Leistungsverzweigung

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Leistungsverzweigung ist eine von mehreren Möglichkeiten, die Leistung eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors zu kombinieren:

• Beim Serienhybrid wird die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors (der ICE) in elektrische Leistung umgewandelt, und der eigentliche Antrieb des Fahrzeugs erfolgt über einen Elektromotor.
• Beim Parallelhybrid sind beide Motoren mechanisch mit den Rädern verbunden, können ihre Leistungen also gleichzeitig zum Antrieb verwenden. Je nach Ausführung und Bedarf kann auch einer der Motoren den Antrieb alleine übernehmen. Ein Milder Hybrid ist meist als Parallelhybrid ausgeführt, wobei der Elektromotor relativ schwach ist und das Fahrzeug nicht alleine antreiben kann.
• Ein Hybrid mit Leistungsverzweigung enthält eine Kraftweiche, welche einen Teil der Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch an die Räder weiterleitet und den Rest in einen Generator zur Stromerzeugung. Der erzeugte Strom kann über den Elektromotor zusätzliche Antriebsleistung erzeugen, oder aber in der Hybrid-Batterie gespeichert werden, oder für beide Zwecke aufgeteilt werden.

Der Toyota Prius verwendet das Prinzip der Leistungsverzweigung. Das zentrale Bauteil hierfür ist das Power-Split-Device PSD, ein Planetengetriebe, dessen Funktion im Artikel über PSD detailliert erklärt wird.

Vor- und Nachteile

Die Vorteile des im Prius realisierten Konzepts sind:

• Zumindest ein Teil der Leistung des Benzinmotors kommt direkt auf die Räder, ohne den verlustbehafteten Umweg über zwei Elektromaschinen. Dieser Anteil ist bei niedrigen Geschwindigkeiten gering, kann aber bereits um ca. 60 km/h bereits hoch werden. Somit werden die Verluste geringer als in einem Serien-Hybrid, allerdings höher als in einem Parallelhybrid.
• Zumindest teilweise (v. a. bei mittleren Geschwindigkeiten) kann die Leistung von Benzin- und Elektromotor kombiniert genutzt werden, trotz begrenzter Leistung des Generators MG1.
• Der starke Elektromotor MG2 erlaubt einen rein elektrischen Betrieb, solange die Hybrid-Batterie hierfür genügend Energie liefern kann. Das gleiche Aggregat erlaubt die Rekuperation eines grossen Teils der Bremsenergie. (Mancher Mild-Hybrid erlaubt dies nur bei schwachem Bremsen, da seine Elektromaschine schwach ist.)
• Das PSD ist verglichen mit einem anderen Getriebe sehr klein und leicht, was den Gewichtsaufschlag durch die anderen Hybrid-Komponenten teilweise wieder kompensiert und das gesamte Antriebsaggregat (inkl. Elektromaschinen) nicht grösser werden lässt als das eines ganz gewöhnlichen Autos. Sicher ist das PSD auch kostengünstiger herstellbar als ein mehrstuftiges Getriebe.

Es gibt aber auch Nachteile:

• Bei niedrigen Geschwindigkeiten leidet der Antriebswirkungsgrad darunter, dass ein grosser Teil der Leistung des Benzinmotors erst durch MG1 in elektrische Leistung verwandelt wird und dann von MG2 wieder in mechanische. Allerdings wirkt sich das nur in der Beschleunigungsphase oder bei Bergauffahrt deutlich aus, bei konstanter Geschwindigkeit in der Ebene kaum.
• Ein ähnlicher Umweg erfolgt mit einem anderen Arrangement bei hohen Geschwindigkeiten, wenn eine Art Overdrive-Modus (auch heretical mode genannt) gewählt wird.
• Bei hohen Geschwindigkeiten kann im Schiebebetrieb die ICE nicht mehr abgestellt werden, weil sonst MG1 zu schnell laufen müsste.

Das Konzept erreicht also einen Kompromiss, bei dem die Vorteile von Parallel- und Serienhybrid zum guten Teil kombiniert werden. Für hohe Geschwindigkeiten (über ca. 100 km/h) oder für schwere Belastung bei steilen Bergfahrten oder mit Anhänger wäre jedoch ein Parallelhybrid verbrauchsgünstiger.