Moderner Hybridantrieb im Retrofahrzeug

Johannes Hübner Giessen unterstützt Hochschule mit Traktionsmaschine für Hybridisierung eines VW Käfers

 

In Kürze

  • Ziel:  Praktischer Umgang mit elektrisch betriebenen Antriebslösungen für Nachwuchsingenieure in der Lehre der Fachhochschule Köln
  • Umsetzung: Umrüstung VW-Käfer zu einem Hybridautomobil durch Entwicklung und Einbau einer elektrischen Maschine (10 kW) von Johannes Hübner Gießen
  • Ergebnis: Wartungsfreiheit, verringerter Benzinverbrauch und Fahrspaß durch mehr Kraft in der Beschleunigung
Der modernisierte VW-Käfer mit einem parallelen Hybridantrieb von Hübner Giessen.Der modernisierte VW-Käfer mit einem parallelen Hybridantrieb von Hübner Giessen.  
Neue Hybridmaschine und die alte Lichtmaschine im Vergleich.Neue Hybridmaschine und die alte Lichtmaschine im Vergleich.  
Fahrzeuginnenraum mit Anzeigemonitor für den modernisierten Antrieb.Fahrzeuginnenraum mit Anzeigemonitor für den modernisierten Antrieb.  
Verbrennungsmotor mit Parallelhybridantrieb im VW Käfer.Verbrennungsmotor mit Parallelhybridantrieb im VW Käfer.  
Zweiter Hybridantrieb für den Prüfstand im Automatisierungslabor.Zweiter Hybridantrieb für den Prüfstand im Automatisierungslabor.  
 

Steigende Rohstoffpreise und strengere Richtlinien zum CO2-Ausstoß veranlassen die Entwickler zu neuen Antriebslösungen. Seit Jahren geht hier der Trend weg von Benzin und Diesel hin zu elektrisch betriebenen Antriebslösungen. Nicht nur große Automobilhersteller und
 -zulieferer schöpfen aus ihrem Entwicklungspotenzial. Auch Hochschulen und Institute gehen Projektkooperationen ein, um Nachwuchsingenieuren die Vielseitigkeit elektrischer und CO2-armer Antriebe zeigen und einen praktischen Umgang mit der Technologie dahinter ermöglichen zu können. Das an der Fachhochschule in Köln angesiedelte Institut für Automatisierungstechnik rief in diesem Zusammenhang ein Projekt ins Leben, das die Umrüstung eines alten VW-Käfer-Modells zu einem Hybridautomobil zum Ziel hatte. Als Kooperationspartner der Hochschule hat der Gießener Spezialist für individuelle Antriebslösungen, die Johannes Hübner Fabrik elektrischer Maschinen GmbH, die Traktionsmaschine im Rahmen dieses Projekts entwickelt.  

An der Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik der Fachhochschule Köln ist das Institut für Automatisierungstechnik (IA) angesiedelt. Hier beschäftigen sich Studenten und Professoren täglich mit dem Thema hybride und elektrische Antriebe. Den Studenten einen Praxiseinblick während des Studiums zu geben steht dabei im Fokus. „Damit sie in der Lehre ein Anschauungsobjekt haben, überlegten wir uns, einen alten VW-Käfer zu hybridisieren“, erklärt Prof. Dr. Ing. Andreas Lohner, der am IA in den Gebieten Automatisierungstechnik und elektrische Antriebe lehrt und das dazugehörige Labor leitet. Im Zentrum des Projekts stand der Umbau eines Fahrzeugs aus dem Baujahr 1982, was im Rahmen mehrerer Diplomarbeiten umgesetzt wurde. Als ersten Abschnitt – und damit auch in der ersten Diplomarbeit thematisiert – hat Johannes Hübner Giessen im Jahr 2007 die elektrische Maschine für den Einbau in das Fahrzeug entwickelt. Ausgangspunkt war, die alte bürstenbehaftete Lichtmaschine des Käfers durch einen modernen Hybridantrieb zu ersetzen, der die Funktion der Lichtmaschine mitübernehmen kann.


Hohe Leistung auf kleinem Platz

Entscheidend für eine passende Antriebslösung waren die Raumverhältnisse im Fahrzeug sowie die Abmessungen der Gleichstromlichtmaschine. Der neue Hybridantrieb musste genau auf diese Platzverhältnisse hin zugeschnitten werden. Um in der Modernisierungsmaßnahme an der Mechanik nur minimale Veränderungen vorzunehmen und in den Antriebsstrang des Käfers nicht stark eingreifen zu müssen, entschieden sich die Hochschule und Johannes Hübner Giessen für einen Parallelhybridantrieb mit einer acht-poligen permanenterregten Synchronmaschine als Elektromotor. Bei diesem Hybridantrieb handelt es sich um einen Parallelhybrid, bei dem im Gegensatz zur seriellen Bauweise die Elektromaschine über einen Zahnriemen angetrieben wird und damit parallel zum Verbrennungsmotor mitläuft. Während des Bremsvorgangs wird die mitlaufende Maschine zum Speichern der Bremsenergie generatorisch genutzt. Anders als beim Serienhybrid kann die Leistung hier mit nur einer zusätzlichen Maschine deutlich erhöht und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden. Um die Maschine ideal in das bestehende Fahrzeugsystem einzubauen, wurden gleiche mechanische Schnittstellen angebracht. Anhand der alten Gleichstromlichtmaschine, die das IA zur Verfügung gestellt hat, konnten die Welle und die weiteren mechanischen Schnittstellen von Hübner genau vermessen werden. Die neue Maschine wurde nach diesen Messungen konstruiert. „Der große Unterschied ist, dass die Maschine heute eine Leistung von gut 10,8 kW bei 5772 Umdrehungen hat – das entspricht etwa 100 km/h“, betont Prof. Ing. Ewald Ohl, Leiter der Abteilung Energie- und Antriebssysteme bei Johannes Hübner Giessen.

Antreiben und Bremsen mit Hilfe eines Motors 

Die Leistungselektronik im Testfahrzeug der Studenten wurde so aufgebaut, dass die Möglichkeiten elektrischer bzw. elektronischer Komponenten und Funktionen ausgeschöpft werden konnten. Die permanenterregte Drehstrom-Synchronmaschine arbeitet motorisch sowie generatorisch. Das heißt, dass sie sowohl das Fahrzeug antreiben wie auch beim Bremsen unterstützen kann. Eine 48-V-Lithiumbatterie der Kapazität 2 kWh ist als elektrischer Energiespeicher im VW Käfer eingebaut. Aus diesem Energiespeicher wird über einen DC/DC-Wandler ein Umrichter gespeist, der die Synchronmaschine beim Anfahren als Antriebsmotor nutzt und beim Bremsen den Großteil der kinetischen in elektrische Energie zurückwandelt. Diese wiederum wird in der Lithiumbatterie gespeichert. Eine Besonderheit in diesem Projekt ist auch die durch den DC/DC-Wandler erzeugte hohe Gleichspannung von 500 V für den Antriebsumrichter.  „Im Normalfall befindet sich in einem Auto nur eine Spannung von 12 oder 48 V“, erklärt Prof. Andreas Lohner. „Bei dieser Anwendung mussten wir sicher gehen, dass ein Mensch mit der hohen Spannung nicht in Berührung kommen kann und haben alle notwendigen Isolationsmaßnahmen getroffen.“ Anders als die mechanischen, wurden die elektrischen Schnittstellen an den modernisierten Antrieb im Fahrzeug angepasst und neu ausgelegt. So musste auch der Vergaser versetzt werden. Im Gegensatz zum reinen Betrieb mit Verbrennungsmotor wird der Elektromotor/-generator heute über den Zahn- statt den Keilriemen angetrieben. 


Wartungsfreie Antriebslösung im Straßenverkehr

Für einen zuverlässigen Betrieb des Hybridmotors ist unter anderem eine eingebaute Luftkühlung verantwortlich. Ebenso hat der parallel aufgebaute Elektroantrieb lebensdauergeschmierte Kugellager. In den vergangen Jahren sei der Reparaturaufwand für den Hübner-Antrieb gleich Null gewesen, betont Prof. Andreas Lohner. Neben der Wartungsfreiheit ist der niedrige Benzinverbrauch ein ausschlaggebender Vorteil des Hybridantriebs. Der mit einem Sommerkennzeichen ausgestattete Käfer verbraucht bei innerstädtischen Fahrten – mit einem häufigen Wechsel von Benzin- und Elektromotor – durchschnittlich vier bis fünf Liter Benzin auf 100 Kilometer. „Der umgerüstete VW-Käfer fährt sich wie ein modernes Fahrzeug, hat allerdings deutlich mehr Kraft in der Beschleunigung“, so Prof. Andreas Lohner. 


Elektromotor und Zusammenarbeit nach Wunsch

Durch ein Gespräch auf der SPS IPC Drives in Nürnberg entstand 2007 die Kooperation zwischen dem Automatisierungsinstitut der Hochschule Köln und Johannes Hübner Giessen. „Hübner hat sich unserer Idee gegenüber, einen VW-Käfer zu einem Anschauungsobjekt als Hybridfahrzeug umzubauen, sehr offen und interessiert gezeigt“, erinnert sich Prof. Andreas Lohner. Dabei galt es, möglichst viel Leistung bei hoher Effizienz in dieser Maschine integrieren zu können. Der Diplomand habe das im Austausch mit den Entwicklern von Hübner sehr gut gelöst. Insgesamt hat Johannes Hübner Giessen bisher zwei Traktionsmaschinen im Rahmen der Hybridisierung des VW Käfers entwickelt und hergestellt. Erstere ist direkt in dem Fahrzeug mit dem Sommerkennzeichen verbaut und wurde dem Institut gespendet. Um den Motor jederzeit für Studenten zugänglich zu haben und auch Tests durchzuführen, befindet sich ein zweiter seit etwa drei Jahren auf einem Prüfstand im Automatisierungslabor des Instituts. Außer leichten Modifikationen in den Verkabelungen seien beide Maschinen mechanisch und elektrisch baugleich, so Prof. Andreas Lohner. Die finale Entwicklung der Traktionsmaschine, die im Wesentlichen nur bei dem Giessener Unternehmen stattfand, hat alle Randbedingungen und Vorgaben seitens des IA einbezogen. Das Ergebnis: ein modernes Fahrzeug mit einer Benzineinsparung bis zu 15 Prozent und erhöhtem Fahrspaß.