Einfach Technik: Plug-in Hybrid

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Keine Kompromisse: Mit der Plug-in Hybrid Technologie

Elektroautos sind für viele von uns immer noch eins: nicht mit den Bedürfnissen unseres Alltags vereinbar. Reichweiten-Angst, eine mangelhafte Ladeinfrastruktur und die damit verbundene Einschränkung unserer Mobilität sprechen oftmals gegen den elektrischen Antrieb. Beim Auto machen wir eben keine Kompromisse. Doch eigentlich müssten wir das gar nicht: denn Plug-in Hybride können beides.

Voll elektrisch in die Stadt, zum Sport, in die Kita oder zum Supermarkt flitzen. Und mit einem leistungsstarken Verbrennungsmotor in den Urlaub oder für einen spontanen Wochenendausflug in die Berge fahren. Ein Plug-in Hybrid erfüllt problemlos beide Anforderungen. Wie die Technologie bei unseren Kompaktwagen im Detail funktioniert und warum Plug-in Hybride ein Fahrzeug insgesamt effizienter machen, hat uns Jochen Eck erklärt. Er leitet bei Mercedes-Benz Cars den Gesamtfahrzeugversuch der Kompaktwagen und ist in dieser Funktion auch für die A- und B-Klasse sowie für CLA und GLA mit EQ Power verantwortlich. Sein Team testet das Fahrverhalten der Prototypen und stellt sicher, dass alle Komponenten (zum Beispiel der Elektromotor) und Applikationen (etwa das Zusammenspiel aus Verbrennungs- und Elektromotor) der Fahrzeuge einwandfrei funktionieren – bei eisiger Kälte in Schweden ebenso wie in der sengenden Hitze Nevadas.

Wie funktioniert die Plug-in Hybrid Technologie der Mercedes-Benz Kompaktwagen?

Im Gegensatz zu einem konventionellen Verbrenner werden Plug-in Hybrid Fahrzeuge zusätzlich von einem Elektromotor angetrieben, der seine Energie aus einer Lithium-Ionen Batterie bezieht. Diese kann sowohl vom Verbrennungsmotor als auch an einer Ladesäule aufgeladen werden. Daher stammt die Bezeichnung Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), die die „Steckdosenhybride“ von den Vollhybriden abgrenzt, deren Batterie wiederum ausschließlich durch den Verbrennungsmotor und die Rekuperation aufgeladen werden kann.

Die Plug-in-Hybridmodelle der Kompaktwagenfamilie: A-Klasse, A-Klasse Limousine, B-Klasse… (A 250 e, A 250 e Sedan, B 250 e: Kraftstoffverbrauch gewichtet: 1,6-1,4 l/100 km; CO₂-Emissionen gewichtet: 36-33 g/km; Stromverbrauch gewichtet: 15,4-14,8 kWh/100 km)¹
Die Plug-in-Hybridmodelle der Kompaktwagenfamilie: A-Klasse, A-Klasse Limousine, B-Klasse… (A 250 e, A 250 e Sedan, B 250 e: Kraftstoffverbrauch gewichtet: 1,6-1,4 l/100 km; CO₂-Emissionen gewichtet: 36-33 g/km; Stromverbrauch gewichtet: 15,4-14,8 kWh/100 km)¹
… GLA, CLA und CLA Shooting Brake mit EQ Power. (GLA 250 e: Kraftstoffverbrauch gewichtet: 1,8 l/100 km; CO₂ Emissionen kombiniert: 42 g/km; Stromverbrauch gewichtet: 16,1 kWh/100 km)² (CLA 250 e Coupé, CLA 250 e Shooting Brake: Kraftstoffverbrauch gewichtet: 1,6-1,5 l/100 km; Stromverbrauch gewichtet: 15,5-15,2 kWh/100 km; CO₂-Emissionen gewichtet: 37-35 g/km)¹
… GLA, CLA und CLA Shooting Brake mit EQ Power. (GLA 250 e: Kraftstoffverbrauch gewichtet: 1,8 l/100 km; CO₂ Emissionen kombiniert: 42 g/km; Stromverbrauch gewichtet: 16,1 kWh/100 km)² (CLA 250 e Coupé, CLA 250 e Shooting Brake: Kraftstoffverbrauch gewichtet: 1,6-1,5 l/100 km; Stromverbrauch gewichtet: 15,5-15,2 kWh/100 km; CO₂-Emissionen gewichtet: 37-35 g/km)¹
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„Die Mercedes-Benz Kompaktfahrzeuge sind mit der Technik der dritten Plug-in-Generation ausgestattet.“, erklärt Jochen Eck. „Diese zeichnet sich vor allem durch den 75 kW starken Elektromotor aus, der echt Spaß macht. Und die Batterie, die mit bis zu 79 Kilometern (NEFZ) genügend Reichweite bietet, um die alltäglichen Bedarfe elektrisch zurücklegen zu können.“ Gleichzeitig ist im Auto aber nicht erheblich weniger Stauraum: der Auspuff endet nicht am Heck, sondern zentral unter dem Fahrzeugboden. Der Kraftstofftank ist in die Hinterachse integriert und macht unter den Rücksitzen Platz für die Batterie. Dadurch fällt nur das Kofferraumvolumen etwas geringer aus als bei den nicht-hybriden Kompaktwagenmodellen. Laut Jochen Eck ein „Mini-Kompromiss, wenn man bedenkt, wie viele zusätzliche Komponenten wir in den Plug-in Hybriden untergebracht haben.“

Jochen Eck erklärt die Technik des Hybrid-Antriebs der dritten Generation.
Jochen Eck erklärt die Technik des Hybrid-Antriebs der dritten Generation.
Kaum Einschränkungen beim Kofferraumvolumen: Die Batterie ist unter den Rücksitzen verbaut, der Auspuff endet zentral unter dem Fahrzeugboden.
Kaum Einschränkungen beim Kofferraumvolumen: Die Batterie ist unter den Rücksitzen verbaut, der Auspuff endet zentral unter dem Fahrzeugboden.
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Der Elektromotor

Bei den Kompaktwagen sind die Motoren nicht längs, sondern quer verbaut. Die Plug-in Hybriden verfügen über einen 1,33 Liter großen Vierzylindermotor mit 8G-DCT Doppelkupplungsgetriebe. Der elektrische Motor befindet sich zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe. Er leistet 75 kW, was zusammen mit dem Vierzylindermotor eine Systemleistung von 160 kW (218 PS) ergibt. Die Kompakt-Hybriden besitzen keinen separaten 12-Volt-Starter („Anlasser“), das heißt der Zustart des Verbrennungsmotors erfolgt ausschließlich durch den Elektromotor.

Der Elektromotor: …
Der Elektromotor: …
… nur ein kleines Stück Metall zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe.
… nur ein kleines Stück Metall zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe.
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Batterie & Ladegeräte

Die Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie ist wassergekühlt und wiegt ca. 150 kg. Sie hat eine Gesamtkapazität von ca. 15,6 kWh und kann an einer externen elektrischen Energiequelle (Ladesäule, Wallbox oder Steckdose) mit Wechsel- oder Gleichstrom geladen werden. Bei Gleichstromladen (DC, direct-current) beträgt die Ladezeit etwa 25 Minuten von 10 auf 80 Prozent SoC (Status of Charge bezeichnet den Ladezustand in Relation zur Batteriekapazität). Mit Wechselstrom (AC, alternating-current) ist die Batterie an einer 7,4-kW-Wallbox innerhalb von 1 Stunde und 45 Minuten von 10 auf 100 Prozent SoC geladen. Strom tanken ist somit leicht in den Alltag zu integrieren – vorausgesetzt der Supermarkt des Vertrauens, das Parkhaus in der Stadt oder der Mitarbeiterparkplatz verfügt über (ausreichend) Ladesäulen. Zuhause kann die Batterie an einer üblichen Haushaltssteckdose innerhalb von ca. 5 Stunden vollständig geladen werden.

Die Energie der Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie …
Die Energie der Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie …
… versorgt den Elektromotor mit Strom für den Vortrieb.
… versorgt den Elektromotor mit Strom für den Vortrieb.
Sie kann an einer Ladesäule, Wallbox oder Steckdose mit Wechsel- (AC) oder Gleichstrom (DC) aufgeladen werden.
Sie kann an einer Ladesäule, Wallbox oder Steckdose mit Wechsel- (AC) oder Gleichstrom (DC) aufgeladen werden.
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Doch wie gelangt der Strom von der Energiequelle zur Batterie? Hier kommen die Ladegeräte ins Spiel: der im Fahrzeug verbaute 7,4-kW AC-Lader wandelt den aufgenommenen Wechselstrom (AC) aus Steckdose, Wallbox oder AC-Ladesäule grundsätzlich in Gleichstrom (DC) um und lädt die Batterie mit einer Ladeleistung von bis zu 7,4 kW. Fun-Tech-Fact zum Vergleich: die Ladeleistung eines herkömmlichen Smartphone Ladegeräts beträgt ca. 18 Watt. Die Ladeleistung eines 7,4-kW AC-Laders entspricht also der von ungefähr 411 Smartphone Ladegeräten.

Wenn es schnell gehen muss, bietet der DC-Lader die Möglichkeit, die Batterie mit dem leistungsstärkeren Gleichstrom (DC) zu laden. Dabei fließt der Gleichstrom von einer DC-Schnellladestation direkt in die Batterie, der DC-Lader kommuniziert lediglich mit der Ladesäule und passt den Gleichstrom an eine Ladeleistung von bis zu 24 kW an.

Die Ladegeräte transportieren den Strom von der Energiequelle zur Batterie: Der AC-Lader (links) wandelt den Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). Der DC-Lader (rechts) passt den Gleichstrom aus der Ladesäule nur noch an die Ladeleistung an.
Die Ladegeräte transportieren den Strom von der Energiequelle zur Batterie: Der AC-Lader (links) wandelt den Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). Der DC-Lader (rechts) passt den Gleichstrom aus der Ladesäule nur noch an die Ladeleistung an.

Leistungselektronik & DC-DC-Wandler

Die Schaltzentrale zwischen Elektromotor und Batterie ist die sogenannte Leistungselektronik mit integriertem DC-DC-Wandler, auch Gleichspannungswandler genannt. Die Aufgabe von Leistungselektronik und DC-DC-Wandler besteht darin, die nun in der Batterie gespeicherte Energie für zwei unterschiedliche elektrische Kreise zur Verfügung zu stellen: zum einen für das 12-Volt Bordnetz, das Verbraucher wie MBUX, die elektrische Vorklimatisierung oder Scheinwerfer bedient. Und zum anderen für den Hochvolt-Kreis, der einerseits den Elektromotor mit Strom versorgt und auf diese Weise den Vortrieb erzeugt. Und andererseits die Bremsenergie in elektrische Energie umwandelt und damit die Batterie lädt. Je nach Einsatzzweck, wandeln Leistungselektronik und DC-DC-Wandler die Gleichspannung in ein höheres (400V) oder niedrigeres (12V) Spannungsniveau um.

Die Leistungselektronik mit integriertem DC-DC-Wandler stellt die gespeicherte Energie aus der Batterie zur Verfügung: je nach Einsatzzweck in 400V für den Elektromotor oder in 12V für das Bordnetz
Die Leistungselektronik mit integriertem DC-DC-Wandler stellt die gespeicherte Energie aus der Batterie zur Verfügung: je nach Einsatzzweck in 400V für den Elektromotor oder in 12V für das Bordnetz

Effizient Stromern

„Unsere Kompakten mit EQ Power sind insgesamt sehr effizient“, meint Jochen Eck. „Aber nicht nur aufgrund der Leistung von Elektromotor und Batterie, sondern auch weil wir beide Komponenten für die Rekuperation nutzen.“ Unter Rekuperation versteht man die Bremsenergie-Rückgewinnung, mit der die Batterie im Fahrbetrieb geladen werden kann. Insgesamt stehen bei den Plug-in Hybriden 5 Fahrprogramme zur Verfügung: in Comfort wird die Fahrdynamik durch einen kombinierten Antrieb betont, in ECO das elektrische Fahren priorisiert und in Sport die Fahrt mit dem Verbrennungsmotor bevorzugt. Möchte man auf der Langstrecke elektrische Reichweite aufsparen, weil man beispielsweise am Zielort elektrisch durch die Stadt fahren möchte, kann der Ladezustand der Batterie im Fahrprogramm Battery Level konstant gehalten werden, indem nur der Verbrenner genutzt wird.

In den Plug-in Hybriden kann zwischen fünf Fahrprogrammen ausgewählt werden: ECO, Sport, Comfort, Electric und Battery Level.
In den Plug-in Hybriden kann zwischen fünf Fahrprogrammen ausgewählt werden: ECO, Sport, Comfort, Electric und Battery Level.

Maximal effizient Stromern kann man in dem Fahrprogramm Electric: hier fährt man ausschließlich elektrisch, der Verbrennungsmotor wird nur dann zugeschaltet, wenn der Fahrer bspw. einen Kickdown macht. Außerdem kann die Stärke der Rekuperation mit den Schaltpaddles am Lenkrad individuell aus fünf verschiedenen Rekuperationsstufen gewählt werden: DAUTO, D+, D, D- und D--. Jochen Eck empfiehlt: „Besonders für alltägliche Fahrten ist DAUTO sehr komfortabel, da der Fahrer die Rekuperation vollständig dem Fahrzeug überlassen kann. Das Fahrzeug entscheidet automatisch, ob und, wenn ja, in welcher Stufe rekuperiert wird. Abhängig von den vorausfahrenden Fahrzeugen, die ein Radar stets im Blick behält.“

Im Fahrprogramm Electric empfiehlt Jochen Eck für die Rekuperation DAuto.
Im Fahrprogramm Electric empfiehlt Jochen Eck für die Rekuperation DAuto.
In dieser Rekuperationsstufe rekuperiert das Fahrzeug auf Basis der Verkehrssituation automatisch.
In dieser Rekuperationsstufe rekuperiert das Fahrzeug auf Basis der Verkehrssituation automatisch.
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Die intelligente Betriebsstrategie

Das Denken dem Auto überlassen kann man außerdem dank der intelligenten, streckenbasierten Betriebsstrategie. Diese entscheidet auf Basis von Navigationsdaten, Topografie, Geschwindigkeitsvorschriften und Verkehr, welche Streckenabschnitte auf der geplanten Route elektrisch gefahren werden sollten und welche nicht. Jochen Eck erklärt: „Ziel ins Navi eingeben und losfahren. Das Fahrzeug wählt die effizienteste Betriebsstrategie automatisch: auf der Autobahn kommt der Verbrennungsmotor zum Einsatz, in der Stadt die Batterie. Immer mit dem Ziel, die maximale Effizienz aus dem Fahrzeug herauszuholen.“ Zusätzlich unterstützt MBUX entlang der Route und am Zielort bei der Suche nach Lademöglichkeiten. „Das macht das Fahrerlebnis in einem Plug-in Hybrid noch entspannter.“, meint Jochen Eck.

Egal ob Kurz- oder Langstrecke: die kompakten Plug-in Hybriden sind effizient und intelligent – nicht trotz, sondern gerade wegen des elektrischen Antriebs. Elektromobilität muss also kein Kompromiss sein.

¹ Die angegebenen Werte sind die ermittelten „NEFZ-CO₂-Werte“ i.S.v. Art. 2 Nr. 1 Durchführungsverordnung (EU) 2017/1153. Die Kraftstoffverbrauchswerte wurden auf Basis dieser Werte errechnet. Die Reichweite und der Stromverbrauch wurden auf der Grundlage der VO 692/2008/EG ermittelt. Als Bemessungsgrundlage nach dem EmoG ist ein anderer Wert maßgeblich. Als Bemessungsgrundlage für die Kraftfahrzeugsteuer kann ein höherer Wert maßgeblich sein.*

² Angaben zum Kraftstoffverbrauch, Stromverbrauch, zur Reichweite und zu den CO₂-Emissionen sind vorläufig und wurden vom Technischen Dienst für das Zertifizierungsverfahren nach Maßgabe des WLTP-Prüfverfahrens ermittelt und in NEFZ-Werte korreliert. Eine EG-Typgenehmigung und Konformitätsbescheinigung mit amtlichen Werten liegen noch nicht vor. Abweichungen zwischen den Angaben und den amtlichen Werten sind möglich.*

Einfach Technik / Easy Tech

Für viele von uns sind sie mittlerweile eine automobile Selbstverständlichkeit: Kameras, Sensoren und andere technische Helfer erkennen und bewerten Situationen und machen unsere Fahrt dadurch komfortabler und sicherer. Doch wie spielen die ganzen Sicherheits-, Assistenz- und Komfortsysteme zusammen, wie funktionieren sie genau? In unserer Rubrik Einfach Technik möchten wir gemeinsam mit Experten aus dem Unternehmen solche und ähnliche Fragen klären. Einfach Technik wird von Vivienne Brando betreut, sie freut sich über Anregungen und Vorschläge an magazin_dialog@daimler.com.

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