Hybrid-Systemleistung messen: Verbrenner, E-Motor und Batterie im Log

Warum dieselbe Radleistung aus ganz unterschiedlicher Aufteilung entstehen kann

Ein Hybrid-Prüfstandslauf kann am Rad exakt dieselbe Leistung zeigen wie ein Lauf eine Stunde zuvor. Trotzdem kann die innere Aufteilung zwischen Verbrenner und E-Motor dabei komplett anders ausgefallen sein. Ein Verbrennungsmotor, der mehr Anteil übernimmt, während der E-Motor weniger beisteuert, sieht am Rad nicht anders aus als die umgekehrte Verteilung. Sinkt der Ladezustand der Batterie oder wird sie warm, kann die elektrische Unterstützung im nächsten Lauf kleiner ausfallen. Am Ergebnis auf der Rolle ist davon oft nichts Auffälliges zu erkennen.

Genau deshalb reicht eine einzelne Radleistungszahl bei einem Hybridantrieb nicht aus, um eine belastbare Aussage über den Zustand des Systems zu treffen. Erst synchronisierte Kanäle für Verbrennerzustand, Leistung und Moment der E-Maschine, Batterie-Gleichstromleistung und Getriebeübersetzung zeigen, woher die am Rad ankommende Leistung tatsächlich stammt. Der Ausgangszustand vor dem Lauf, also Testbedingung, Ladezustand und Temperatur, gehört ebenso zum Ergebnis wie die Radleistung selbst und der Batterie- sowie Temperaturzustand danach.

Vier Messgrenzen, die bei einem Hybridantrieb nicht dasselbe sind

Batterie-Gleichstromleistung, mechanische Leistung des E-Motors, Leistung des Verbrenners und Leistung am Rad liegen an vier unterschiedlichen Stellen der Kette. Zwischen jeder dieser Grenzen liegen Umwandlungsverluste: im Inverter, in der mechanischen Kopplung des E-Motors, im Verbrennungsprozess selbst und im Getriebe bis zum Rad. Wer zwei dieser Werte addiert oder gegeneinander vergleicht, ohne die dazwischenliegende Grenze zu benennen, vermischt Größen. Diese Größen sind auf unterschiedlichen Ebenen der Kette entstanden und deshalb nicht ohne Weiteres gleichwertig.

Für einen belastbaren Vergleich müssen diese vier Werte deshalb zeitlich synchron vorliegen, nicht nur an derselben Stelle im Protokoll stehen. Ein Batteriekanal und ein Radleistungskanal lassen sich zusammen verwenden, wenn die dazwischenliegenden Komponenten bewusst Teil der Untersuchung sind. Sie dürfen aber nicht versehentlich als reiner Motorvergleich ausgegeben werden. Wie stark allein die Leistungselektronik zwischen Batterie und Motor dabei Energie kostet, zeigt die Einordnung zu Inverterverlusten durch Schaltfrequenz und Halbleitermaterial.

Der Verbrennerkanal: Moment, Leistung und was ein Steuergerätewert wirklich zeigt

Der Momentkanal des Verbrenners kann aus einer direkten Messung stammen oder aus einem Modellwert des Motorsteuergeräts. Beide Quellen sind für unterschiedliche Fragen sinnvoll, dürfen aber nicht verwechselt werden. Ein Steuergerätewert ist eine geschätzte Größe innerhalb des internen Modells, kein unabhängiger Wellenmomentsensor. Für die Bewertung eines Hybridlaufs muss deshalb dokumentiert sein, ob der Verbrennerbeitrag gemessen, aus dem Steuergerät gelesen oder aus anderen Größen berechnet wurde.

Ebenso wichtig ist der Betriebszustand des Verbrenners selbst: Läuft er im Leerlauf mit, unterstützt er aktiv den Antrieb, oder befindet er sich gerade im Start- oder Abschaltvorgang? Ein Verbrenner, der während eines Laufs kurzzeitig startet, verändert Drehzahl und Momentabgabe innerhalb weniger hundert Millisekunden. Dieses kurze Fenster wird ohne saubere Zeitbasis leicht falsch zugeordnet.

Ähnliches gilt für einen kalten Start des Verbrenners nach längerer rein elektrischer Fahrt. Reibung, Öltemperatur und Katalysatorheizung verändern in dieser Phase kurzzeitig, wie viel Moment der Verbrenner tatsächlich beisteuern kann, unabhängig vom angeforderten Wert. Ein Log, das den thermischen Zustand des Verbrenners nicht mitführt, kann eine solche Phase leicht mit einer echten Leistungsabweichung verwechseln, obwohl sich das Verhalten nach wenigen Minuten wieder normalisiert.

Der E-Motor-Kanal: Inverter, Regler und die Grenze zur mechanischen Welle

Beim E-Motor gilt dieselbe Trennung wie beim Verbrenner, nur mit anderen Bauteilen. Zwischen der elektrischen Leistung, die der Inverter aus der Batterie bezieht, und der mechanischen Leistung an der Motorwelle liegen Umwandlungsverluste. Sie fallen je nach Last, Drehzahl und Temperatur unterschiedlich aus. Ein reiner Blick auf die elektrische Leistungsaufnahme beschreibt deshalb nicht automatisch, wie viel mechanisches Moment tatsächlich am Rad ankommt.

Dazu kommt die Reglerebene: Ein Inverter liefert nur die Leistung, die die übergeordnete Steuerung freigibt, nicht automatisch die maximal mögliche. Ein Leistungsmodell des E-Motors, das nur aus dem Anforderungswert der Steuerung abgeleitet ist, kann deshalb von der real messbaren Wellenleistung abweichen. Das gilt vor allem in Übergängen, wenn sich die Freigabe schneller ändert, als die Trägheit des mechanischen Systems folgen kann.

Warum Momentwunsch, Freigabe und tatsächliche Lieferung getrennt bleiben

Ein Hybridsteuergerät fordert nicht direkt ein festes Radmoment an, sondern verarbeitet einen Fahrerwunsch zu internen Anforderungen an Verbrenner und E-Motor. Zwischen diesem Momentwunsch, der von thermischen und elektrischen Grenzen abhängigen Freigabe und dem am Rad tatsächlich gelieferten Moment liegen drei unterschiedliche Größen. Ein Log, das nur den Wunsch zeigt, aber nicht die Freigabe oder die Lieferung, erzählt nur einen Teil der Geschichte. Wie Verbrenner und E-Motor ihr Drehmoment koordinieren, führt der Beitrag wie Verbrenner und E-Motor ihr Drehmoment koordinieren als vollständigen Regelkreis vor.

Bei einem Prüfstandsvergleich ist deshalb genau dieser Dreischritt entscheidend: Wurde ein hohes Moment angefordert, aber wegen Batterietemperatur oder Ladezustand nur teilweise freigegeben? Oder wurde die Freigabe erteilt, aber aus mechanischen Gründen nicht vollständig geliefert? Ohne alle drei Kanäle bleibt offen, an welcher Stelle der Kette eine beobachtete Differenz tatsächlich entstanden ist. Dieselbe Frage taucht auch beim Lesen von Allradantriebs-Logs zwischen Raddrehzahlen und Kupplungsanforderung auf.

SOC ist eine Testbedingung, kein Hintergrundwert

Der Ladezustand der Batterie beeinflusst direkt, wie viel elektrische Unterstützung und wie viel Rekuperation in einem Lauf überhaupt möglich sind. Vor jedem Leistungs-, Verbrauchs- oder Rekuperationsvergleich gehören deshalb Start- und End-Ladezustand, Batterietemperatur und Betriebsmodus zu den dokumentierten Randbedingungen, nicht zu einer Randnotiz. Zwei Läufe mit unterschiedlicher verfügbarer elektrischer Energie sind kein sauberer Vorher-Nachher-Vergleich, selbst wenn Fahrzeug, Software und Strecke identisch waren.

Eine Rekuperationsangabe braucht zusätzlich die Leistungsfähigkeit von Motor, Inverter und Batterie an diesem Ladezustand, dazu den Zustand mechanischer Bremsen und eines eingreifenden Bremsassistenten. Wie diese Größen bei der reinen elektrischen Rückgewinnung zusammenspielen, beschreibt die Einordnung dazu, warum Pedalweg und Bremsdruck nicht dasselbe bedeuten. Bei einem Plug-in-Hybrid kommt eine weitere Bedingung hinzu. Ein einzelner Fahrtabschnitt ist kein universeller Verbrauchswert, solange Start- und End-Ladezustand sowie der Betriebsmodus nicht mitgeliefert werden.

Temperatur von Batterie, Motor und Inverter verändert die freigegebene Leistung

Batterie, E-Motor, Inverter, Getriebe und Verbrenner besitzen jeweils eigene thermische Grenzen. Ein Hybridantrieb kann bei identischem Ladezustand, aber unterschiedlicher Temperatur, eine spürbar andere elektrische Unterstützungs- oder Rekuperationsfähigkeit zeigen. Ein Lauf direkt nach dem Start unterscheidet sich deshalb systematisch von einem Lauf nach mehreren vorangegangenen Beschleunigungen. Das gilt selbst dann, wenn Fahrer, Strecke und Software identisch bleiben.

Wie stark Motor und Inverter dabei innen wärmer werden, als von außen sichtbar ist, beschreibt die Einordnung zur Kühlung von Motor und Inverter im Elektroauto. Für einen Hybridvergleich bedeutet das: Wird während eines Laufs eine thermische Begrenzung aktiv, ist das kein Störfall, der aus der Auswertung entfernt werden sollte. Sie ist ein Teil des beobachteten Systemverhaltens und gehört dokumentiert.

Getriebe- und Kupplungsstatus verändern den mechanischen Pfad

Zwischen Verbrenner, E-Motor und Rad liegt bei den meisten Hybridarchitekturen ein Getriebe mit einer oder mehreren Kupplungen. Ihr Zustand entscheidet, welcher mechanische Pfad gerade aktiv ist und wie Moment von den beiden Antriebsquellen zusammengeführt wird. Ein offener oder schlupfender Kupplungszustand verändert die Übertragung, ohne dass Verbrenner oder E-Motor selbst ein anderes Moment liefern. Am Rad zeigt sich das Ergebnis trotzdem anders.

Dieselbe Logik gilt bei einer nass oder trocken laufenden Doppelkupplung, deren Schlupf und Wärmeentwicklung die Kraftübertragung zusätzlich beeinflussen können, wie die Einordnung zu Kupplungsmoment, Schlupf und Wärme bei der Doppelkupplung zeigt. Wird der Getriebe- oder Kupplungszustand in einem Hybridlog nicht mitgeführt, lässt sich eine Abweichung am Rad nicht mehr sauber zuordnen. Sie könnte dann ebenso gut elektrisch, thermisch oder rein mechanisch verursacht sein.

Ein einfacher Hinweis auf einen solchen Zustand liefert der Vergleich zwischen Motordrehzahl und Raddrehzahl über das bekannte Übersetzungsverhältnis. Weicht das gemessene Verhältnis erkennbar vom erwarteten Wert ab, deutet das auf Schlupf oder einen Zwischenzustand der Kupplung hin, nicht zwingend auf ein verändertes Antriebsmoment. Diese einfache Gegenprobe kostet keinen zusätzlichen Sensor, setzt aber voraus, dass beide Drehzahlen im selben Log mit gleicher Zeitbasis vorliegen.

Warum ein Peakwert bei Kickdown und Schaltvorgang nicht die Dauerleistung zeigt

Bei einem Kickdown, einem Schaltvorgang, einem Übergang von Rekuperation zu Antrieb oder einem Verbrennerstart können Verbrenner-, E-Motor- und Getriebemoment kurzzeitig gegeneinander arbeiten. In diesem Moment koordiniert die Steuerung mehrere Quellen gleichzeitig. Ein einzelner hoher Momentanwert im Log kann so entstehen, ohne dass er über die nächsten Sekunden gehalten werden könnte. Ein solcher Peak wird deshalb nicht als dauerhaft verfügbare Systemleistung interpretiert. Wie sich eine wirklich dauerhaft verfügbare Leistung von einem solchen Momentanwert methodisch trennen lässt, beschreibt der Beitrag Dauerleistung statt Momentanwert messen.

Diese zeitliche Koordination ist auch der Grund, warum ein Hybridantrieb bei einer Wandlerüberbrückung ähnliche Übergangseffekte zeigen kann wie ein klassisches Automatikgetriebe. Die Einordnung zu Schlupf an der Wandlerüberbrückung beschreibt diesen Mechanismus näher. Für eine belastbare Aussage braucht ein Peak deshalb immer ein Zeitfenster: Wie lange hielt der Wert an, und welcher Wert stellte sich danach als stabiler Dauerzustand ein?

Charge-Depleting und Charge-Sustaining: warum ein PHEV-Lauf seinen Zustand braucht

Bei einem Plug-in-Hybrid unterscheidet sich ein Lauf im ladungsverzehrenden Modus, in dem die Batterie über die Fahrt hinweg entladen wird, grundlegend von einem Lauf im ladungserhaltenden Modus, in dem der Verbrenner den Ladezustand im Mittel konstant hält. Beide Zustände erzeugen unterschiedliche Aufteilungen zwischen Verbrenner und E-Motor, selbst bei gleicher Radleistung und gleicher Strecke. Ein Log, das diesen Modus nicht markiert, vermischt zwei technisch unterschiedliche Betriebsarten in einer einzigen Zahl.

Mehr zur grundsätzlichen Funktionsweise dieser beiden Betriebsarten und ihrer Bedeutung für den Verbrauch liefert die Einordnung zu Plug-in-Hybrid, Verbrauch und den zugehörigen Regeln. Für eine Systemleistungsmessung gilt dieselbe Vorsicht wie beim Verbrauch. Ein gemischter Straßenlauf ohne definierte Energiebilanz lässt sich nicht ohne Weiteres mit einem Prüfstandsverfahren gleichsetzen. Ein einzelner Fahrtabschnitt ist niemals eine universelle Aussage über das ganze Fahrzeug.

Ein Wiederholprotokoll mit gleichem Ausgangszustand

Ein einzelner Lauf beweist bei einem Hybridantrieb noch weniger als bei einem rein mechanischen System, weil so viele Randbedingungen gleichzeitig variieren können. Ein Wiederholprotokoll legt deshalb vorab fest, welcher Ausgangszustand für einen gültigen Vergleich gelten muss: derselbe Start-Ladezustand, dieselbe Batterietemperatur und derselbe Betriebsmodus. Läufe, die diese Bedingungen nicht erfüllen, werden nicht stillschweigend verworfen, sondern mit dem Grund für ihren Ausschluss dokumentiert.

Nur unter diesen Bedingungen lässt sich beurteilen, ob eine beobachtete Abweichung tatsächlich mit einer Veränderung am Fahrzeug zusammenhängt oder schlicht aus unterschiedlichen Startbedingungen stammt. Wie sich unerwartete Steuergerätewerte in einem solchen Protokoll überhaupt sauber nachvollziehen lassen, beschreibt die Einordnung zum UDS-Protokoll mit Sessions, Fehlercodes und Messwerten.

Warum Energie über die Zeit zählt, nicht der höchste Momentanwert

Für eine belastbare Systemleistungsangabe wird Leistung über die Zeit integriert, statt nur den höchsten Momentanwert im Lauf zu übernehmen. Ein hoher Spitzenwert von wenigen hundert Millisekunden sagt wenig darüber aus, wie viel Energie über einen ganzen Beschleunigungsvorgang tatsächlich umgesetzt wurde. Dieselbe Unterscheidung zwischen Spitzenwert und tatsächlich genutztem Bereich gilt auch beim Wirkungsgradkennfeld eines einzelnen Elektromotors. Bei einem Hybridantrieb kommt hinzu, dass sich der Spitzenwert aus zwei Quellen gleichzeitig zusammensetzen kann. Ihre Anteile bleiben ohne synchronisierte Kanäle unsichtbar.

Am Ende steht deshalb kein einzelner Prüfstandswert, sondern ein Satz aus Randbedingungen, Kanälen und Energiesummen: Topologie und Spannungsklasse des Antriebs, Start- und End-Ladezustand, Temperaturen von Batterie, Motor und Inverter, Betriebsmodus und die tatsächliche Signalherkunft jedes einzelnen Werts. Eine am Rad gemessene Leistung wird dabei nie automatisch einer einzelnen Quelle zugeschrieben. Das gilt, solange Verbrenner- und E-Motor-Kanal nicht getrennt vorliegen.

Was dieser Beitrag bewusst nicht beschreibt

Dieser Beitrag beschreibt eine Mess- und Auswertelogik. Er ist keine Anleitung für Eingriffe am Hochvoltsystem. Keine Hochvolt-Strommessung, keine Batterieöffnung, keine Manipulation einer Strombegrenzung und keine erzwungene Änderung an Rekuperations- oder Momentkennfeldern wird hier als Vorgehen beschrieben. Wo Steckverbinder, Batteriegehäuse oder spannungsführende Leitungen betroffen sind, endet die Beobachtung an dieser Stelle, und die weitere Beurteilung gehört in die Hände von qualifiziertem Fachpersonal mit passender Ausrüstung.

Ebenso wenig liefert dieser Beitrag universelle Leistungs- oder Momentwerte für einzelne Hybridmodelle. Jede Architektur kombiniert Verbrenner, E-Motor, Getriebe und Batterie auf eigene Weise, und ein Wert, der für eine Plattform gilt, lässt sich nicht ungeprüft auf eine andere übertragen. Ein fehlender Kanal oder ein fehlender Wert bleibt deshalb unbekannt, statt aus einem ähnlichen Fahrzeug übernommen zu werden – erst eine Wiederholung unter gleichen Bedingungen und eine plausible technische Erklärung rechtfertigen eine belastbare Aussage über die tatsächliche Ursache einer Abweichung.

Häufige Fragen

Einordnung: wo die Regeln stehen

Dieser Beitrag beschreibt, wie sich die kombinierte Leistung eines Hybridantriebs aus Verbrenner, E-Motor und Batterie synchronisiert messen lässt – nicht, wie ein auffälliger Log-Wert diagnostisch auf einen Defekt zurückgeführt wird. Für die Fehlersuche in einem Hybrid-Log, etwa bei einem Ruck beim Wechsel zwischen E-Antrieb und Verbrenner, ist die Einordnung zum Lesen von Hybrid-Logs mit Drehmomentpfaden, Kupplungen und SOC die passende Ergänzung. Wie Drosselung durch Steuergerät und Batteriemanagement allgemein zu lesen ist, unabhängig vom Hybridfall, beschreibt außerdem die Einordnung zu VCU, BMS und Inverter bei gedrosselter Leistung. Keine Angabe in diesem Beitrag ersetzt eine Hochvolt-Mess- oder Umbauanleitung; Eingriffe an spannungsführenden Bauteilen bleiben qualifiziertem Fachpersonal vorbehalten.

Umbauten am eigenen Fahrzeug. Ob ein Umbau auf öffentlichen Straßen betrieben werden darf, entscheidet der Genehmigungszustand des Fahrzeugs — die Genehmigung des Teils, der Einbau nach ihren Auflagen und, wo nötig, die Abnahme durch eine dafür zuständige Stelle. Solange diese Kette nicht vollständig ist, gehört der Umbau auf Privatgelände, Testflächen und in nicht öffentliche Bereiche.