Energiebilanz: 48 V-Mild-Hybrid-Fahrzeuge mit e-charger

Fahrzeuge mit 48 Volt-Mild-Hybridisierung können im Vergleich mit konventionellen Fahrzeugen mehr als 12 Prozent Kraftstoff sparen. Dieser Vorteil wird durch die Einführung von Voll-Hybrid-Funktionen wie erhöhtes regeneratives Bremsen, Unterstützung des Verbrennungsmotors durch Lastverlagerung und das Hinzufügen zusätzlicher Funktionen wie Segeln und erweiterte Start-Stopp-Automatik erzielt.
Die 48 Volt-Technologie bietet zusätzliche Energie für Komfortsysteme, wie Klimaanlage und aktive Federung. Darüber hinaus können mit einem 48 Volt-System für Otto- und Diesel-Verbrennungsmotoren elektrische Turbolader eingeführt werden, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und zukünftige Emissionsvorschriften zu erfüllen.

System-Layouts und Funktionen

Im Verlauf der Studie hat FEV ein repräsentatives C-Segment-Fahrzeug mit einem 1,4 Liter-Benzinmotor, 7-Gang-Doppelkupplungsgetriebe und einem konventionellen 12 Volt-Bordnetz als Referenzfahrzeug verwendet. Die 12 Volt-Bordnetz-Topologie verfügt über eine intelligent geregelte Lichtmaschine, einen konventionellen Zahnrad-Starter und eine 12 Volt-AGM-Bleibatterie. Die für die Studie untersuchte 48 Volt-Topologien verwenden einen 1,2 Liter-Downsizing-Verbrennungsmotor mit demselben Doppelkupplungsgetriebe und bestehen aus einem Riemenstartergenerator (RSG, mit integrierter Leistungselektronik), der die Lichtmaschine ersetzt, einer 48 Volt-Lithium-Ionen-Batterie und einem Gleichspannungswandler der Anschluss und Versorgung des 12 Volt-Bordnetzes gewährleistet.
Es wurden verschiedene 48 Volt-Topologien mit verschiedenen Funktionen in Betracht gezogen. Diese Studie analysiert, ausgehend von einer Referenz mit konventionellem Bordnetz und Start-Stopp bei 0 km/h, die Auswirkungen der Erweiterung eines Start-Stopp-Systems bis hin zu Segeln bei abgeschaltetem Motor sowie die verschiedenen Boost-Strategien und ihren entsprechenden Energiebedarf.

Potenziale zur CO₂-Reduktion

48 Volt-Mild-Hybridisierung wird gerade mit Blick auf reduzierte CO₂-Emissionen von Flotten eine Mainstream-Technologie werden. Die wichtigsten Vorteile umfassen auch verbesserten Komfort und verbessertes Fahrverhalten mit (gegenüber HV-Fahrzeugen) vergleichbar geringen Kosten und einfacher Entwicklung. Im Rahmen der Studie konzentrierte FEV sich auf die CO₂-Reduktionspotenziale verschiedener Technologiepakete, die durch die 48 Volt-Mild-Hybridisierung ermöglicht wird. Verglichen mit der konventionellen 12 Volt-Start-Stopp-Technologie bieten Energierekuperation, Motor-Downsizing und -Downspeeding sowie elektrisches Boosting und Aufladen ein kombiniertes CO₂-Reduktionspotenzial von 7 bis 13 gCO₂/km. Der elektrische Turbolader unterstützt das kombinierte Downsizing und Downspeeding, indem er ein erhöhtes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich liefert und somit das Turboloch vermeidet beziehungsweise überbrückt. Eine erweitere Segelstrategie bietet – je nach Fahrzyklus und Fahrerverhalten – zusätzliche Einsparungen von 4 bis 6 gCO₂/km.

Bordnetz-Verbrauch unter realen Fahrbedingungen

Das Ergebnis der Studie von FEV zeigt, dass der Energieverbrauch des Bordnetzes in den gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzyklen allein mit regenerativem Bremsen abgedeckt werden kann. Allerdings ist die Identifizierung von Bordnetz-Verbrauch unter realen Fahrbedingungen aufgrund einer Vielzahl von Anwendungen, Fahrzeugvarianten und dem Einfluss des Fahrerverhaltens äußerst komplex. Auf Basis eines systematischen Ansatzes hat FEV eine umfassende Datenbank mit allen Bordnetz-Messwerten für verschiedene Fahrzyklen, einschließlich realen Fahrbedingungen, eingerichtet. Aufgrund des Fehlens von Komfortverbrauchern, Querdynamik usw. ist der Bordnetz-Verbrauch in NEFZ und WLTP weitaus geringer als unter realen Fahrbedingungen (-32 Prozent).

Während des FEV-Zyklus unter realen Fahrbedingungen wurde der Bordnetz-Verbrauch gemäß sich verändernden Belastungen variiert. Im Hochlast-Szenario wurden alle manuell kontrollierbaren Energieverbraucher auf maximale Leistung gestellt. Im Normallast-Szenario wurden nur Abblendlicht, Infotainment, Radio und automatische Klimaanlage aktiviert. Der durchschnittliche Stromverbrauch liegt – abhängig von Umweltbedingungen und Benutzerprofil – zwischen 0,5 und 1,2 kW. Allerdings kann der Spitzenverbrauch doppelt bis dreifach so hoch liegen.

Bei minimaler Bordnetz-Last erhöhen sich die Kraftstoffeinsparungen leicht von 6 Prozent auf 7 Prozent. Diese Verbesserung wird von zwei Aspekten beeinflusst: Einerseits ist die Start-Stopp-Funktion des konventionellen Fahrzeugs aufgrund der geringeren Energierückgewinnung und SOC-Beschränkungen der Bleibatterie eingeschränkt. Andererseits kann das Fahrzeug mit elektrischem Turbolader, das den RSG nutzt, von intelligenter Lastpunktverschiebung profitieren.

Hochlast-Szenarien hingegen führen zu geringeren Hybridisierungsvorteilen, da zusätzlicher Strom aktiv mit Kraftstoff erzeugt werden muss. Gleichzeitig werden dabei 48 Volt-Funktionen wie RSG-Boost eingeschränkt, da die Energie nicht durch Rekuperation gewonnen, sondern mit Kraftstoff erzeugt wird und dabei die Effizienz von Motor und RSG eine Rolle spielt. Die Energiemenge, die durch regeneratives Bremsen gewonnen werden kann, ist aufgrund der Leerlaufeffekte in Stopp-Phasen ebenfalls eingeschränkt. Daher kann nicht das volle Potenzial des regenerativen Bremsens genutzt werden.