrzeug frei rollt. In diesen „Coasting“-Modus wechselt das System nicht nur im Stadtverkehr, etwa beim Zurollen auf eine Ampel, sondern auch bei höheren Geschwindigkeiten. „Wenn man mit 120 Stundenkilometern auf der Autobahn überholt und den Fuß vom Gas nimmt, reicht die Energie des Fahrzeugs aus, um weiter mit dem Verkehr mitzuschwimmen und den Überholvorgang fortzusetzen“, sagt Carsten Götte. Zu sehen ist dieses Beispiel in einem neuen Video von Continental, in dem Götte am Steuer des Demonstrationsfahrzeugs sitzt und dessen Technologie erklärt. Bei einer durchschnittlichen Fahrt befindet sich das System etwa 20 bis 25 Prozent der Zeit im „Coasting“-Modus und spart allein dadurch bis zu 8 Prozent Kraftstoff ein.
Premium-Komfort beim Motorstart
Ganz gleich, ob beim „Coasting“ der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, beim „E-Boosting“ der Elektromotor unterstützt, oder das „Segeln“ zum „Coasting“ wird: Von den Übergängen zwischen den Fahrmodi spürt der Fahrer wenig. Das gilt ebenfalls für das Starten des Verbrenners nach den Abschaltphasen, das extrem schnell, leise und vibrationsarm erfolgt. Götte: „Dieser Premium-Komfort beim Motorstart ist neben der Effizienz und Wirtschaftlichkeit ein weiterer wichtiger Vorzug unseres neuen 48-Volt-Systems.“
