Hybrid-Auto: Alles was Sie wissen müssen

Klimawandel, immer höhere Emissionen: Der Verkehr ist nach einer Studie des Weltklimarats IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) für 24% aller CO₂-Emissionen weltweit verantwortlich. Mobilität muss deshalb CO₂-neutral werden – und zwar nicht in ferner Zukunft, sondern möglichst schnell. Eine Abkehr von Benzin und Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen ist nötig, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. An ihre Stelle treten zunehmend elektrifizierte Antriebe.

Doch reine Elektroautos können oft noch nicht mit konventionellen Fahrzeugen mithalten: Ihre Reichweite ist geringer, die Kosten für die Batterie treiben den Preis in die Höhe, und auch das Netz an Ladesäulen ist vielerorts noch zu wenig ausgebaut. Eine Lösung bieten Hybrid-Fahrzeuge: Sie kombinieren einen elektrischen Antrieb mit einem Verbrennungsmotor. Damit sind längere Fahrten möglich als in reinen Elektroautos, bei geringerem Benzin- oder Dieselverbrauch als mit einem ausschließlich per Verbrenner angetriebenen Fahrzeug.

So kann es auch gelingen, die immer strengeren Grenzwerte für neue Personenkraftwagen einzuhalten, wie sie etwa die EU vorgibt. Ab 2021 dürfen Neuwagen in Europa im Flottenschnitt nur noch 95g CO₂ pro Kilometer ausstoßen. Und bis 2030 soll dieser Wert noch einmal um 37,5% sinken. Auch viele andere Länder haben strikte Grenzwerte definiert.

Das griechische Wort „hybrid“ bedeutet übersetzt „von zweierlei Herkunft“. Ein Hybrid-Fahrzeug bezieht seine Energie demzufolge aus zwei unterschiedlichen Quellen und verfügt entsprechend über mehrere Motoren: in der Regel einen Elektro- sowie einen Verbrennungsmotor, meist einen Benziner, seltener einen Diesel. Das Ziel eines Hybrid-Antriebs ist es, die Vorteile der beiden Antriebsarten zu verknüpfen und ihre Nachteile auszugleichen:

• Ein Auto mit Benzin- oder Dieselmotor ist dem Elektroantrieb heute vor allem bei der Reichweite überlegen. Der Grund dafür liegt aber nicht am Motor selbst, sondern am Energiespeicher: der Batterie. Je leistungsstärker Batterien werden, desto mehr steigt auch die Reichweite. Ein weiterer Vorteil des Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor: Die Anschaffung ist heute noch günstiger. Dafür verbraucht es aber Kraftstoff, verursacht Abgase und erzeugt Lärm. Ein erheblicher Teil der Kraftstoff-Energie verpufft ungenutzt.
• Ein Auto mit Elektromotor verursacht weder lokale Abgase noch Lärm und nutzt keine fossilen Energieträger. Vorausgesetzt: Der Strom stammt aus erneuerbaren Quellen. Hinzu kommt, dass Elektromotoren schneller und dynamischer beschleunigen. Allerdings haben Elektroautos in der Regel wegen ihrer Batterie eine geringere Reichweite als solche mit Verbrenner. Und sie benötigen eine große und somit sehr teure Batterie.

Mit der Synthese beider Antriebsarten lassen sich zu überschaubaren Mehrkosten in der Anschaffung Kraftstoffverbrauch und Emissionen senken, ein dynamisches Fahrverhalten erzeugen und eine hohe Reichweite erzielen. Dabei unterstützt oder ersetzt der Elektromotor den Verbrennungsmotor - vor allem da, wo dieser ineffizient ist – und dient in bestimmten Situationen als Leistungs-Booster.

Wohl deshalb – und aufgrund diverser staatlicher Förderprogramme – steigen die Verkaufszahlen von Hybrid-Fahrzeugen deutlich an. Wurden 2019 EU-weit noch knapp eine Million neue Hybrid-Fahrzeuge angemeldet, waren es 2020 schon mehr als 1,4 Millionen, so der Daten-Serviceanbieter Jato Dynamic. Das bedeutet eine 47-prozentige Steigerung.

Hybrid-Autos gewinnen ihre Leistung zum einen aus fossilem Kraftstoff, zum anderen aus elektrischer Energie. Dementsprechend befinden sich in einem Hybrid-Auto mindestens zwei Energiespeichersysteme – Kraftstofftank und Batterie – und mindestens zwei Energieumwandler, also die beiden Motoren. Weitere wesentliche Komponenten des Hybridantriebs sind ein elektronisches Steuergerät, das darüber entscheidet, wann welcher Motor zum Einsatz kommt, und ein Inverter, der den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom wandelt und den Elektromotor ansteuert.

Die einzelnen Komponenten des Hybrid-Antriebs

Neben vielen anderen Komponenten spielen vor allem die folgenden Teile in einem Hybrid-Auto eine wichtige Rolle:

• Der elektrische Motor oder E-Motor ist das Herzstück. Er hat zwei Funktionen: Er treibt einerseits das Fahrzeug in bestimmten Fahrsituationen elektrisch an. Als Generator wandelt er die Bewegungsenergie beim Bremsen in elektrische Energie um und speist diese über den Inverter zurück in die Batterie. Dies nennt man Rekuperation.
• Der Verbrennungsmotor ist der konventionelle Antrieb, der seine Energie meist aus Benzin, seltener aus Diesel bezieht. Vor allem bei konstanter Drehzahl am optimalen Arbeitspunkt arbeitet der Verbrennungsmotor besonders effizient.
• Das elektrische Steuergerät verbindet den Elektro- und den Verbrennungsmotor und setzt automatisch den optimalen Antrieb ein, je nachdem, welcher gerade effizienter ist. Die elektronische Steuerung des Kraftflusses sorgt für einen wirtschaftlichen Betrieb des Fahrzeugs.
• Der Inverter verbindet die Batterie mit dem E-Motor. Die Leistungselektronik wandelt die Gleichspannung der Batterie in eine hochfrequente Wechselspannung um, die das elektromagentische Feld für die Krafterzeugung im E-Motor bildet.
• Die Batterie versorgt den E-Motor mit Strom. In einem Hybrid-Fahrzeug arbeitet die Lithium-Ionen-Batterie mit einem Batterie-Management-System. Mit Ausnahme des Mild-Hybriden (48V-Batterie) werden Hochvolt-Batterien eingesetzt.
• Der Kraftstofftank speichert die fossile Energie, sprich Benzin oder Diesel. Je nach Größe erhöht er die Reichweite des Fahrzeugs.

Wie man bei Hybrid-Autos die Batterie auflädt

Hybrid-Fahrzeuge erzeugen die elektrische Energie zum Laden der Batterie meist selbst – und zwar während der Fahrt. Denn wie in einem reinen Elektroauto dient der Elektromotor auch in einem Hybridauto zusätzlich als Generator. Er wandelt beim Bremsen und im Schiebebetrieb, also wenn das Auto ohne Gasgeben rollt, Bewegungsenergie zurück in Strom um – man spricht von Rekuperation. Handelt es sich um einen so genannten seriellen Hybrid (siehe unten), kann auch der Verbrennungsmotor als Generator elektrische Energie erzeugen. Nur Plug-In-Hybride können zusätzlich an Ladesäulen mit Strom versorgt werden.

Wann welcher Motor im Hybrid-Auto aktiv wird

Die meisten Hybrid-Fahrzeuge schalten automatisch zwischen den zwei Antriebsformen hin und her oder lassen sie gemeinsam laufen. Das hängt jeweils von der Fahrsituation ab. Die Steuereinheit schaltet zum Beispiel auf Verbrennerbetrieb, wenn sich das Fahrzeug mit konstanter und höherer Geschwindigkeit bewegt. Hier arbeitet der Verbrennungsmotor besonders effizient.

Eine Kombination der beiden Motoren kann zum Beispiel bei Steigungen oder beim Überholen sinnvoll sein. Dann wird für einen kurzen Zeitraum ein Energie-Booster benötigt, und der Elektromotor ergänzt die Leistung des Verbrenners.

Bei vielen Hybrid-Fahrzeug-Typen kann der Elektromotor das Auto auch alleine bewegen. Es wird dann kein Kraftstoff verbraucht. Da ein Elektromotor schon im niedrigen Drehzahlbereich einen hohen Wirkungsgrad hat, eignet er sich besonders zum Anfahren und für niedrige Geschwindigkeiten.

Eine typische Fahrsituation in einem Auto mit Parallel-Hybrid-Antrieb (siehe unten) sieht dann zum Beispiel so aus: Beim Anfahren ist zunächst nur der Elektromotor aktiv. Wird das Fahrzeug schneller, schaltet sich der Verbrennungsmotor hinzu. Auf der Autobahn ist überwiegend der Verbrenner im Einsatz.  Bremst der Fahrer oder lässt er das Fahrzeug rollen, wird die Energie aufgefangen und in der Batterie gespeichert – und bei Bedarf später wieder an den Elektromotor abgegeben.

Die beiden Motoren in einem Hybrid-Fahrzeug können auf unterschiedliche Weisen zusammenarbeiten und die Antriebsarten anders gewichtet sein.

Hybride lassen sich nach dem Grad ihrer Elektrifizierung unterscheiden. Je nachdem sind laut ADAC Kraftstoffeinsparungen zwischen 15 und 25% im Vergleich zu einem Benzinfahrzeug möglich, bei einem Plug-In-Hybrid noch mehr.

Micro-Hybrid
Ein Micro-Hybrid kann beim Bremsen Energie zurückgewinnen, die er in der klassischen 12-V-Starterbatterie speichert, und besitzt eine elektrische Start-Stopp-Automatik. Allerdings erfolgt der Antrieb des Autos ausschließlich über den Verbrennungsmotor, weshalb Micro-Hybride in vielen Antriebs-Klassifizierungen gar nicht als Hybrid-Konzept geführt werden. Micro-Hybride sind also Autos mit Verbrenner-Antrieb und ausgereifter Antriebs-Elektronik. Die Kraftstoffeinsparung ist gering.

Mild-Hybrid
Im Gegensatz zu Micro-Hybriden nutzt ein Mild-Hybrid (Mild Hybrid Electric Vehicle, MHEV) bereits einen Elektromotor im Antrieb – jedoch nie eigenständig, sondern lediglich zur Unterstützung eines Verbrennungsmotors. Er entlastet diesen etwa beim Beschleunigen. In einem Mild-Hybrid arbeitet neben der klassischen 12-V- zusätzlich eine 48-Volt-Batterie. Durch die höhere Spannung kann ein Mild-Hybrid mehr Bremsenergie rekuperieren als ein Micro-Hybrid. Außerdem wird die Start-Stopp-Automatik wirkungsvoller, weil sich der Motor häufiger und länger stoppen lässt. Mild-Hybrid-Fahrzeuge verbrauchen bis zu 15% weniger Kraftstoff als Autos mit konventionellem Verbrennungsmotor.

Vollhybrid
In einem Vollhybrid (Full Hybrid Electric Vehicle, FHEV) arbeiten ein Elektro- und ein Verbrennungsmotor intelligent und flexibel zusammen. Auch rein elektrisches Fahren ist möglich, allerdings in der Regel nur auf kurzen Strecken von wenigen Kilometern. Anders als Mild-Hybride enthalten Vollhybride neben der 12-V-Batterie keine 48-V-, sondern eine Hochvolt-Traktionsbatterie mit einer Spannung von mehreren hundert Volt. Auch die Leistung des Elektromotors ist höher als beim Mild-Hybrid. Kraftstoffeinsparungen von über 20 Prozent gegenüber einem reinen Verbrenner sind laut deutschem Umweltbundesamt möglich.

Der Plug-in-Hybrid (Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV) ist eine Weiterentwicklung des Vollhybriden. Was ihn von allen anderen Hybrid-Varianten unterscheidet: Die Batterie kann nicht nur über Rekuperation aufgeladen werden, sondern auch über eine Ladesäule bzw. Steckdose. Daher kommt der Name „plug-in“, übersetzt „einstecken“.

Plug-in Hybride verfügen wie Vollhybride über eine Hochvolt-Batterie, jedoch fällt diese noch einmal wesentlich größer und leistungsfähiger aus. So sind je nach Modell rein elektrische Reichweiten bis 100 Kilometer und teilweise darüber hinaus möglich. Dies ermöglicht es zum Beispiel vielen Berufspendlern, den täglichen Weg zur Arbeit und zurück nach Hause lokal emissionsfrei zurückzulegen. Der Norm-Verbrauch von Plug-in-Hybriden liegt bis zu 35 Prozent unter dem vergleichbarer konventioneller Autos. Ob dieser auch im realen Betrieb erreicht wird, hängt allerdings wesentlich davon ab, ob der Fahrer die Batterie regelmäßig nachlädt und so von dem Spritsparpotenzial tatsächlich Gebrauch macht. Zu beachten sind außerdem jahreszeitliche Schwankungen: Niedrige Wintertemperaturen mindern die Reichweite der Batterie.

Neben dem Grad der Elektrifizierung werden Hybrid-Fahrzeuge auch danach unterschieden, wie sie aufgebaut sind. Am gängigsten sind heute so genannte parallele Hybride. Dazu zählen die oben genannten Mild-, Voll- und Plug-in-Hybride. Daneben gibt es serielle Hybride und mit den so genannten Misch-Hybriden auch eine Kombination beider Konzepte.

Paralleler Hybrid
Bei diesem Fahrzeugtypen gibt es zwei Antriebe – die beiden Motoren. Beide können das Auto vorwärtsbewegen und sind mit der Antriebsachse verbunden. Sie werden je nach Bedarf eingesetzt: Das Fahrzeug kann rein elektrisch, nur mit Verbrennungsmotor oder kombiniert gefahren werden. Die Leistung des Elektro- und des Verbrennungsmotors addieren sich bei diesem Antrieb zu einer Gesamtleistung.

Serieller Hybrid
Bei einem seriellen Hybrid gibt es zwei Motoren, aber nur einen Antrieb. Die Motoren sind in Reihe geschaltet: In der Regel bewegt der Elektromotor das Auto vorwärts, während der Verbrennungsmotor als Generator dient und Strom für die Batterie erzeugt. Die Motoren besitzen keine mechanische Verbindung.

In diese Kategorie fallen auch so genannte Range-Extender-Konzepte. Vereinfacht gesagt dient hier der Verbrennungsmotor lediglich dazu, als Generator die Batterie nachzuladen, wenn deren Kapazität erschöpft ist, bevor das Auto die nächste Ladestation erreicht.

Mischhybrid
In einem Fahrzeug können serieller und paralleler Hybrid-Antrieb auch kombiniert werden. Beim Mischhybrid oder leistungsverzweigten Hybrid wählt der Fahrer eine der beiden Antriebsformen aus.

Der Hybrid-Antrieb hat gegenüber einem Fahrzeug nur mit Verbrennungs- oder nur mit Elektromotor viele Vorteile:

• Ein Hybrid-Auto kann je nach Fahrsituation und Typ den optimalen Antrieb verwenden, etwa in der Stadt oder auf der Landstraße.
• Der Kraftstoffverbrauch sinkt je nach Fahrzeugtyp um 15 bis 50%. Das gilt vor allem für das Fahren im Stadtverkehr mit häufigem Anfahren, Bremsen und Stopp-and-Go.
• Durch den geringeren Verbrauch und das teilweise rein elektrische Fahren entstehen weniger Emissionen.
• Das Fahrzeug fährt effizienter. Es geht weniger Energie verloren als bei einem Benziner oder Diesel, weil Energie beim Bremsen und Rollen aufgefangen und genutzt wird.
• Es ist mit ihm auch möglich, längere Strecken zu fahren, die Reichweite ist höher als bei reinem Elektroantrieb.
• Die Beschleunigung wird im Vergleich zu einem konventionellen Antrieb um 10 bis 20% erhöht. Ein Verbrennungsmotor braucht höhere Drehzahlen für mehr Drehmoment. Bei einem Elektromotor ist dieses von Beginn an hoch.
• Außer bei Plug-in-Hybriden ist das Aufladen mit Strom nicht nötig – damit entfällt die Suche nach Ladestationen.

Hybrid-Fahrzeuge haben gegenüber Fahrzeugen nur mit Verbrennungs- oder nur mit Elektromotor auch ein paar Nachteile:

• Sie sind in der Anschaffung teurer als Autos mit Verbrennungsmotor, weil die Konstruktion der doppelten Antriebstechnik aufwendiger ist. Doch durch den geringeren Kraftstoffverbrauch gleicht sich dieser Nachteil mit der Zeit aus.
• Die zwei Motoren und die zusätzliche Batterie sorgen dafür, dass das Auto mehr wiegt. Das kann bei einigen Modellen zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch in Situationen führen, in denen ausschließlich der Verbrennungsmotor arbeitet.
• Die zusätzliche Batterie braucht Platz. Es kann deshalb sein, dass der Kofferraum kleiner ist als bei einem konventionellen Auto.
• Bei Plug-in-Hybriden hängt die Klima-Gesamtbilanz vom Strom ab, mit dem sie geladen werden – je mehr Ökostrom, desto besser ist sie.
• Hybrid-Fahrzeuge sind im Gegensatz zu rein elektrischen Autos weiterhin von fossilen Kraftstoffen abhängig und erzeugen Emissionen.

Wie überall, wo elektrischer Strom erzeugt, gespeichert oder umgewandelt wird spielt Mikroelektronik auch in Elektro- und Hybridautos eine große Rolle. Sensoren messen verschiedene Parameter; Mikrocontroller treffen daraufhin Handlungsentscheidungen – zum Beispiel, wann an einer bestimmten Stelle im System Strom fließen soll und wann nicht. Und Leistungshalbleiter setzen diese Entscheidungen um. Wie intelligent und effizient die Elektronik arbeitet, hat großen Einfluss auf die Reichweite und Leistung, die Kosten und, bei Plug-in-Hybriden und vollelektrischen Autos, auch die Ladedauer.   

Infineon hat schon sehr früh damit begonnen, Halbleiter speziell für Elektro- und Hybridautos zu entwickeln. Heute ist das Unternehmen der führende Anbieter solcher Elektromobilitäts-Chips. Infineon rechnet mit weiterem Wachstum. „In diesem Jahrzehnt erreichen wir den Punkt, an dem die Mehrheit aller Neuwagen weltweit teil- oder vollelektrisch fährt“, sagt Stephan Zizala, Vice President und General Manager Automotive High Power bei Infineon. Dementsprechend investiert Infineon in weitere Produktionskapazitäten. Etwa im österreichischen Villach. Dort entsteht gerade für 1,6 Milliarden Euro eine neue Fabrik für Leistungselektronik in Hybrid- und Elektroautos sowie in anderen Anwendungen.

Daneben arbeitet Infineon an technologischen Innovationen, um die Elektronik noch leistungsfähiger und effizienter zu machen. Ein Beispiel ist der Einsatz neuer Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid. Chips aus Siliziumkarbid ermöglichen in bestimmten Anwendungen eine höhere Leistung und eine höhere Energieeffizienz als klassische Silizium-Chips. Dadurch lassen sich zum Beispiel die Energieverluste beim Laden eines Plug-in-Hybriden reduzieren oder die Reichweite von Elektroautos erhöhen.

Letzte Aktualisierung: Juli 2021