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Einfach erklärt: die Vollhybrid-Technik

E-CVT: clever vernetzte Technologie

LEXUS CT 200h

Teil 1: Das Lexus Prinzip und seine Vorteile
Wie verbindet man Benziner und Elektro-Aggregate im Vollhybridantrieb zu einem Team,
das in jeder Situation effizient zusammenarbeitet, um Sprit zu sparen, Abgasemissionen zu
reduzieren und trotzdem jederzeit kraftvolle Beschleunigung zu ermöglichen? Das war eine der Kernfragen am Anfang der Hybridentwicklung. Lexus fand eine konsequente und deshalb heute noch gültige Antwort darauf: das elektronisch geregelte Hybridgetriebe E-CVT.

Anstatt nur einen Elektromotor zwischen Verbrenner und Getriebe in den bestehenden konventionellen Antriebsstrang zu integrieren, fiel die Wahl auf eine prinzipielle Neuentwicklung der Kraftübertragung: Man entschied sich für ein Planetengetriebe zur stufenlos variablen Verteilung des Kraftflusses. Die Abkürzung CVT steht für den englischen Begriff "continuously variable transmission" (kontinuierlich variable Übersetzung) und ruft Erinnerungen an stufenlose Automatikgetriebe für Kleinwagen wach. Wegen der Namensverwandtschaft und seiner prinzipiell ähnlichen Wirkung im Fahrbetrieb wird das E-CVT der Lexus Vollhybridmodelle tatsächlich oft mit herkömmlichen CVT-Getrieben verwechselt. Dabei kommt eine völlig andere Technik zum Einsatz.

Lexus lässt keine Antriebsriemen über Kegelscheiben laufen, sondern verwendet für die tufenlose Kraftübertragung ein Planetengetriebe. Dieses elektronisch gesteuerte Zahnrad- nsemble erlaubt es, den Benziner und die beiden als Motor-Generator bezeichneten E- Maschinen unabhängig von deren Drehzahlen miteinander zu koppeln und Aggregate in praktisch jeder Betriebssituation selektiv zu- und abzuschalten.

Dank dieser Technologie kann jeder Lexus Vollhybrid seine Antriebsquellen sowohl in serieller als auch in paralleler Anordnung einsetzen und damit die speziellen Vorteile beider Bauarten für sich nutzen. Außerdem ersetzt es neben dem herkömmlichen Getriebe auch Bauteile wie Kupplung und Anlasser und spart damit Bauraum und Gewicht.

Im seriellen Betrieb läuft der Verbrenner konstant im Bereich seines höchsten Wirkungsgrades und produziert über den Motor-Generator MG1 während der Fahrt Strom zum Laden der Hybridbatterie. Der Parallelhybrid erlaubt dagegen weitere sinnvolle Betriebsarten: Im Stadtverkehr sorgt die leistungsstarke E-Maschine MG2 allein für emissionsfreien Vortrieb, auf der Autobahn kann sie das Benzintriebwerk als "Powerbooster" kraftvoll unterstützen. Die intelligent geregelte stufenlose Kraftübertragung erlaubt es, den Verbrenner bei langsamer Fahrt abzustellen (EV Modus) und ruckfrei wieder zuzuschalten, sobald der Fahrer stärker aufs Gaspedal tritt.

Der 2009 eingeführte Lexus RX 450h mit stolzen 220 kW/299 PS Systemleistung setzt
dank dieser Technologie bis heute den Maßstab für günstige Verbrauchs- und Emissionswerte bei großen SUV-Modellen: Der über zwei Tonnen schwere Fullsize-Allradler verbraucht nur 6,3 Liter auf 100km und stößt dabei lediglich 145 g CO2 aus – ein Wert, der auch von den jüngsten Konkurrenzmodellen deutscher Hersteller nicht erreicht wird.


Teil 2: Die Funktionsweise im Detail
Seit der Einführung des Vollhybridantriebs im Toyota Konzern vor über zehn Jahren wird jedes Vollhybrid-Fahrzeug mit dieser inzwischen millionenfach bewährten Art der Kraftübertragung ausgerüstet. Um zu verstehen, wie die Anpassung der Übersetzung und das nahtlose Zu- und Abschalten des Verbrenners und der beiden Motor-Generatoren funktionieren, empfiehlt sich zunächst ein Blick auf den Aufbau und die grundsätzliche Arbeitsweise des Planetengetriebes.

Das Planetengetriebe überträgt die Antriebskraft mittels Zahnrädern, die sich ständig im
Eingriff befinden. Um das innere Zahnrad, das sogenannte Sonnenrad, drehen sich die über einen Träger miteinander verbundenen Planetenräder. Die Kreisbahn der Planetenräder umschließt ein äußerer Zahnkranz, das sogenannte Hohlrad.

Sonnenrad, Planetenradträger und Hohlrad sind im E-CVT System mit jeweils einem der drei Aggregate des Hybridsystems verbunden: das Sonnenrad mit dem Motor-Generator MG1, der "hauptberuflich" während der Fahrt Strom zum Aufladen der Hybridbatterie produziert und außerdem als "Start-Stopp-System" für den Verbrenner fungiert. Der Planetenradträger wird mit dem Benzintriebwerk gekoppelt. Das Hohlrad schließlich ist mit dem hauptsächlich für den Elektroantrieb zuständigen Motor-Generator MG2 und dem Achsantrieb verbunden.

Die Drehbewegung des Hohlrades entspricht also der Drehung des Elektromotors MG2 und steht in direkter Relation zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Das Planetengetriebe ermöglicht so auf einfache Weise einen rein elektrischen Fahrbetrieb. Das Benzintriebwerk bleibt in dieser Situation abgeschaltet, der Planetenradträger steht still. Das Hohlrad rollt über die auf der Stelle rotierenden Planetenräder ab. Der Motor-Generator MG1 läuft über die Drehung des Sonnenrads "leer" mit.

Sobald vom Fahrer mehr Leistung abgerufen wird als über den elektrischen Antrieb verfügbar wäre, kommt automatisch der Verbrennungsmotor wieder zum Einsatz. Er wird über den Motor-Generator MG1 gestartet. Dieser wird von der Hybridbatterie mit im Hybridgetriebe die Planetenräder dazu zwingt, um das Sonnenrad abzulaufen. Damit rotiert auch der Planetenradträger und mit ihm die Kurbelwelle des Benzinmotors: Der Verbrenner wird gestartet.

Der Schlüssel zur vorbildlichen Effizienz des E-CVT Systems ist die vollständig variable Regelung der Drehzahlen und des Kraftflusses zwischen dem Benziner und den Motor-Generatoren MG1 und MG2: Der Verbrenner kann gleichzeitig die Räder antreiben und über die E-Maschine MG1 Ladestrom für die Hybridbatterie erzeugen. Bei Beschleunigung wird die dort gespeicherte Kraft abgerufen und zum Antrieb des MG2 eingesetzt. Umgekehrt kann der Benziner während der Fahrt über den Widerstand des MG1 praktisch jederzeit abgeschaltet und wieder angelassen werden. Der MG1 fungiert somit nicht nur als "Ladegerät" für die Hybridbatterie, sondern auch als "Start-Stop-System" für den Benzinmotor. Der im Atkinson-Viertaktzyklus arbeitende Verbrenner wird mit reduzierter Verdichtung sanft und rucklos gestartet und rasch auf die optimale Drehzahl gebracht. Auch elektrisches Anfahren nach dem Kaltstart, während das Benzintriebwerk in der Manier eines Stationärmotors warmläuft und nur den Motor-Generator MG1 antreibt, ist darstellbar. Eine weitere Besonderheit ist die stufenlos variable Anpassung der Antriebsübersetzung. Bei Beschleunigung läuft das Benzintriebwerk mit konstanter Drehzahl und voll geöffneten Drosselklappen in einem besonders effizienten Betriebszustand. Die Änderung der Übersetzung erfolgt über die Reduzierung der Drehzahl des Motor-Generators MG1. Dieser zwingt so das mit der zweiten E-Maschine MG2 verbundene Hohlrad des Planetengetriebes zur schnelleren Drehung – mit entsprechender Konsequenz für die Antriebsachse.

Das Drehzahllimit des Motor-Generators MG2 und dessen Übersetzung innerhalb des Hybridgetriebes bestimmen die erreichbare Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Bei den Modellen CT 200h und RX 450h wird diese zugunsten eines hohen Drehmoments bei niedrigen Geschwindigkeiten elektronisch auf 180 bzw. 200 km/h limitiert. Bei den Hochleistungs-Hybriden GS 450h und LS 600h kommt hingegen eine zusätzliche zweistufige Untersetzung zwischen MG2 und Achsantrieb zum Einsatz. Diese halbiert bei höheren Geschwindigkeiten die Drehzahl des Motor-Generators und ermöglicht dadurch Endgeschwindigkeiten von 240 bzw. 250 km/h.
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