Haftprüfung: Wie 4×4-Hybrid-Antriebe die Fahrdynamik neu definieren


 
 
 

Warum macht man Wintertests mit Hybridantrieben? Es bringt viele Erkenntnisse zu Traktion und Fahrsicherheit – und nebenbei die Erfahrung, was es mit Reibwerten auf unterschiedlichen Fahrbahnen auf sich hat. Beides zeigt, wie die neuen Antriebsarten Wege zu einer elektrifizierten, leisen, sparsamen und sehr fahrsicheren Neudefinition von Fahrdynamik weisen könnten.

Im ziemlich abgelegenen Arjeplog, gut 900 km nördlich von Stockholm, treffen sich alljährlich Automobilhersteller und -zulieferer zu so genannten Wintertests. Regelmäßig dabei ist auch die Firma Magna Powertrain, die Lösungen für den gesamten Triebstrang anbietet, also quasi vom Getriebe bis zu den angetriebenen Rädern.

Magna Powertrain ist bekannt als Konstrukteur diverser Allradfahrzeuge, beispielsweise der G-Klasse von Mercedes, die bei Magna Steyr in Graz vom Band läuft. Auch er war im Schweden dabei, Hauptdarsteller war aber ein anderer: das Hybrid-Demonstrationsfahrzeug e2 im schlichten Kleid des BMW 2er Active Tourer, vorn mit dem bekannten BMW-Serien-Dreizylinder mit 100 kW und Hybridgetriebe, hinten mit elektrifizierter Hinterachse. Der im Getriebe in P2.5-Anordnung integrierte E-Motor leistet maximal 80 kW, der Motor der hinteren, elektrisch angetriebenen Achse (P4), 160 kW. Zur serienmäßigen Hybridausführung als BMW Active Tourer 225xe (Test) haben wir einen Fahrbericht.

Wunschprogramm per Software

Das Besondere an diesem Fahrzeug: Per Tablet-App lassen sich während der Fahrt unterschiedliche Antriebe simulieren: 48-V- und Hochvolthybrid, unterschiedliche Leistungen der E-Motoren vorn und hinten, Front- oder Allradantrieb und Torque Vectoring durch eine Längs- oder Querverteilung des Drehmoments zwischen Vorder- und Hinterachse oder den beiden Hinterrädern. Die Teststrecke besteht aus verschiedenen Kursen, die alle paar Stunden auf einem zugefrorenen See aufbereitet werden. Im Wesentlichen bieten Sie die Möglichkeit, Traktion und Kurvenverhalten, anders gesagt, Längs- und Querdynamik bei einem definierten Reibwert zu testen.

Wir konnten mit dem e2 einige Varianten ausprobieren, zunächst mit konventionellem Frontantrieb, also nur mit Verbrennungsmotor. Wie zu erwarten lässt sich Leistung von potenziell 100 kW nicht annähernd auf dem aufgerauhten Eis in Vortrieb umsetzen. Im nächsten Schritt schaltete der beifahrende Magna-Entwickler den vorderen E-Motor und die hintere E-Achse zu, er simulierte so einen 48-V-Allradhybrid mit 100+25+25 kW.

Die Erkenntnis: Selbst mit nur 25 kW an der Hinterachse wird die Traktion gleich derart besser, dass sie den meisten Voralpenbewohnern völlig genügen würde. Wer ständig starke Steigungen im Gelände fährt, will mehr, aber wer tut das wirklich? Am Rande bemerkt: Simulierte 25 kW entsprechen derzeit dem maximal Machbaren bei 48 V, ansonsten steigen die Stromstärken zu sehr an – für mehr Leistung ist deswegen eine Hochvoltlösung sinnvoll.

Mehr Leistung alleine bringt nichts

Nächster Versuch, per Software hochgeregelt auf 100+80 kW vorne, diesmal aber wieder ohne angetriebene Hinterachse. Das Ergebnis: Auf dem aufgerauhten Eis bringt die Zusatzleistung an der Vorderachse absolut nichts, die Vorderräder gehen zügig in Gleitreibung über. Der Hochvolt-Front-Hybridantrieb bietet zwar im Alltagsverkehr mehr Potenzial für die Energierückgewinnung, aber bei rutschigen Straßenverhältnissen keinen Nutzen für bessere Traktion. Das disqualifiziert ihn nicht – wer in schneearmen Gegenden unterwegs, braucht sicherlich nicht unbedingt Allrad, es sei denn, er legt Wert auf viel Fahrdynamik.
Besser schlägt sich in dieser Hinsicht die per Software entfesselte Hochvoltvariante mit 160 kW an der Hinterachse: Im Vergleich zur simulierten, milden Allradversion steigt die Beschleunigungsfähigkeit nochmals, wenn auch die Vorteile auf dem Rauheis weniger offensichtlich sind als auf trockener Straße. Der volle Ausbau mit 100+25+160 kW ist der Schritt von einer Traktionshilfe zu einem dynamischen Hochleistungsantrieb. Was alle genannten Beispiele eint: Der Verbrennungsmotor ist immer derselbe.

Man könnte diesen Wechselspiel mit der App nun weiter treiben und dutzende verschiedener Hybridantriebe simulieren, letztlich immer mit demselben Ergebnis: Man kann durch Hybridisierung die Dynamik eines Fahrzeugs enorm steigern, ohne den Verbrennungsmotor in irgendeiner Weise antasten zu müssen.

Grenzwertverkehr

Das erklärt allerdings noch nicht vollständig, warum dazu schwedisches Eis im hohen Norden aufsuchen muss. Der Grund dafür, so erklärte ein Entwickler, liegt im besonders gut reproduzierbaren Reibwert, der auf dem eigenes aufbereiteten Eis gegeben ist. Zitat: „Einen Reibwert von 1 [in µ] hat man üblicherweise auf trockenen Asphalt in Kombination mit einem normalen Reifen. Bei nasser Straße sinkt der Reibwert in die Größenordnung von 0,7 bis 0,8, Schotter liegt je nach Beschaffenheit etwa zwischen 0,4 und 0,6. Schnee, wenn er gefroren und sehr griffig ist, hat einen Reibwert von 0,3 bis 0,35, Schnee bei uns in Mitteleuropa liegt nur bei 0,2 bis 0,25 und Eis ist kleiner gleich 0,1.

Das Schöne hier in Schweden ist, dass man das Eis so aufbereiten kann, dass der Reibwert zuverlässig bei 0,35 liegt. Das kommt durch die Rillen im Eis, aber auch von den Eissplittern, die wie Schotter auf der Fahrbahn liegen. Wir können also durch die Aufbereitung unterschiedliche Reibwerte darstellen und diese wegen der niedrigen Temperaturen lange konstant halten.“

Drehmomentverteilung hält den Wagen auf der Spur

Vielleicht noch wichtiger als für die Traktionsversuche in Längsrichtung ist das definiert aufgerauhte Eis deswegen zum Testen querdynamischer Eigenschaften, also im Prinzip die Fähigkeit, möglichst schnell und sicher Kurven zu durchfahren, ohne abzufliegen. Die Konfiguration mit zwei getrennt angetriebenen Achsen erlaubt es, die Drehmomente zwischen vorne und hinten per Torque Vectoring zu verteilen, um das Fahrzeug durch gezieltes Radmoment aktiv auf der Spur zu halten. Wenn der Wagen beispielsweise über die Vorderräder zu schieben droht und der Gierratensensor anschlägt, kann ein kurzes Erhöhen von Momenten an den Hinterrädern den Wagen zu stabilisieren helfen. Eine weitere Stufe des Torque Vectorings besteht darin, auch Drehmoment zwischen den Hinterrädern zu verschieben, sofern die Hardware das hergibt. Das schafft noch mehr direkte Kontrolle, kostet aber natürlich etwas mehr.

Beim einem „Through-the-Road“-Hybrid wie dem e2 gibt es anders als bei einem konventionellen Allradantrieb keine Längswelle; die Antriebseinheiten vorne und hinten lassen sich separat ansteuern. Bei Bedarf schubst ein E-Motor das Fahrzeug sanft wieder in die Spur. Das funktioniert bereits bei der 48-V-Variante gut, denn hierzu braucht es keine hohen Leistungen und schon gar nicht über längere Zeiträume.

Um das zu demonstrieren, fuhren wir auf einer Kreisbahn mit einem Radius von zirka 120 Meter. Bei Frontantrieb bleibt ab einer bestimmten Geschwindigkeit nur die Möglichkeit, per ESP einzugreifen, um ein Ausbrechen oder Schieben über die Vorderräder zu vermeiden. Torque Vectoring mit der Fahrbahn als virtuelle Längswelle stabilisiert dagegen nicht über Bremseingriffe, sondern – in diesem Fall – über ein Längs- oder Querverschieben des Drehmoments, je nach Konfiguration. Wir konnten die Kreisbahn stabil mit über 70 km/h fahren, bei einem Reibwert von wie gesagt definierten 0,35 µ. Man spürt deutlich, dass Allrad generell ein Gewinn ist – sofern es nicht auf Kosten des Verbrauchs geht.

Und was kostet das?

Denn letztendlich zählt immer das Gesamtergebnis aus Betriebs- und Anschaffungskosten. Klar, ein Hybridantrieb ist zunächst einmal teurer als ein solcher nur mit Verbrennungsmotor. Das liegt unter anderem an den E-Motoren, zusätzlicher Elektronik und natürlich der Batterie – verschärft bei Plug-in-Anwendungen, wo es statt 1 bis 2 kWh in der Regel gerne 10 kWh sein dürfen, um eine elektrische Fahrstrecke von 50 km und aufwärts zu gewährleisten. Aber andererseits hat der Allrad-Hybrid auch Kostenvorteile im Vergleich zu klassischen Lösungen: Es gibt keine Längswelle mehr, der Verbrauch ist geringer und es sind weniger Varianten beim Verbrennungsmotor erforderlich. Im e2 ist auch das Getriebe immer das Gleiche, Ausnahme der darin verbauten E-Maschine und des Inverters.

Paradigmenwechsel beim Charakter

In der Vergangenheit war der Verbrennungsmotor (… diese herrlichen Sechszylinder von BMW …) ein entscheidendes Mittel, um den Charakter eines Fahrzeugs zu bestimmen. Das könnte sich verschieben in Richtung einer elektrifizierten, leisen, sparsamen und sehr fahrsicheren Definition von Dynamik. In der Preisliste steht dann womöglich nicht mehr der Verbrennungsmotor in verschiedenen Leistungsstufen, sondern es stehen verschiedene Elektrifizierungsstufen zur Wahl, je nach Anwendungsprofil des Endkunden. Jeweils ein E-Motor vorne und hinten hat übrigens auch für solche Kunden einen Vorteil, die tatsächlich vielleicht zwei Kilometer matschigen Feldweg zur Alm fahren müssen: Wenn die Batterie nicht mehr will, kann der vordere E-Motor zur Not den hinteren versorgen, vergleichbar einem seriellen Hybrid.

Magna spricht von einem „Paradigmenwechsel“ in zweierlei Hinsicht: erstens, weil Allrad nicht auf Kosten des Verbrauch gehen muss, zweitens weil der Ansatz eine neue Art von Markencharakter ermöglicht, die nicht mehr vom Verbrennungsmotor definiert wird und quasi per Software skaliert werden kann. Dass der Verbrennungsmotor ein wenig in den Hintergrund tritt, mag gewöhnungsbedürftig sein, aber bessere und aktivere Fahrzeugkontrolle, mehr Fahrsicherheit und weniger CO2 können auch Freude bereiten.