Technik im Hybridantrieb: Elektrische Sekundärachse

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Bei P0 bis P3 dreht sich alles um die Frage, wie der E-Motor in Bezug auf Motor und Getriebe positioniert wird. P4 fällt insofern aus dem Schema, weil es für eine elektrisch angetriebene Sekundärachse steht, also normalerweise die Hinterachse. Das war es, damit ist der deskriptive Teil der Betrachtung eigentlich beendet. Das eigentlich interessante daran ist, welchen Nutzen es hat, beides zu kombinieren.

P4 ist schon seit längerem in Serie, etwa bei PSA und Volvo. PSA hatte bereits 2012 mehrere Modelle im Angebot, beispielsweise den Peugeot 3008 Hybrid4, der einen Dieselmotor vorne mit einer E-Achse hinten kombinierte. Der E-Motor leistete 27 kW und die Batterie mit 1,1 kWh ließ sogar ein paar wenige Kilometer rein elektrisches Fahren zu.

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Technik im Hybridantrieb: Elektrische Sekundärachse (8 Bilder)

Allrad ohne Welle

Es gab schon damals gute Argumente für P4: Eine E-Achse lässt sich integrieren, ohne den Bauraum unter der Motorhaube anzutasten. Bei Verwendung eines automatisierten Schaltgetriebes lassen sich die Zugkraftunterbrechungen (vorne) durch den E-Motor (hinten) füllen, das kann P3 allerdings auch. Die Leistung einer E-Achse lässt sich auch vergleichsweise einfach skalieren, weil genügend Platz für den E-Motor zur Verfügung steht – P4 braucht ähnlich viel oder wenig Raum wie das Verteilergetriebe eines Allradantriebs. Mit Blick auf unterschiedliche Hybridvarianten ist auch ein Vorteil, dass es der E-Achse egal ist, was sich unter der Motorhaube in der Sektion P0 bis P3 abspielt. P4 lässt sich – sofern kräftig genug – für den Hybrid ebenso einsetzen wie für ein reines Elektroauto.

Doppelter Raumgewinn

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Wegfall der Längswelle: Front-Quer-Allradantriebe („quer“ bezogen auf die Lage der Kurbelwelle) sind anderes als Längsantriebe wie der von Subaru eine etwas verdrehte Angelegenheit: Die Längswelle vom Differential nach hinten zu führen, braucht, anders als beim nach Subaru-Diktion „symmetrischen“ Längseinbau, eine Umlenkung. Der Allradantrieb ohne Längswelle schafft deswegen im doppelten Sinne Raum: Der Mitteltunnel entfällt und die Motor-Getriebe-Kombination kann vorne ungestört quer verbaut werden. Es ist noch nicht lange her, dass Getriebe und längs eingebaute Reihenmotoren für lange Motorhauben sorgten, selbst BMW hat sich teilweise vom Längseinbau verabschiedet, weil es schlicht dem Innenraum zugutekommt.

Temporäre Traktionshilfe

Attraktiv ist schließlich die Möglichkeit, mithilfe der E-Achse einen Allradantrieb zu realisieren, bei dem beide Achsen einen eigenen Antrieb haben, daher Begriffe wie „Through-the-Road“- oder „Axle Split“- Hybrid. Volkswagen verwendet den Ausdruck „elektrische Kardanwelle“ und hat sich diesen sogar schützen lassen. Der Nutzen eines solchen Allrad-Hybrids ist allerdings nicht 1:1 mit einem mechanischen Allradantrieb vergleichbar, Grenzen setzt allein schon die Batterie: 1,1 kWh wie im ersten Peugeot Hybrid4 helfen im Gelände oder bei Schnee bergauf nicht allzu lange weiter. Was bleibt, ist also im Grunde eine Art temporäre Traktionshilfe, was ja auch nicht schlecht ist.

Was ist die Anwendung?

Die Frage ist: Welchen konkreten Nutzen will man mit P4 + Px (x für 2, 2.5 oder 3) generieren? Wenn es um relativ preisgünstige Hybridisierung mit Zusatznutzen in Form eines temporären Allradantriebs geht, ist schon eine „milde“ 48-Volt-Hinterachse hilfreich – und hinsichtlich der Mehrkosten eine Alternative zum Dieselmotor. Wenn man aber einen „erwachsenen“ Allradantrieb möchte, der mit einer klassischen, mechanischen und geländetauglichen Lösung konkurrieren kann, lässt sich ein Hochvolthybrid (mehr Volt x nicht zu viel Ampere = brauchbare Leistung) kaum vermeiden. 15 kW an der Hinterachse für ein oder zwei Minuten werden keinen passionierten Allradfahrer überzeugen – 50 oder 100 kW sollten es vielleicht schon sein.

Dann allerdings kommt die nächste Frage ins Spiel, die manch hochpreisiger P4-Plug-in-Hybrid als Serienanwendung schon aufgeworfen hat. Um permanenten Allradantrieb über längere Dauer zu gewährleisten, brauche ich natürlich eine Batterie, die das ebenso permanent zulässt, das wird schwer. Man hat dann die Wahl: entweder – zum Beispiel 50 km – rein elektrisches Fahren in der Stadt, oder eine Weile Strom für die Hinterachse im Geländebetrieb, irgendwann ist aber Schluss.

Auf der Autobahn ein Trinker

Funktional hat das eine mit dem anderen eigentlich gar nichts zu tun, aber beides saugt an der Batterie. Ich habe übrigens schon einige Male den Besitzer eines E-Achsen-bewehrten Plug-in-Allrad-Hybrids (schwedisch, praktisch, eigentlich gut) wettern hören, weil der im NEFZ so sparsame Plug-in-Hybrid auf der Autobahn zum Trinker wird. Klar: 50 Kilometer rein elektrisch gefahrene Reichweite brauchen über den Daumen mindestens 10 kWh.

Schon die sind für normale Rekuperations- und Boosting-Zwecke überdimensioniert. Warum? Die E-Maschine kann noch so eifrig rekuperieren, übliche Batterien sind zu „langsam“, um die eigentlich hohen Leistungen beim elektrischen Bremsen überhaupt verdauen zu können. Dass es Hersteller „normaler“ Hybride bei 0,5 bis 1 oder 2 kWh belassen, hängt auch damit zusammen. Größere Batterien sind somit sinnvoll, um in der Stadt elektrisch fahren zu können, außerhalb aber eigentlich nicht. Manch bisheriger Plug-in-Hybrid mit elektrifizierter Hinterachse war im Grunde die Antwort auf eine falsch gestellte Frage, angeregt durch den verkorksten Messzyklus ECE R101, mit dem sich im NEFZ so trefflich der Verbrauchswert schönen lässt.

Allzeit allradbereit

Beim Allradantrieb möchte ich als Kunde immer Kraft an der Hinterachse haben, unter allen Umständen, egal wie der Ladestand der Batterie ist. Wie geht das? Bisherige Plug-in-Hybride sind in der Regel P0/P4-Hybride, heißt also: Für die Rekuperation steht zwar potenziell die Leistungsfähigkeit von Startergenerator UND Hinterachse zur Verfügung, so weit, so gut. Das hilft aber im Allradbetrieb wenig, denn ein Startergenerator vorn (P0) bringt eine viel zu geringe Leistung auf, um einen starken E-Motor an der Hinterachse zu versorgen. Selbst bei 48-Volt-Anwendungen könnte man das Potenzial an der Hinterachse (ca. 20 bis 25 kW) nicht annähernd nutzen. Hier kommen nun wieder P2, P2.5 und P3 ins Spiel, die je nach Auslegung genauso viel leisten können wie die elektrifizierte Hinterachse. Die Kriterien für die Auswahl sind dabei weitgehend dieselben wie für Vorderradantrieb.

Konsequent weitergedacht müsste man nun folgende Rechnung aufmachen: Wenn ich Gewicht und mechanische Verluste des mechanischen Allradantriebs aus dem System nehme und stattdessen vorne Strom für hinten erzeuge – was ist effizienter? Es ist gar nicht so leicht zu beantworten, denn hier steht mechanische Reibung gegen die Verluste eines seriellen Antriebspfads, also Verbrennungsmotor-Generator-E-Motor.

Argumente für den Endkunden

Allerdings ist die realistische Analogie ohnehin eher die Betriebsart von sogenannten „Hang-on“-Allradantrieben, bei der Traktion an der Hinterachse nur kurzzeitig benötigt wird. Es ergibt also durchaus Sinn, vorne stärker als mit P0 zu e-motorisieren, denn das Argument für den Endkunden ist simpel: Du bekommst die Effizienzvorteile eines Hybrids – und bei Bedarf jederzeit Traktion an beiden Achsen, auch wenn der Ladezustand der Batterie am unteren Level ist. Bisherige P0/P4-Hybride, meist SUVs, sind dagegen ziemliche Gelände-Gockel, meist finden sie ja nicht mal den Weg dorthin.

Nur kurz angemerkt – weil nun zwei starke E-Maschinen im Spiel sind – sei eine Verschiebung der Präferenzen, was Verbrennungs- und Elektromotor angeht. Starke E-Motoren an Vorder- und Hinterachse mit ihren hohen Drehmomenten entlasten den Verbrennungsmotor, oder, um eine häufig verwendete Formulierung zu zitieren: „Der Verbrennungsmotor trägt nur noch ins Ziel, die Dynamik machen die E-Motoren“.

Diese Verschiebung in Richtung stationären Betrieb erlaubt mehr Standardisierung, vereinfacht zum Teil auch die Abgasnachbehandlung; und es bringt auf neue Ideen: War früher der Verbrennungsmotor eine der stärksten charakterbildenden Maßnahmen, wird man Markendifferenzierung zukünftig vielleicht mehr elektromotorisch und über beide Achsen hinweg definieren. „Good Vibrations“ werden sozusagen durch eine Art effiziente Dynamik abgelöst. Das Motto ist ja schon reserviert.

Alle dabei

Dass P4 die Hersteller umtreibt – ob für Allrad- oder reine Hinterradanwendungen, zeigen die Aktivitäten der Industrie. Man sieht es zum Beispiel bei der Powertrain-Tochter des Zulieferers Magna, die seit langem Komponenten für mechanische Allradantriebe produziert, aber heute auch diverse E-Achsen für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Mit dem Erwerb des Getriebeherstellers Getrag 2016 hat sich Magna Powertrain außerdem zum Anbieter von mechanischen und elektrifizierten Antriebskomponenten über beide Achsen hinweg entwickelt.

Prinzipiell kann das Unternehmen P4 mit P2.5, P2 und P3 aus dem eigenen Programm liefern und als System anbieten. Überhaupt gibt es viele Anbieter für elektrifizierten Hinterachsen, nur eine Auswahl: GKN, ZF, Conti, Bosch, Schaeffler, Valeo, Rheinmetall, Mahle. Sie alle eint wohl, dass E-Achsen für praktisch sämtliche Formen der Elektrifizierung taugen und mit wenig Änderungen am Gesamtfahrzeug für unterschiedliche Anwendungen und Märkte angepasst werden können.

Pendel schwingt in Richtung mehr Elektrifizierung

Wie bei der Umsetzung konkreter Antriebsarchitekturen die Rollen zwischen Zulieferern und Autoherstellern verteilt sein werden, ist eine der spannenden Fragen der nächsten Jahre, denn klassischerweise lassen sich die Hersteller Antriebskompetenz nicht gerne aus der Hand nehmen. Offensichtlich ist, dass bei Betrachtung der Wertschöpfungskette der Verbrennungsmotor etwas aus dem Mittelpunkt rückt, das Pendel schwingt langsam in Richtung mehr Elektrifizierung. Das gilt selbst dann, wenn der Verbrennungsmotor im System bleibt, weil E-Motoren eine Menge Dynamik ins Spiel bringen können. Beispiele wie die Marke Mini zeigen außerdem, dass es auch andere Möglichkeiten zur Differenzierung gibt, etwa das Infotainment – warum nicht auch sportliche, sparsame und leise Hybridantriebe?

P4 ist im Vergleich zu P0 bis P3 räumlich etwas abseits angesiedelt. Aber in der achsübergreifenden Betrachtung entsteht ein neues Verständnis eines systemischen Allradantriebs, der nicht auf Kosten von Verbrauch geht, sondern auch ein optimiertes Zusammenspiel der Antriebsaggregate möglich macht. Ein Plug-in-Hybrid mit 50 Kilometer Reichweite, sparsam in allen Lebenslagen, mit ständig verfügbarem Allradantrieb und Torque Vectoring könnte sicherlich einige überzeugen. Die P-Frage bleibt allein deswegen aktuell, weil wir zwecks weniger CO2 sowieso nicht um intelligente Hybridlösungen herum kommen. Es geht wohl gerade erst richtig los mit den interessanten Hybrid-Architekturen.

(chlo)