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Hybrid-Technologie auf dem Weg zur Serie – der Stadtbus MAN Lion’s City Hybrid

Angesichts der weltweit zunehmenden Verteuerung fossiler Energieträger findet die Hybridantriebstechnik speziell in der Entwicklung von Nutzfahrzeugen verstärkt Beachtung. MAN sieht Zukunftschancen gerade im Nah- und Verteilerverkehr - hier verbrennen Fahrzeuge mit Hybridantrieben erheblich weniger fossile Kraftstoffe und tragen so zur Steigerung der Transporteffizienz und zur Entschärfung der CO2-Problematik bei.

MAN zählt bei diesen Antriebskonzepten zu den Pionieren – bereits seit den 70er Jahren arbeiten die Techniker an den verschiedensten Technologien, um die Bremsenergie nutzbar zu machen. Bislang scheiterten diese Lösungen stets am hohen Mehraufwand für komplexe Technologien, die keinen wirtschaftlich vertretbaren Einsatz zuließen. Mit dem neuen MAN-Niederflurbus Lion´s City Hybrid stehen die MAN-Techniker kurz vor der Serienfertigung. Auf dem UITP Kongress 2009 wurde ein Vorserienfahrzeug mit finalem Design und Packaging der Komponenten gezeigt, mehrere solche Fahrzeuge gehen im Laufe des Jahres 2010 in europäischen Städten an den Start. Viel versprechende Ansätze zeigt auch der MAN TGL Hybrid für den Einsatz im Verteilerverkehr, der aber noch nicht kurzfristig in Serie gehen wird.

EfficiencyDesign: Die Zukunft des Stadtbusses hat ein Gesicht

Die auf der UITP erstmals dem interessierten Fachpublikum vorgestellte Serienversion des neuen MANLion’s City Hybrid-Stadtbusses überzeugt durch ein attraktives „EfficiencyDesign“, das sowohl optisch als auch funktional die besondere Bedeutung des Fahrzeugs in der MAN Transporteffizienz-Offensive herausstellt. Charakteristisch hierfür sind das strömungs- und gewichtsgünstig auf dem Vorderwagen untergebrachte Ultracap-Hochleistungs-Energiespeichersystem, die hochwertig anmutende, von der B-Säule dynamisch in die Dachvouten gezogene „AeroLine“ aus matt glänzendem Aluminium sowie die aerodynamisch verkleideten hinteren Radkästen. Das in Höhe der B-Säule angebrachte Hybrid-Logo weist dezent aber deutlich darauf hin, welch modernes Fahrzeug hier unterwegs ist.

Stilelemente der aktuellen MAN Lion’s City-Fahrzeuggeneration werden für die zusätzliche Konstruktion der Hybrid-Komponenten so interpretiert, dass diese nahtlos in die klaren Gestaltungsgrundzüge der bestehenden Fahrzeugfamilie einfließen. Sie vermitteln dabei zwischen Tradition und Kontinuität in der MAN Busfamilie und der sich stetig weiter entwickelnden technischen Ansprüche und Möglichkeiten. Die ganzheitliche Formensprache zieht sich konsequent durch die gesamte Gestaltung und verleiht dem modernen „High Tech“-Produkt Hybridbus einen sympathischen Eindruck. Das Fahrzeug wirkt auf den Betrachter genauso strömungsgünstig und dynamisch wie seine moderne Technologie es tatsächlich ist. Die zusätzlichen Anbauteile und technischen Komponenten sind gestalterisch so integriert, dass sie nicht als Fremdkörper aufgesetzt wirken. Der MAN Lion’s City Hybrid behält im Wesentlichen sein typisches, seit 2004 weltweit geschätztes und durch diverse Auszeichnungen prämiertes Design. Die hybridspezifischen Merkmale werten das Fahrzeug zusätzlich auf und betonen hierdurch deutlich die hohe Entwicklungskompetenz der MAN Nutzfahrzeuge Gruppe.

Durch die stark gerundete und wesentlich höhere Bugkuppel wird die A-Säule in einer dynamischen Kurve über den gesamten Dachaufbau verlängert. Am vorderen Ende ist sie mit charakteristisch gestalteten Luftschlitzen versehen und mit Seitenverkleidungen abgeschlossen, die die diversen Energiespeicher- und Zusatzkomponenten ganzheitlich verblenden. Diese in Körperfarbe gehaltene „optische Spange“ bindet die Aufbauten formal in die Gesamtgestaltung des Fahrzeugs ein. Der körperfarbene Bogen läuft an der, über das gesamte Dach verlaufenden, silberfarbenen Dachvoutenblende - der chrakteristischen AeroLine - aus. Diese hochwertige Blende ist zugleich ein optischer Sichtschutz für die dahinter verlaufenden elektrischen Leitungen und Anschlüsse. Zusätzlich sorgt diese Verblendung für eine optimierte Luftführung und -kühlung der elektrischen Komponenten. Durch die eloxierte, aluminiumartige Farbgebung erhält das Fahrzeug eine hochwertige Eleganz und Haptik. Nebenbei werden Spareffekte erzieht, denn das Bauteil muss nicht mehr zusätzlich lackiert werden. So vereint dieses Designelement sowohl funktional aerodynamische als auch optisch aufwertende Eigenschaften miteinander und macht dieses Fahrzeug dadurch unverwechselbar.

Die AeroLine wird formal über die MAN-typischen B-Säulenschwinge in einem vorwärts strebenden Knick nach unten geführt. Die dynamische Schwinge ist ein wesentliches Wiedererkennungsmerkmal der MAN-Busfamilie und darf auf dem Lion`s City Hybrid als deutliches Unterscheidungsmerkmal zum konventionellen Lion’s City nicht fehlen. Im Heckbereich läuft die Blende elegant aus und wird vom Heckspoiler begrenzt. Dieser deckt rückseitig die Sicht der auf dem Dach verteilten Komponenten ab. Sowohl die Bugkuppel, wie auch der Heckspoiler mit seiner modellierten Strömungsabrisskante, wurden durch Strömungssimulationen überprüft, optimiert und angepasst. Der Wert konnte gegenüber einem herkömmlichen Dachaufbau wie er z.B. bei Erdgasbussen verwendet wird um mehr als zehn Prozent verbessert werden bei gleichzeitig optimaler Kühlung der dachseitig montierten Aggregate.

Um den Anforderungen des Buskunden nach dynamischem Fahrzeugdesign entgegen zu kommen, sind die hinteren Radläufe in Anlehnung eines „Tram-Way-Designs“ abgedeckt. Dies verleiht dem Bus nicht nur einen straßenbahnartigen und gleitenden Eindruck wie aus einem Guss, es bietet auch eine Vielzahl von weiteren Vorteilen. So entsteht ein Wasser abweisender Spritzschutz, die Fahrzeugseiten werden nicht durch Spritzwassernebel der Hinterräder verschmutzt. Somit werden auch weniger Staub- und Schmutzpartikel in die seitlich angebrachte Motorluftansaugung angesaugt. Außerdem bietet die formschöne Verkleidung zusätzliche Werbefläche für den Betreiber, mit der zusätzliche Werbeeinnahmen für das Verkehrsunternehmen erzielt werden können.

Der Gesamtauftritt des Fahrzeugs mit seinem EfficiencyDesign verweist auf Leistungsstärke und eine eigenständige Charakteristik. Das durchgestaltete, glattflächige sowie reinigungsfreundliche Design im Interieur und Exterieur, unterstützt durch dynamische Linienführung und moderne Stilelemente, wirkt freundlich und einladend, gleichsam dynamisch und selbstbewusst.

Die Form ist nicht dabei nur Selbstzweck, sondern Antwort auf diverse Lösungsansätze der technischen Anforderungen. Trotz des hohen Qualitätsanspruchs trägt das Design- und Gestaltungskonzept zur Reduzierung der Herstellkosten bei. Diverse Verkleidungsteile des Interieurs und Exterieurs sind für eine verbesserte Wartungsfreundlichkeit leicht zu öffnen, sowie für einfache Austauschbarkeit mehrteilig. Viele Detaillösungen und die hochwertige Anmutung der Oberflächen und Materialien setzen neue Standards im Stadt- bussegment und zeigen, dass die Zeiten der eckigen, maschinenbaugeprägten Standardlinienbusgenerationen endgültig vorbei sind.

Der Eindruck der plastischen Gestaltung des äußeren Erscheinungsbildes setzt sich im Innenraum fort. Der aufgeräumt wirkende, komfortable Innenraum in den MAN-typischen, hellen Farben mit pflegeleichten Oberflächen und der Kundenwahloptionen für bestimmte Stoff- und Materialfarben, unterstreicht die attraktive Note. Die Farben der Bauteile sind aufeinander harmonisch abgestimmt und prägen ein ansprechendes Farbklima. Im Heckbereich werden alle Komponenten durch die bereits bekannten Verkleidungsteile des stehenden D08-Motorturms formschön verdeckt. Die in den bisherigen Prototypen noch angrenzend an dem Motorturm verbauten Hybridkomponenten sind in der Serie jetzt auf dem Dach integriert. Somit ist auch im Innenbereich des Fahrzeugs sicher gestellt, dass alle Baugruppen glattflächig und designorientiert verbaut sind und keine Sitzplätze mehr gegenüber der Dieselvariante verloren gehen. Abgesehen von der etwas geringeren Gesamtkapazität der Hybridvariante zeigt sich der Solobus also als vollwertiges und hoch effizientes Beförderungsmittel für die Zukunft.

MAN Lion´s City Hybrid Technologie: Effizient und emissionsarm

Der Betrieb im Öffentlichen Nahverkehr bietet ideale Bedingungen, um die Bremsenergie zu nutzen. Die bis zu 18 Tonnen schweren Solo-Fahrzeuge werden mit niedrigen mittleren Geschwindigkeiten betrieben, beschleunigen unzählige Male auf 40 bis 50 km/h, um kurz darauf bis zum Stillstand zu verzögern. Konventionelle Omnibusse wandeln ihre große kinetische Energie beim Verzögern in Wärme um, so dass diese verloren ist, während der Lion´s City Hybrid diese wieder zurückgewinnt und mit gespeicherter Bremsenergie rein elektrisch aus der Haltestelle beschleunigt. Etwa 25-40 Prozent ihrer Betriebsdauer verbringen Stadtbusse im Durchschnitt an Haltestellen, wo eine optimierte Start-Stopp-Automatik bereits teuren Kraftstoff spart. MAN setzt mit dem Lion´s City Hybrid so auf ein Gesamtpaket von Maßnahmen, das zu einer beachtlichen Ersparnis führt.

Die MAN-Experten sprechen von bis zu 30 Prozent eingespartem Kraftstoff bei deutlich reduzierten Emissionswerten. Das weisen auch die Ergebnisse von rund 70.000 Kilometern im regulären Liniendienst nach, den drei verschiedene Prototypen ohne große Probleme in Nürnberg, Paris und anderen Städten absolviert haben. Exakte Daten lieferten die Vergleichsfahrten mit konventionellen Referenz-Fahrzeugen, die über ähnliche Leistungsdaten bei gleicher Auslastung verfügten. Der MAN Lion’s City Hybrid ist auch für den Einsatz von Biokraftstoffen der 2. Generation geeignet (Biomass to Liquid BtL, Gas to Liquid, GtL), wodurch sich die bereits sehr gute CO2-Bilanz weiter verbessern lässt. Bei einer angenommenen durchschnittlichen Fahrleistung von 60.000 Kilometern im Jahr erspart der MAN Hybridbus der Umwelt rund zehn Tonnen an Treibhausgasemissionen. Da der ohnehin schon sehr effiziente, serienmäßige D08 Common Rail Motor nach dem freiwilligen EEV-Standard immer geräuscharm im optimalen Drehzahlbereich arbeitet, reduzieren sich auch die sonstigen Schadstoff- Emissionen nochmals deutlich. Gerade die Lärmemissionen beim elektrischen Anfahren liegen zumeist unter der Wahrnehmungsgrenze der Passagiere und werden dadurch als kaum noch störend empfunden.

EEV-Dieselmotor als Energiequelle für leistungsstarke Elektromotoren

Der neue Hybrid-Niederflurbus von MAN basiert auf bewährter serieller Hybrid-Technologie, die durch ihren besonders hohen Wirkungsgrad bei der Bremsenergierückgewinnung für den Stadtverkehr prädestiniert ist. Ein weitgehend serienmäßiger MAN PURE DIESEL® D0836-Sechszylinder mit 6,9 L Hubraum in EEV-Ausführung mit 184 kW / 254 PS Nennleistung und elektronisch geregeltem CRTec®-Partikelfilter liefert die Energie für den Hochleistungsgenerator, der seinerseits zwei Elektromotoren nach Industriestandard mit elektrischer Leistung versorgt. Der Sechszylinder wird überwiegend in seinem optimalen Drehzahlbereich mit reduzierter Dynamik betrieben. Die Techniker sprechen hierbei von einem „phlegmatisierten Dieselmotor“, der seinerseits zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch mit beispielhaft niedrigen Emissionen beiträgt. Darüber hinaus werden durch die Phlegmatisierung auch Belastungsspitzen von Motor und Partikelfilter vermieden, was wiederum die Gesamtlebensdauer erhöht und dem Unternehmer Kosten spart.

Die beiden fahrzeugfesten und hochdrehenden Asynchron-Fahrmotoren treiben mit je 75 kW Nennleistung über ein Summiergetriebe die Standard-Niederflur-Portalachse an – und das mit einem gewaltigen Drehmoment von insgesamt rund 3.000 Newtonmetern schon bei niedrigsten Drehzahlen. Dabei fehlen Zugkraftunterbrechungen oder Schaltrucke, die beim herkömmlichen Diesel die Regel sind, vollständig, da es keine Stufungen eines Getriebes gibt. Der Fahrer erlebt hier also eine völlig neue Dimension des Fahrgast- und Nerven schonenden Busfahrens.

Die ungefederten Massen werden durch den fahrzeugseitigen Einbau der Fahrmotoren gegenüber anderen Konzepten niedrig gehalten und die Elektromotoren von Stößen auf der Achse oder gar im Rad verschont. Diese clevere Kombination macht den Stadtbus trotz seines „kleinen“ Dieselmotors ähnlich leistungsfähig wie ein konventionelles, zehn Liter großes Dieselaggregat aus der MAN Baureihe D20 Common Rail.

Hoch entwickeltes Energiemanagement

Eines der wichtigsten Merkmale des Hybridbusses ist sein rein elektrisches und emissionsfreies Anfahren aus der Haltestelle. Technologisches Herzstück für diese Fähigkeit ist ein hoch entwickeltes Energiemanagement, das im Hause MAN selbst entwickelt wurde und ständig verbessert wird. Dieses aktiviert den Dieselmotor erst mit zunehmendem Leistungsbedarf nach durchschnittlich mehreren hundert Metern Fahrt mittels des Generators und nicht des 24 V Anlassers, also zumeist außerhalb des Haltestellenbereiches. Geringe elektrische Leistungen, die beispielsweise für die Versorgung der Nebenaggregate oder des Bordnetzes beim Stillstand des Motors gebraucht werden, können in der Regel aus dem Energiespeicher abgedeckt werden. Das Abschalten und Starten des Dieselmotors übernimmt das wiederum das MAN eigene, zukünftig auch selbstlernende Energiemanagement i-MEM ( intelligent MAN Energy Management), das unter anderem die Start-Stopp-Automatik steuert. Das System braucht durch seine intelligenten Eigenschaften nicht auf neue Streckenführung oder Fahrer eingestellt zu werden und verliert trotzdem nicht sein Einsparpotenzial.

Während der Fahrt liefert der Dieselmotor neben der benötigten Antriebsleistung je nach Ladezustand des Energiespeichers bedarfsgerechte Leistung für die elektrischen Nebenaggregate. Klimakompressor und -anlage sowie die Lenkhilfpumpe werden anders als im Dieselbus elektrisch angetrieben was den dauerhaften Einsatz des Dieselmotors entbehrlich macht.

Das i-MEM steuert darüber hinaus auch das Zusammenspiel der beiden Bordnetze, das 24 V-Netz für die „konventionelle Technik“, sowie das Hochvoltnetz für die Hybridtechnik. Die Beeinflussung der jeweiligen Energieströme erfolgt über den wassergekühlten Bordnetzladewandler und die Leistungselektronik der Nebenaggregate. Eine wirksame und aufwendige elektrische Isolierung aller wesentlichen Bauteile ist hierbei selbstverständlich. Das gesamte elektrische System wird durch einen Sekundärkühlkreislauf auf einem individuellen Temperaturniveau gehalten. Im Praxisbetrieb spüren weder Passagier noch Fahrer viel von dieser hoch entwickelten Technologie. Parallel zur Markteinführung schult MAN seine Servicemitarbeiter in den Niederlassungen, um fachgerechte Arbeiten an dieser modernen Technologie auszuführen.

Energiespeicher für ein langes Busleben: Hochleistungs-Ultracaps

Das innovative Energiespeicher-System befindet sich in einer kompakten Einheit vorgruppiert auf dem Vorderwagen. Es besteht aus sechs Modulen von Hochleistungskondensatoren, sprich Ultracaps (UC), die die anfallende Bremsenergie (Rekuperationsenergie) mit ihrer hohen Leistungsfähigkeit effizient speichern. Die Überwachung des Ultracap-Speichersystems erfolgt im Ultracap-Management.

Das Ultracap-Speichersystem mit neuester Technologie erhält seine Energie aus dem Bremsvorgang bzw. im Schubbetrieb des Fahrzeuges. Über das Bremspedal oder im Schubbetrieb angesteuert liefert das System bis zu 150 kW Leistung an den UC-Energiespeicher. Die Fahrmotoren dienen dabei als Generatoren, Ihre elektrische Funktion wird gewissermaßen umgekehrt. So wird die Bremsenergie in elektrische Energie für den nächsten Anfahrvorgang umgewandelt. Bei diesem Vorgang wird in etwa 80 Prozent der Fälle zunächst rein elektrisch angefahren, je nach Ladezustand und Auslastung des Fahrzeuges können dies mehrere hundert Meter sein. Dann entscheidet das Energiemanagement automatisch, ob der Dieselmotor zugeschaltet wird. Sollte während der Bremsungen der Speicher bereits voll sein, und keine weitere Rückspeiseenergie benötigt werden, wird ein elektrischer Bremswiderstand aktiviert, der so die Dauerbremsfunktion sicherstellt. In kritischen Fahrsituationen wird zusätzlich die serienmäßige EBS-Betriebsbremse des Lion´s City elektronisch aktiviert, sonst wird sie weitestgehend geschont.

Grundsätzlich zeichnen sich Ultracaps gegenüber anderen Energiespeichern wie Batterien oder Schwungradspeichern durch ihre besonders hohe Leistungsdichte, die extrem schnelle Leistungsaufnahme, ihre gleich bleibende Zuverlässigkeit und den hohen Wirkungsgrad aus. Im Gegensatz zu Batterien finden bei Be- und Entladung keine chemischen Umwandlungen statt – es werden lediglich elektrische Ladungen verschoben. Zusätzlich tragen das Fehlen bewegter Teile und die völlige Wartungsfreiheit zur hohen Wirtschaftlichkeit bei. Auch in der Gewichtsbilanz hat die Kondensator-Lösung die Nase vorn – der Niederflurbus spart sich das schwere Batteriepack und wiegt heute sogar weniger als ein mit Erdgas betriebener Stadtbus. Durch eine weitere Verringerung des Innenwiderstandes konnten die Speicherverluste des Ultracap-Systems drastisch reduziert und der Speicherwirkungsgrad deutlich erhöht werden. Nicht zuletzt die Verbesserung der aktiven Luftkühlung durch das EfficiencyDesign mit einer sehr effizienten Luftführung durch die neue Dachhaube bewirkt, dass die Lebensdauer der Hochleistungskondensatoren weitgehend der des Grundfahrzeugs entspricht. Dies ist einer der herausragenden Vorteile gegenüber teuren Batteriesystemen, deren Lebensdauer heute auf rund sechs Jahre geschätzt wird und mindestens einmal im Fahrzeugleben getauscht werden müssen.

Kundennutzen durch Service und Einsparungen

Im Einsatz erfreut der MAN Lion´s City Hybrid seinen Betreiber mit hohem Nutzwert. Die Fahrleistungen erfüllen trotz der großen Genügsamkeit selbst gehobene Erwartungen - kein Wunder bei bis zu 3.000 Nm Drehmoment, das beide Elektromotoren schon aus dem Stand an der Gelenkwelle bereitstellen. Im Beförderungsalltag müssen fast keinerlei Zugeständnisse hingenommen werden, der Innenraum und seine Beförderungskapazität entsprechen weitgehend dem Basisfahrzeug, es verfügt über eine identische Sitzplatzzahl und eine unwesentlich reduzierte Gesamtkapazität sowohl als zunächst lieferbarere Dreitürer als auch später in einer Zweitürer-Variante.

Der Fahrer wird durch das i-MEM Energiemanagement ständig über den Ladezustand und die Einsatzbereitschaft des Systems informiert. Der MAN eigene Fahrerarbeitsplatz und auch das zu einem späteren Zeitpunkt in der Serie verfügbare VDV Armaturenbrett zeigen im Zentraldisplay alle Daten an, die zum effizienten schonenden und sparsamen Fahren nötig sind. Dazu gehören die Ladestatusanzeigen, der derzeitige Energierückgewinnungsgrad oder generelle Diagnose-Anzeigen. Einziger Unterschied in der Hardware ist ein Notausschalter, der nach der Omnibusrichtlinie 2001/85/EG eingebaut sein muss.

Schon im Jahr 2010 geht eine Kleinserie bei ausgewählten Kunden in Betrieb, der Serienanlauf des Lion´s City Hybrid als Solobus steht im Jahr 2011 auf der Agenda. Mit dem neuen Lion’s City Hybridbus stellt die MAN Nutzfahrzeuge Gruppe erneut ihre Technologieführerschaft unter Beweis. Unter der Voraussetzung noch zu verabschiedender Förderrichtlinien und öffentlicher Unterstützung für die Hybrid-Technologie geht MAN davon aus, dass mittelfristig im Komplettbusbereich bis zu 50 Prozent der nachgefragten Stadtbusse für den innerstädtischen Einsatz mit Hybridantrieben geordert werden.

Dieselmotor MAN PURE DIESEL® Reihensechszylinder MAN D0836 LOH, links stehend im Heck eingebaut (Turmbauweise), zweistufige Turboaufladung und Ladeluftkühlung, Common-Rail-Direkteinspritzung, 4-Ventil-Technik, abgasarm nach EEV mit CRTec®-Partikelfilter.
Hubraum 6.871 cm³
Nennleistung 184 kW (254 PS) bei 2.300 U/min
Max. Drehmoment 1.050 Nm bei 1.200 – 1.750 U/min
Generator PSM-Synchrongenerator mit 145 kW Ausgangsleistung
Fahrmotoren 2 x Siemens Asynchron-Elektromotoren mit je 75 kW Nennleistung, Antrieb über ein Summiergetriebe auf die Hinterachse. Maximales Drehmoment auf die Gelenkwelle insgesamt 3.000 Nm.
Speichersystem Sechs luftgekühlte Ultracap-Module,
maximale Lade-/Entladeleistung von 200 kW,
System-Spannungsbereich von 400 bis 750 V,
Wechselrichter Wassergekühlter Pulswechselrichter in IGBT-Technik
Spezielle Nebenaggregate Elektrische Lenkhilfpumpe
DC/DC-Bordnetzladewandler (wassergekühlt)
Elektrischer Klimakompressor und Klimaanlage
Energie-management i-MEM (intelligent MAN Energy Management), MAN eigenes System zur gesamtheitlichen Optimierung der Energieströme des Fahrantriebs und der Nebenaggregate
Maße / Bereifung 11.950 x 2.500 x 3.280 mm / Ausstellungsfahrzeug: Superbreitreifen hinten;
Serie: Standard-Zwillingsbereifung
Sitz-/Stehplätze 26+1 / 48
Leer-/Zul.Ges.Gew Ca. 12.600 kg je nach Ausstattung / 18.000 kg