Hybrid Strukturvarianten I
Zu differenzieren sind zwei Grundstrukturen für Hybridantriebe mit unterschiedlichen Potentialen und Problemen: parallele und serielle Konzepte. Zudem ergeben sich auch Mischformen aus beiden Grundstrukturen.
Beim parallelen Hybrid sind Verbrennungsmotor und Elektromotor mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt. Solche Konzepte beinhalten neben den beiden Antriebsmotoren und Speichern ein oder auch mehrere Getriebe, Kupplungen oder Freiläufe. Die beiden Antriebssysteme können sowohl jeweils einzeln als auch gleichzeitig zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Aufgrund der Leistungsaddition können beide Motoren relativ klein ausgelegt werden, ohne dass Einbußen beim Beschleunigen oder an Steigungen vorhanden sind. Üblicherweise wird so der elektrische Antriebszweig für den Stadtverkehr ausgelegt (begrenzter, emissionsfreier Fahrbetrieb), während der leistungsstärkere Verbrennungsmotor für Überlandverkehr und auf Autobahnen genutzt wird.
Die abgegebenen Leistungen von Elektro- und Verbrennungsmotor können mechanisch mittels Drehzahladdition (mit einem Planetengetriebe), Momentenaddition (mit Stirnradgetriebe oder Kette) oder Zugkraftaddition (Elektromotor und Verbrennungsmotor wirken auf unterschiedliche Antriebsachsen) überlagert werden. Bei der Momentenaddition lässt sich das Verhältnis der Drehmomente der beiden Energiewandler frei variieren, während die Drehzahlen in starrem Verhältnis zueinander stehen. Eine Entkopplung der beiden Antriebssysteme kann über einen Freilauf oder eine Kupplung realisiert werden. Bei der Drehzahladdition werden die Leistungen der Energiewandler mittels eines Planetengetriebes zusammengeführt, wobei das Momentenverhältnis starr durch die Übersetzung des Getriebes vorgegeben ist. Die Drehzahlen der Antriebssysteme könne frei gewählt werden. Bei einem Hybrid mit Zugkraftaddition handelt es sich im physikalischen Sinne ebenfalls um eine Momentenaddition, wobei die beiden Energiewandler auf unterschiedliche Achsen des Fahrzeugs wirken (z.B. elektrischer Antrieb auf Vorderachse, Verbrennungsmotor auf Hinterachse)
Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung paralleler Hybride besteht in der Anordnung der Energiewandler. Wirken beide Antriebssysteme (Elektromotor und Verbrennungsmotor) auf die Getriebeeingangswelle, so spricht man von einem Einwellenhybrid. Dagegen spricht man von einem Zweiwellenhybrid, wenn Verbrennungs- und Elektromotor auf unterschiedlichen Getriebewellen (Getriebe- Ein- bzw. -Ausgangswelle) angeordnet sind.
Kennzeichen serieller Hybridantriebe ist die "Reihenschaltung" der Energiewandler ohne mechanische Anbindung des Verbrennungsmotors an die Antriebsräder. Der Verbrennungsmotor treibt hierbei einen Generator an, der seinerseits den elektrischen Fahrantrieb sowie einen im elektrischen Zwischenkreis angeordneten Speicher (in der Regel Batterie) mit Energie versorgt. Es existieren sowohl Varianten mit einem Fahrmotor und Differential als auch Konzepte mit zwei Fahrmotoren pro Achse unter Wegfall des Differentials bis hin zu Radnabenmotoren. Die Dimensionierung der Generatoreinheit und des Speichers richtet sich nach der Betriebs- und Ladestrategie, einer eventuell gewünschten Netzunabhängigkeit (hohe Ladeleistung erforderlich), der Reichweite und den Fahrleistungen. Der höhere Bauaufwand durch den zusätzlichen Generator wird weitgehend durch den Wegfall des Schaltgetriebes kompensiert.
Die nicht vorhandene mechanische Anbindung des Verbrennungsmotors an die Antriebsräder ermöglicht eine hohe Flexibilität bei der Anordnung der Komponenten. Im Vergleich zum Elektrofahrzeug kann die Batterie kleiner dimensioniert werden und die Verfügbarkeit des Fahrzeugs durch die Nachladung on-board oder reinen Generatorbetrieb erhöht werden. Für die Dimensionierung des elektrischen Fahrantriebes ist zu beachten, dass dieser die gesamte Leistung bereitstellen muss, die für die gewünschte Beschleunigung oder Steigfähigkeit benötigt wird. Dieser Zusammenhang begründet auch die Tatsache, dass in den 70er und 80er Jahren vornehmlich parallel Hybridantriebe realisiert wurden, da keine Elektromotoren mit entsprechen hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad verfügbar waren.
Nachteilig bei seriellen Hybridantrieben ist die doppelte Energiewandlung mechanisch, elektrisch und umgekehrt, eventuell noch verbunden mit einer Speicherung, und die damit entsprechend ungünstige "lange" Wirkungsgradkette. Häufig ergibt sich aus der begrenzten Leistungsfähigkeit der Batterie der Zwang, den Verbrennungsmotor zumindest teilweise transient zu betreiben, um Leistungsspitzen bei Steigungsfahrt oder Beschleunigungen abzudecken. Dies kann den Emissions- und Verbrauchsvorteil einschränken und eine Anpassung des Motors an den stationären Betrieb verhindern.
Hybrid Strukturvarianten 2