GTC II: 48-V-Hybridfahrzeug senkt Kraftstoffverbrauch um 25 %

Die von AUTOMOBIL-ELEKTRONIK und emobility tec getesteten Fahrzeuge waren dementsprechend nicht zur Serienreife ausparametriert, zeigten aber sehr deutlich, welch immenses Potenzial in der 48-V-Technologie steckt – auch und gerade im besonders preissensiblen, hochvolumigen C-Segment. Die Ingenieure bei Continental und Schaeffler haben es geschafft, die CO₂-Emissionen  gemäß NEDC/NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) auf unter 85 g/km zu senken.

Prof. Dr.-Ing. Peter Gutzmer (Schaeffler): „Wir glauben fest daran, dass sich 48 V im Massensegment durchsetzen wird.“ Alfred Vollmer

Um ein Gespür für den Entwicklungsfortschritt zu bekommen, ist ein Blick auf das GTC I nötig, das die beiden Firmen im Jahr 2014 auf dem Motorensymposium in Wien vorstellten – basierend auf einem 48-V-System in der P0-Konfiguration. Schon das GTC I zeigte vor etwa zwei Jahren mit einem um 17 % besseren Wirkungsgrad im NEFZ gegenüber dem Referenzfahrzeug und mit einem CO₂-Ausstoß von knapp 95 g/km durchaus beachtliche Werte. Als Referenzfahrzeug wählten Continental und Schaeffler damals wie heute einen bereits ziemlich effizienten Ford Focus mit aufgeladenem 3-Zylinder-Ottomotor (GTDI) mit 1 l Hubraum.

Prof. Dr.-Ing. Peter Gutzmer, Vorstandsmitglied und Leiter der Forschung & Entwicklung bei Schaeffler, erwartet  vom GTC II, dass es gegenüber dem GTC I im NEFZ zusätzliche rund 13 % Kraftstoffeinsparung bringt. Der augenfälligste Unterschied zum GTC I liegt darin, dass sich die elektrische Maschine beim GTC II zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe befindet (P2-Architektur). Für Prof. Gutzmer ist das GTC II denn auch wie das GTC I „ein Meilenstein, weil es hier gelungen ist, hocheffiziente hybride Betriebsstrategien in einem Wagen mit Handschaltgetriebe umzusetzen“, und er wäre kein Technikvorstand, wenn er nicht gleich eine (Teil-)Erklärung lieferte: „Die elektrifizierte Kupplung schafft im GTC II zusätzlich die Voraussetzung für Funktionen wie ein elektrisches Anfahren, elektrisches Stop-and-Go sowie eine Rekuperation bis fast in den Stand.“

48 Volt im Einsatz

Der Elektromotor sitzt direkt am Getriebe. Schaeffler/Continental

In Grundzügen hat das GTC II viel mit dem GTC I gemein: Beide veranschaulichen das Potenzial einer milden 48-V-Hybridisierung im Pkw mit hubraumreduziertem Benzinmotor. Es sind vor allem intelligente Wechselwirkungen zwischen den verbauten Technologien, die beide Fahrzeuge gegenüber dem Referenzmodell sparsamer machen. Die hybriden Betriebsstrategien beruhen auf einem umfassenden Integrationsansatz, bei dem das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile. Allerdings schöpft das GTC II Potenziale aus, die sich beim GTC I noch nicht realisieren ließen – und das gilt sowohl für die elektrische Antriebskomponente als auch für die verbrennungsmotorische Seite.

Christopher Breitsameter (Continental): „Wir gehen davon aus, dass wir beim GTC II die Stickoxide nochmal um 10 % senken können.“ Alfred Vollmer

Die elektrische Maschine ist beim GTC II mit einem Riemen zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe angebunden. Zwei Kupplungen in Antriebsrichtung vor und hinter dem Riementrieb erlauben es, den Verbrennungsmotor vollständig abzukoppeln und die elektrische Maschine komplett unabhängig vom Verbrennungsmotor zu nutzen. So ist beim GTC II ein aktives elektrisches Segeln, also eine elektrische Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit bei niedriger Teillast, ebenso möglich wie ein elektrisches Anfahren mit einem Drehmoment von über 130 Nm, etwa im Stau. Bei Bedarf läuft  der Verbrennungsmotor dann innerhalb von weniger als 600 ms wieder an.   Bei geringer Last hält der Elektromotor (mechanische Spitzenleistung 11,7 kW) im GTC II bis etwa 45 km/h rein elektrisch die Geschwindigkeit. Im Test der Redaktion schaffte das mit zwei Personen besetzte Fahrzeug sogar eine Bergfahrt bei 2 bis 3 % Steigung mit 30 km/h. Die elektrische Asynchronmaschine stammt aus der Serienproduktion von Continental (wie beim neuen Renault Scenic) und hat einen Wirkungsgrad von etwa 80 % bei einer Spitzenleistung im Generatorbetrieb von 14,7 kW.

Zwei Kupplungen

Die im Handschuhfach verbaute Messtechnik von Ipetronik liefert dem Entwicklungsteam die entsprechenden Daten. Alfred Vollmer

Weil durch das bedarfsweise Abkuppeln des Verbrennungsmotors über die zweite Kupplung das Schleppmoment des Motors wegfällt, ist das System im GTC II in der Lage, in Verzögerungsphasen mehr kinetische Energie für die Rekuperation nutzen, und weil die Zylinder eines Verbrennungsmotors bei Drehzahl Null keine Luft durch den Abgasstrang pumpen, fällt die Abkühlung des Verbrennungsmotors sowie der Abgasnachbehandlung durch die Vermeidung des verbrennungsmotorischen Schubbetriebes geringer aus. Diesen Effekt unterstützt das bereits im GTC I genutzte Thermomanagement. Für den relativ hohen Anteil von Motor-Aus-Phasen im Fahrzyklus eines Hybrids ist das ein großer Vorteil. Der elektrisch heizbare 48 V-Katalysator Emicat von Continental sorgt dafür, dass die Umwandlung von Rohemissionen im Katalysator auch nach langen Motor-Aus-Phasen sofort wieder einsetzt. Emicat soll im Realbetrieb trotz der Heizung des Katalysators in punkto Energieverbrauch sogar einen Nettogewinn bringen. Diese Strategie trägt wesentlich dazu bei, dass das GTC II die strengen Emissionsgrenzwerte der Abgasnorm Euro 6 c (2017/2018) erfüllt.

Höherer thermodynamischer Wirkungsgrad

Da ein Hybridfahrzeug zwei Energieformen für den Antrieb nutzt, steigerte das Entwicklerteam auch die thermodynamische Effizienz des Verbrennungsmotors im GTC II gezielt weiter. Ein höheres Verdichtungsverhältnis und ein Ladungswechsel mit spätem Einlassventilschließen (Atkinson-Zyklus) senken hier den spezifischen Kraftstoffverbrauch. Gleichzeitig sorgt ein speziell an den Motor angepasster Turbolader von Continental mit radial-axialer Turbinentechnik für ein besonders schnelles Ansprechverhalten gerade im unteren Drehzahlbereich. Im Zusammenspiel mit der elektrischen Drehmomentunterstützung vergrößert das die Freiheiten bei der Definition der Betriebsstrategie und sorgt für mehr Fahrbarkeit, was wiederum der Akzeptanz zugutekommt.

Die Lithium-Ionen-Batterie beansprucht im GTC II weniger als ein Drittel des Raumbedarfs eines Reserverads. Alfred Vollmer

Anders Bremsen

Um Rekuperieren zu können, haben die Ingenieure das gesamte Bremssystem des Ford Focus verändert. Die Bremskraftverstärkung kommt zum Beispiel ausschließlich von einer rein elektrisch betriebenen Vakuumpumpe, was in Anbetracht des Motor-Aus-Fahren auch unbedingt notwendig ist. Das Bremspedal hat durch die Modifikationen etwa 1,5 cm mehr Pedal-Leerweg bis die hydraulische Bremse einsetzt  – und exakt diesen Bereich nutzt das System. Über einen Winkelsensor erkennt es die Bremsanforderung und bremst rein elektrisch: Die Bremsenergie fließt direkt über die 48-V-Schiene in die etwa 0,5 kWh große Lithium-Ionen-Batterie. Dabei kommt das System ganz ohne Superkondensatoren zur Zwischenpufferung aus. Durch Anpassung der Rekuperationsleistung sorgt die Elektronik für ein schonendes Laden der Batterie, deren Ladezustand (SoC) sie stets zwischen 35 und 80 % hält.

Im Rahmen der Redaktions-Testfahrt war das Fahrgefühl zunächst für eine kraftstoff-sparende Fahrweise sehr ungewöhnlich, denn das Fahrzeug ist so ausgerichtet, dass es bei einem nicht spezifisch auf Spritsparen optimierten Fahrstil das meiste herausholt, also im normalen Alltagsbetrieb mit zügiger Beschleunigung und bei einer Fahrweise, die auch Spaß machen kann. Weil das GTC II beispielsweise beim Bergabfahren ohne Schubanforderung in den Segelbetrieb geht, ist definitionsgemäß auch die Motorbremse zunächst nicht aktiviert. Durch Betätigen des Bremspedals setzt allerdings die Rekuperation ein und der Elektromotor bremst, bei stärkerem Durchdrücken der Bremse zusätzlich auch die hydraulische Bremse. Diesen Unterschied hat ein Fahrer aber sehr schnell gelernt.

Fokus und Potenzial

Christopher Breitsameter, Leiter Business Development & Strategy in der Division Powertrain bei Continental, betonte, dass beim GTC II die Total Cost of Ownership ein wesentlicher Aspekt war. Es ging darum, bewusst ein relativ preiswertes System für das Massensegment zu entwickeln. Dabei birgt GTC II nach seinen Angaben noch weiteres Potenzial: „Wir gehen davon aus, dass wir  beim GTC II die Stickoxide nochmal um 10 % senken können.“ Die IAA 2017 wird somit interessant, und die folgende Aussage von Prof. Gutzmer bekommt damit zusätzliches Gewicht: „Wir glauben fest daran, dass sich 48 V im Massensegment durchsetzen wird.“

(av)