Entwicklung von Motorrädern mit Hybridantrieb

Die bevorstehenden, zunehmend strengeren Treibhausgas- und Emissionsgrenzwerte erfordern sukzessive die Elektrifizierung des Antriebsstrangs in zahlreichen Fahrzeuganwendungsbereichen. Bei Zweirädern, Motorrädern und Geländewagen (ATV) sind die Hauptgründe für die Elektrifizierung Nachhaltigkeit, CO₂-Neutralität und die sozialen Auswirkungen der Minimierung von Emissionen und Lärm. Für Zweiräder gelten ganz andere Beschränkungen als für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge, z. B. enge Packaging- und Gewichtsziele, begrenzte Ladeinfrastruktur in dicht besiedelten städtischen Gebieten, kleine, teilweise herausnehmbare Batterien für das Aufladen zu Hause sowie anspruchsvolle Kostenziele.

Batterieelektrische Zweiräder sind die ideale Wahl für den innerstädtischen Bereich mit begrenzten Reichweitenanforderungen, während die Hybridisierung beträchtliche Vorteile für größere Reichweiten bietet.

Neben der Verbesserung der Effizienz ermöglichen geräuschlose und emissionsfreie Modi das vollelektrische Fahren. Zusätzlich können durch die kombinierte Aufladestrategien „Boosting“ die Perfomance und das Ansprechverhalten verbessert werden.

Generell unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten von Hybridantrieben bei Zweirädern:

• Motorräder mit in den Rahmen integriertem Verbrennungsmotor (ICE) und Getriebeeinheiten, gekoppelt mit Sekundärantrieb über Kette oder Riemen;
• Motorroller mit integriertem Einarmschwingenantrieb, die einen Verbrennungsmotor mit stufenlosem Getriebe (CVT) aufweisen.

Ein vielversprechendes Konzept für einen Hybrid-Antriebsstrang von Motorrollern ermöglicht eine Verbesserung des Wirkungsgrads in Verbindung mit zusätzlichen Vorteilen des Elektroantriebs: die Verwendung eines leistungsverzweigten, stufenlosen Getriebes (e-CVT) mit einem Planetengetriebe. In diesem Hybridkonzept steuert das Planetengetriebe nahtlos die Modulation des Übersetzungsverhältnisses im Zusammenspiel mit den Betriebsmodi des E-Motors. Wir haben eine Hybridstrategie entwickelt, die den Leistungsbedarf und den Ladezustand der Batterie (SOC) parallel zur Implementierung aller Fahrmodi berücksichtigt.

Hybride Betriebsstrategien können aufgrund ihrer Funktionalität in drei Hauptkategorien eingeteilt werden: optimierungsbasiert, regelbasiert, heuristisch und lernbasiert.

Bei optimierungsbasierten Betriebsstrategien werden kontinuierliche Optimierungen oder Berechnungen zur Minimierung des Energieverbrauchs durchgeführt, die zur Bestimmung der Betriebsarten und Parameter verwendet werden. Diese Art des Energiemanagements lässt sich je nach Methode weiter in numerische, analytische und unmittelbare Minimierungen unterteilen. Sie unterscheiden sich von regelbasierten Strategien vor allem durch ihren erhöhten Rechenaufwand.

Es sind verschiedene Ausprägungen von regelbasierten/heuristischen Betriebsstrategien bekannt, die sich in ihrer Komplexität und Interpretation der Regeln unterscheiden. Bei regelbasierten Betriebsstrategien wird die Wahl des optimalen Betriebsmodus für die aktuellen Fahrbedingungen nach definierten Regeln und Prinzipien getroffen. Fortschrittliche Hybridkonzepte ab P2 bieten die Möglichkeit des vollelektrischen Fahrens mit der Option, den Verbrennungsmotor abzukoppeln und einen emissionsfreien, geräuscharmen Betrieb in städtischen Gebieten zu ermöglichen, und so die sich entwickelnden gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Leistungsverzweigte Hybridlösungen bieten eine deutlich höhere Effizienz und erleichtern die Lastpunktverschiebung, das Aufladen der Batterie und die Energierückgewinnung, um die Leistungsanforderungen im Stadt- und Landbetrieb anzupassen.

Bei stufenlosen Getrieben kann das Übersetzungsverhältnis beliebig variiert werden, sodass es innerhalb bestimmter Systemgrenzen alle Werte annehmen kann. Der Leistungsfluss muss nicht durch einen Schaltvorgang unterbrochen werden, wie dies bei konventionellen Getrieben mit festen Übersetzungsverhältnissen der Fall ist. CVT-Getriebe lassen sich aufgrund ihrer Bauweise in drei Hauptkategorien einteilen: mechanische, hydraulische und elektromechanische CVT-Getriebe. Bei herkömmlichen Anwendungen im Kleinmotorrad- oder Rollersektor werden mechanische stufenlose Getriebe mit Schubriemen oder Kunststoffkeilriemen verwendet.

Ein vielversprechendes Konzept für den Antriebsstrang von Hybrid-Rollern ermöglicht es, Effizienzsteigerungen mit den zusätzlichen Vorteilen des elektrischen Fahrens zu kombinieren - unter Verwendung eines leistungsverzweigten, stufenlosen Getriebes (e-CVT) mit einem Planetengetriebe.

Der e-CVT-Roller kann als Kategorie P4 eingestuft werden, also als Nabenmotorantrieb. Außerdem gilt er als leistungsverzweigter Hybrid, da die Aufteilung der Systemleistung in mechanische und elektrische Pfade durch das Planetengetriebe realisiert wird. Bei diesem Hybrid-Rollerkonzept entfällt das herkömmliche CVT-Getriebe und das Planetengetriebe steuert nahtlos die Modulation des Übersetzungsverhältnisses im Zusammenspiel mit den Betriebsmodi des E-Motors. Mit dem e-CVT kann im Hybridmodus die stufenlose Anpassung des Übersetzungsverhältnisses durch die Steuerung der Drehzahl des Elektromotors erreicht werden, wobei das Planetengetriebesystem nicht blockiert (d. h. frei beweglich) ist.

Ein vielversprechendes Hybrid-Antriebsstrangkonzept für Motorroller ermöglicht es, Effizienzverbesserungen im Bereich von 20 % im World Motorcycle Test Cycle (WMTC) mit den zusätzlichen Vorteilen des elektrischen Fahrens zu kombinieren - unter Verwendung eines leistungsverzweigten stufenlosen Elektrogetriebes (e-CVT) mit einem Planetengetriebe. Bei diesem Hybridkonzept steuert das Planetengetriebe nahtlos die Modulation der Getriebeübersetzung im Zusammenspiel mit den Betriebsmodi des E-Motors. Eine Hybridstrategie, die den Leistungsbedarf und den Ladezustand der Batterie berücksichtigt, wurde gleichzeitig mit der Implementierung aller Fahrmodi entwickelt.