Audi A7 Sportback h-tron quattro und Honda FCV Concept mit Brennstoffzellenantrieb

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Die Funktionsweise der Brennstoffzelle

An der Anode wird Wasserstoff zugeführt, der in Protonen und Elektronen zerlegt wird. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, wo sie mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasserdampf reagieren. Die Elektronen wiederum liefern außerhalb des Stacks0 den elektrischen Strom – je nach Lastpunkt beträgt die Einzelzellenspannung 0,6 bis 0,8 Volt. Die gesamte Brennstoffzelle arbeitet im Spannungsbereich von 230 bis 360 Volt. Zu den wichtigsten Nebenaggregaten zählen:

• ein Turboverdichter, der die Luft in die Zellen presst,

• das sogenannte Rezirkulationsgebläse – es führt unverbrauchten Wasserstoff zurück zur Anode und steigert damit die Effizienz

• sowie eine Kühlmittelpumpe.

Diese Komponenten haben einen elektrischen Antrieb auf Hochvolt-Basis, und werden aus der Brennstoffzelle versorgt.

Höhere Anforderungen an die Fahrzeugkühlung

Zur notwendigen Kühlung der Brennstoffzelle dient ein eigener Kühlkreislauf. Ein Wärmetauscher sowie ein thermoelektrisches, selbst regelndes Zuheizelement sorgen für angenehme Temperaturen im Fahrgastraum.

Die Brennstoffzelle, die in einem Temperaturfenster um 80 Grad Celsius arbeitet, stellt höhere Ansprüche an die Fahrzeugkühlung als ein vergleichbarer Verbrennungsmotor, erzielt jedoch einen überlegenen Wirkungsgrad von bis zu 60%. Das ist nahezu doppelt so hoch wie ein gängiger Verbrennungsmotor. Ihre Kaltstartfähigkeit ist bis -28 Grad Celsius sichergestellt.

Plug-in-Hybrid

Eine Besonderheit des A7 Sportback h‑tron quattro ist sein Konzept als Plug‑in‑Hybrid – eine konsequente Weiterentwicklung der Audi A2- H2- und Q5- HFC‑Versuchsautos. Er hat eine per Kabel an der Steckdose aufladbare Lithium‑Ionen‑Batterie an Bord, deren 8,8 kWh Energiekapazität aus dem A3 Sportback e‑tron stammt. Sie sitzt unterhalb des Gepäckraums, ihr Thermomanagement läuft über einen eigenen Kühlkreislauf.

Diese leistungsfähige Batterie unterstützt die Brennstoffzelle. Sie kann beim Bremsen die Rekuperationsenergie speichern und beim Volllast-Boosten eine erhebliche Leistung beisteuern. Dies ermöglicht eine eindrucksvolle Beschleunigung – und so wird der A7 Sportback h‑tron quattro zum echten quattro. Vorder- und Hinterachse kommen dabei ohne mechanische Kraftübertragung aus. Das jeweilige Drehmoment für beide angetriebene Achsen lässt sich bei Schlupf elektronisch regeln und stufenlos variieren.

Mit Batteriestrom legt der Audi A7 Sportback h‑tron quattro bis zu 50 Kilometer zurück. Die Batterie im Heck des Plug‑in‑Hybriden lässt sich per Kabel aufladen. Je nach Spannung und Stromstärke dauert eine volle Ladung zwischen zwei (Industriesteckdose/360 Volt) und vier Stunden (Haushaltssteckdose mit 230 Volt).

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Die Batterie arbeitet auf einem anderen Spannungsniveau als die Brennstoffzelle. Deshalb ist ein Gleichstromwandler (DC/DC) zwischen beide Bauteile geschaltet. Der sogenannte Triport-Wandler ist hinter dem Stack untergebracht. In vielen Betriebszuständen gleicht er die Spannung aus, so dass die Elektromotoren mit ihrem maximalen Wirkungsgrad von 95 Prozent arbeiten.

Die Leistungselektronik in Vorder- und Hinterwagen wandelt den Gleichstrom aus der Brennstoffzelle und aus der Batterie in Wechselstrom für die E-Maschinen um, die die Vorder- und die Hinterachse separat antreiben.

Permanent erregte Synchronmaschinen

Bei den beiden Elektromotoren, die zusammen mit den Spannungswandlern von einem Niedertemperaturkreislauf gekühlt werden, handelt es sich um permanent erregte Synchronmaschinen. Jede von ihnen leistet 85 kW oder sogar 114 kW, wenn die Spannung kurzfristig angehoben wird. Das maximale Drehmoment beträgt 270 Newtonmeter pro Elektromotor.

In die Gehäuse der Elektromotoren sind Planetenradgetriebe mit einer einstufigen Übersetzung von 7,6:1 integriert. Eine mechanische Parksperre und eine Differenzial-funktion vervollständigen das System.

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