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Beim intelligenten Zusammenspiel des Dreiliter-V6-Kompressormotors und der Elektromaschine steht im Cayenne S Hybrid die größtmögliche Effizienz des Gesamtsystems im Vordergrund. Je nach Fahrsituation wird dieses Ziel erreicht, wenn nur einer der beiden Antriebe arbeitet oder beide gemeinsam. Dabei ist die 34 kW (47 PS) leistende Elektromaschine der ideale Partner für den 333 PS starken Kompressormotor und dessen hohen Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Zusammen liefern beide eine maximale Systemleistung von 380 PS und ein maximales Drehmoment von 580 Nm bereits bei 1.000/min und damit Fahrleistungen auf dem Niveau des Cayenne S mit V8-Triebwerk.

Verbunden sind beide Aggregate über eine vom so genannten Hybridmanager gesteuerte Trennkupplung. Erst diese Trennkupplung ermöglicht es, dass der Cayenne S Hybrid entweder vom Elektro- oder Verbrennungsmotor alleine, oder von beiden Motoren gemeinsam betrieben werden kann. Bei moderater Fahrweise können so – beispielsweise in Wohngebieten – kurze Strecken rein elektrisch und damit emissionsfrei sowie nahezu geräuscharm gefahren werden, wobei maximal sogar ein Tempo von 60 km/h erreicht werden kann. Für sportliche Beschleunigung beim Anfahren kann der Elektromotor aber mit dem so genannten Boosten auch zusätzlichen Schub liefern.

Die intelligente Steuerung der Trennkupplung sorgt dafür, dass die Übergänge zwischen den hybridspezifischen Fahrmodi für den Fahrer unauffällig, komfortabel und schnell erfolgen. Sie ermöglicht aber auch, dass der Verbrennungsmotor bei Geschwindigkeiten von bis zu 156 km/h komplett abgeschaltet und vom Antriebsstrang abgekoppelt werden kann, wenn keine Antriebsleistung benötigt wird. In diesem so genannten Segel-Modus, einem antriebslosen Gleiten, wird das Motorschleppmoment des Verbrennungsmotors mit seiner starken Bremswirkung eliminiert, was die Fahrwiderstände und damit den Verbrauch verringert.