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Alt 17.10.2005, 11:48     #8
Albert   Albert ist offline
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CE-
2.4.3 BMW Active Hybrid.

Die BMW Group stellt mit dem Antriebskonzept BMW Active Hybrid auf der 39. Tokyo Motor Show 2005 eine zukunftsweisende Lösung für effiziente Dynamik auf Basis eines Konzeptfahrzeugs vor. Der BMW Concept X3 EfficientDynamics veranschaulicht intelligente Technologielösungen auf Grundlage von Antriebs-, Getriebe- und Energiespeicher-Komponenten. So geben beispielsweise transparente Schwellerleisten die Sicht auf kupferfarbene elektrische Energiespeicher frei. Sie sind Bestandteil des BMW Active Hybrid Konzeptes. Es steigert sowohl die Spontaneität als auch die Dynamik von Fahrzeugen bei geringerem Verbrauch durch die Rückgewinnung von Energie, die einen zusätzlichen elektrischen Antrieb versorgt.

Der BMW Concept X3 EfficientDynamics ist ein Technologieträger, der eindrucksvoll aufzeigt, wie Freude am Fahren mit hoher Dynamik und geringem Verbrauch zukünftig möglich sein kann.

Energiemanagement à la BMW: viel Dynamik bei bester Kraftstoffnutzung.

Unter Hybridisierung versteht die BMW Group das intelligente Management von Energieströmen im Fahrzeug. Ein Hybridkonzept muss BMW typische Eigenschaften wie Dynamik bei bester Kraftstoffnutzung erfüllen, für alle Einsatzbedingungen geeignet sein und für eine möglichst breite Nutzung in der Modellpalette zur Verfügung stehen. Dieser Philosophie folgt die Technologie des BMW Concept X3 EfficientDynamics, die sich von den derzeit realisierten und konzipierten Hybridsystemen deutlich unterscheidet: Kernelement ist basierend auf der Nutzung der effizientesten Verbrennungskraftmaschine das Aktivgetriebe, das ohne zusätzlichen Platzbedarf Elektromotor einschließlich Elektronik beherbergt, und das primär nicht von einer konventionellen Batterie, sondern von Höchstleistungskondensatoren gespeist wird.

Höhere Fahrleistungen, niedrigere Emissionen.

Wie vorteilhaft sich das BMW Konzept für den Fahrer auswirkt, ergeben Fahrleistungsberechnungen anhand des Technologieträgers BMW Concept X3 EfficientDynamics: Nach diesen beschleunigt das Fahrzeug deutlich schneller als ein vergleichbares Serienfahrzeug mit konventionellem Antrieb. Das Spurtvermögen des Technologieträgers liegt rechnerisch bei etwa 6,7 Sekunden von Null auf Tempo 100 bei einer Spitzengeschwindigkeit von rund 235 km/h. Mit diesen Fahrleistungen geht eine Verminderung des Verbrauchs und der damit verbundenen Emissionen im europäischen Fahrzyklus um rund 20 Prozent einher. Das intelligente Management der Energieströme treibt so die klassischen BMW Tugenden auf eine sparsame Spitze.

Dynamische und wirtschaftliche Basismotorisierung: Sechszylinder mit strahlgeführter Direkteinspritzung.

Verantwortlich für diese Synthese von Ökonomie, Ökologie und Fahrspaß ist die intelligente Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor. Als überwiegende Kraftquelle dient traditionell ein BMW Reihensechszylinder in seiner fortschrittlichsten Ausführung: ein Benzinmotor mit High Precision Injection, einer strahlgeführten Direkteinspritzung, die einen deutlichen Effizienzsprung bei höheren Drehmoment- und Nennleistungswerten gegenüber der aktuellen Generation ermöglichen wird. Die strahlgeführte Direkteinspritzung ist nicht die einzige Besonderheit: Der Sechszylinder wird der erste Motor ohne Keilriemen sein. Nebenaggregate wie Lenkhilfepumpe, Bremsservo und Klimakompressor werden von eigenen Elektromotoren angetrieben. Die Aufgabe des Generators übernimmt die Elektromaschine des Aktivgetriebes.

Vorteil des Elektromotors: hohes Drehmoment ab Stillstand.

Der zusätzliche Einsatz der elektrischen Maschine nutzt deren physikalische Vorteile: Auch wenn rein elektrische Fahrantriebssysteme den verbrennungsmotorischen Antrieben unterlegen sind, zeigt der Elektromotor in Verbindung mit der Verbrennungskraftmaschine dennoch interessante Eigenschaften. Während der Verbrennungsmotor systembedingt erst ab einer Mindestdrehzahl Drehmoment entwickeln kann, gibt der Elektromotor aus dem Stillstand heraus schon sein volles Drehmoment ab. Außerdem haben Elektromotoren auch bei niedrigen Leistungsauslegungen relativ hohe Drehmomente. Durch diese Charakteristik ermöglicht der Elektromotor als Fahrantrieb ein direktes Anfahren, während mit dem Verbrennungsmotor für das Anfahren immer eine Kupplung zur Überbrückung der Drehzahlunterschiede zum zunächst stehenden Rad benötigt wird.

Mit der Erhöhung der Drehzahl steigt die Leistung bei beiden Antriebsarten annähernd linear. Allerdings verlangt der Elektromotor mit steigender Leistung auch einen entsprechend größeren Energiespeicher – das Gewicht der Batterien oder Brennstoffzellen erreicht hier aber schnell die Grenzen des Sinnvollen. Sobald der Elektromotor beim Beschleunigen die maximale Leistung erreicht hat, nimmt das Drehmoment des Elektromotors überproportional ab.

Potente Kombination: Verbrennungsmotor mit Boost.

Für die BMW Entwickler war deshalb von vornherein klar: Der relative Gesamtnutzen eines Elektromotors ist bei niedrigen Drehzahlen am höchsten. In diesem niedrigen Drehzahlbereich liefert der Verbrennungsmotor nur einen Teil seines vollen Drehmomentes. Die Konsequenz: Anstelle aufwändiger Drehmoment-Maßnahmen am Verbrennungsmotor entwickelten die BMW Ingenieure ein Konzept, bei dem ein Elektromotor zum Boosten des Antriebsmomentes dient. Mit anderen Worten: voller Schub direkt aus dem „Drehzahlkeller“.

BMW Know-how pur: Aktivgetriebe.

Die BMW Entwickler untersuchten eine Vielzahl möglicher Kombinationen von Elektro- und Verbrennungsmotor für einen gemeinsamen Fahrantrieb und fanden eine BMW adäquate Lösung: das Aktivgetriebe des BMW Concept X3 EfficientDynamics. Es beherbergt im Gehäuse des serienmäßigen Automatikgetriebes die sechs Fahrstufen, den Elektromotor nebst zwei Kupplungen und die komplette Steuer- und Leistungselektronik. Damit ist es den BMW Entwicklern gelungen, ein Konzept zu entwickeln, das im Bauraum des hydraulischen Drehmomentwandlers und der Überbrückungskupplung den kompletten Zusatzantrieb packageneutral unterbringt.

Um dies zu erreichen, entwickelten die BMW Ingenieure eine extrem kompakte, gewichtsoptimierte Elektromaschine am Getriebeeingang. Der auf 30 kW ausgelegte Elektromotor hat den Vorteil, ohne Mehraufwand für kurze Zeiten eine Spitzenleistung von bis zu 60 kW abgeben zu können. Eine Eigenschaft, die dem Einsatz als Boost sehr entgegen kommt und gleichzeitig kompakte Abmessungen erlaubt. Die Synchron-Elektromaschine arbeitet mit einer Betriebsspannung von 100 bis 200 Volt. Dies entspricht dem Systemspannungsband der integrierten Leistungselektronik.

Elektromotor mit zwei Kupplungen ersetzt Drehmomentwandler.

Obendrein hat die Anordnung im direkten Kraftfluss zwischen Motor und Getriebe einen großen Vorteil: Der Elektromotor kann einerseits ebenfalls die Getriebeübersetzungen nutzen und andererseits eine ganze Reihe von Antriebsfunktionen mit unterschiedlichen Leistungs- und Drehmomentanforderungen übernehmen. Ein Beispiel: Bei den heute üblichen Automatikgetrieben übernimmt ein hydraulischer Drehmomentwandler die Aufgabe der Anfahrkupplung. Auf den ersten Metern erzeugt der Wandler dabei eine Drehmomentüberhöhung, die – vereinfacht gesagt – mehr Kraft an die Räder leitet, als der Motor eigentlich liefert. Genau diesen Effekt kann auch die kompakte Elektromaschine erzeugen.

Platz und Funktion von Drehmomentwandler und Überbrückungskupplung übernimmt beim Aktivgetriebe deshalb der Elektromotor, eingepackt von zwei Ölbad-Kupplungen: Der erste Reibscheibensatz verbindet den Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor, der zweite die E-Maschine mit dem Getriebe. Das Ziel: Das gesamte Arrangement – einschließlich Leistungselektronik – passt in Länge und Durchmesser in die Getriebeglocke und kann damit an Stelle eines konventionellen BMW Automatikgetriebes eingebaut werden. Diese kompakte Bauform macht das BMW Aktivgetriebe einzigartig in der weltweiten Entwicklung von Hybridantrieben.

Geballte Energieladung: elektrisch Starten, mit dem Sechszylinder beschleunigen.

Die integrierte Hardware ist freilich nur die eine Hälfte des Konzeptes BMW Active Hybrid. Die andere steckt in dem ausgeklügelten Know-how der Betriebsstrategie. So muss der Fahrer nicht erst den Verbrennungsmotor starten, ein Druck aufs Gaspedal genügt, und das Fahrzeug sprintet los. Im Aktivgetriebe ist jetzt die erste Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine geöffnet, die zweite verbindet dagegen Elektromotor und Getriebe. Das Anfahren erfolgt mit der Elektromaschine – völlig geräuschlos. Sobald das Auto in Bewegung ist, schließt sich sanft die erste Kupplung und der Verbrennungsmotor springt an. Der Elektromotor übernimmt in diesem Moment gleichzeitig die Aufgabe des Anlassers für den Verbrennungsmotor. Die intelligente Betriebsstrategie sorgt dafür, dass dies komfortabel und ruckfrei erfolgt.

Bis zu 600 Newtonmeter: kräftig wie ein Diesel, spontan wie ein Benziner.

Die Energiestrategie des zukunftsweisenden BMW Hybridkonzeptes verbindet damit spontane Leistungsbereitschaft mit optimaler Energienutzung: Bremst der Fahrer bis zum Stillstand ab, wird der Verbrennungsmotor ausgeschaltet. Er verbraucht damit keinen Kraftstoff und verursacht keine Emissionen. Beim ersten Druck aufs Gaspedal wiederholt sich der Startvorgang. Gibt der Fahrer weiter Gas, schiebt zunächst der 400 Newtonmeter starke Elektromotor mit einer Spitzenleistung von bis zu 60 kW kräftig an. Bei moderaten Beschleunigungen wird auf den Verbrennungsmotorbetrieb verzichtet und das Fahrzeug allein vom Elektromotor angetrieben. Erst bei höheren Beschleunigungen oder Fahrgeschwindigkeiten treibt der Verbrennungsmotor das Fahrzeug an.

Für einen schnellen Start ab Stand wird gleichzeitig der Verbrennungsmotor gestartet. Im niedrigen Drehzahlbereich überlagern sich damit die Drehmomente der beiden Maschinen und erreichen unterhalb von 1500 Touren bis zu 600 Newtonmeter. Eine neue Dimension für einen Benzinmotor, denn das übertrifft sogar die Kraftentfaltung des BMW Dreiliter-Dieselmotors.

Bis etwa 3 000/min–1 unterstützt der Elektromotor die Verbrennungsmaschine, dann wird er – abhängig von der Fahrdynamik – entweder stromlos oder auf Ladefunktion geschaltet.

Mehr Kraft in allen sechs Gängen.


Das Konzept des Aktivgetriebes spielt seine Vorteile aber nicht nur beim Anfahren aus. Da der Elektromotor vor dem Getriebe angeordnet ist, kann er jedes Mal, wenn der Verbrennungsmotor mit niedrigen Drehzahlen läuft, als Kraftspritze eingesetzt werden – also in jeder der sechs Fahrstufen des Automatikgetriebes. Durch eine geschickte Aufteilung des Fahrerwunsches auf die beiden Antriebsmaschinen ist sichergestellt, dass die elektromotorische Zusatzleistung auch im normalen Fahrbetrieb ähnlich wie beim Anfahren immer nur für sehr kurze Zeiten wirkt. Rund drei Sekunden – so haben die BMW Entwickler ermittelt – genügen in der überwiegenden Mehrzahl der Lastfälle, um einerseits einen deutlichen Boost-Effekt zu erzielen und dabei andererseits signifikant Kraftstoff einzusparen.

Dynamik pur: schnell beschleunigen, schnell laden.

Diese generell kurzen elektromotorischen Betriebsphasen haben einen weiteren Vorteil: Die Energiemengen, die der elektrische Speicher bereitstellen muss, sind entsprechend klein. Und sie werden unmittelbar nach der Entnahme, noch vor dem nächsten Bedarfsfall, in den Energiespeicher nachgeladen. Dazu wird der Elektromotor vorrangig in Brems- und Schubphasen auf Generatorbetrieb umgeschaltet. Selbstverständlich werden dabei nicht nur die Hochvolt-Energiespeicher geladen, sondern über einen Umwandler auch die konventionelle 12 Volt Bordbatterie. Um Schleppverluste zu vermeiden, öffnet bei diesem Vorgang die Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und E-Maschine. Damit ist das Aktivgetriebe in der Lage, kinetische Energie, die bei konventionellen Fahrzeugen in Wärme umgesetzt wird und verloren geht, blitzschnell als elektrische Energie zurückzugewinnen. Die Fachleute nennen diesen Vorgang Rekuperation.

Einzigartig: voller Stromspeicher – bei jedem Tritt aufs Bremspedal.

Ein Beispiel: Tritt der Fahrer im Stop-and-Go-Verkehr in der Beschleunigungsphase aufs Gaspedal, entleeren sich zwar die elektrischen Speicher; beim anschließenden Verzögern werden sie jedoch ebenso schnell wieder nachgeladen. Gerade in solchen dynamischen Fahrsituationen mit starken Lastwechseln steigt der Verbrauch eines Verbrennungsmotors stark an. Der BMW Active Hybrid bietet dem Fahrer insbesondere hier also gleich zwei Vorteile: noch mehr Dynamik bei gleichzeitig deutlich weniger Verbrauch.

Zusätzlich kann der Energiespeicher bei Bedarf durch verbrennungsmotorische Lastpunkterhöhung nachgeladen werden. Die Regelstrategie des BMW Active Hybrid ist konsequent darauf ausgelegt, nie mehr elektrische Energie abzugeben, als auch im ungünstigsten Fall innerhalb kürzester Zeit wieder nachgeladen werden kann. Der Fahrer erlebt also im realen Betrieb nie einen Leistungsverlust als Folge eines leeren elektrischen Speichers. Er kann sich darauf verlassen: Der BMW Active Hybrid fährt sich unter allen Bedingungen gleich.

Optimale Energiespeicher für dynamische Fahrzeuge: Super Caps.


Wenn von elektrischen Energiespeichern die Rede ist, denkt man zunächst unwillkürlich an Batterien. Akkumulatoren sind für das Einsatzprofil des BMW Active Hybrid, das von einer hohen Dynamik mit schnellen Lade- und Entladezeiten geprägt ist, jedoch denkbar ungeeignet. Vielmehr erfordert diese Betriebsweise die Verwendung von Energiespeichern mit höchster Leistungsdichte. Für diese Anwendung sind Doppelschichtkondensatoren, auch Super Caps genannt, im Vergleich zu elektrochemischen Batterien unschlagbar. Ihre spezifische Leistungsdichte liegt bei rund 15 Kilowatt pro Kilogramm Gewicht. Eine Nickel/Metallhydrid-Batterie bringt es auf etwa 1,3 kW/kg. Die Super Caps übertreffen die Akkumulatoren in dieser Disziplin damit um mehr als den Faktor zehn. Im fahrzeugspezifischen Einsatz bleibt dieses Verhältnis erhalten: Hier liegen Super Caps bei über fünf kW/kg, Batterien erreichen nicht einmal 0,5 kW/kg. So summiert sich der Wirkungsgrad von Doppelschichtkondensatoren bei gleichen Werten von Gewicht, Spannung und Entnahmeleistung auf 98 Prozent, NiMH-Batterien erreichen 84 Prozent.

Volle Breitseite: kupferrote Super Caps in den Schwellern.

Beim BMW Concept X3 EfficientDynamics sind die Super Caps nicht zu übersehen: Kupferrot leuchtende Röhren sind in transparenten Seitenschwellern integriert. Dieser Einbauort ist hinsichtlich der Quer- und Hochdynamik des Fahrzeugs sowie unter Raumgesichtspunkten optimal. Gemeinsam mit dem Aktivgetriebe bilden sie die Kernelemente des Konzeptfahrzeuges. Super Caps können ohne nennenswerte Verluste sehr viel elektrische Energie in Sekundenbruchteilen aufnehmen und genauso schnell wieder abgeben. Bisher wurden sie vor allem in Windkraftanlagen als wartungsfreie Energiespeicher mit unbegrenzter Lebensdauer eingesetzt. Die im X3 Demonstrationsfahrzeug eingesetzten Super Caps messen rund 50 Millimeter im Durchmesser und haben eine Gesamtkapazität von 190 kW.

Minimaler Innenwiderstand: verlustloser Wechsel zwischen Laden und Entladen.

Der einzige Nachteil der Kondensatoren gegenüber elektrochemischen Batterien ist die deutlich niedrigere Energiedichte. Dieser Nachteil ist jedoch nur theoretisch gegeben, da die verfügbare Energiedichte elektrochemischer Batterien heute üblicherweise mit Blick auf die Lebensdauer nur zu einem Bruchteil genutzt wird. Rund fünf Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) bei NiMH-Batterien stehen hier etwa vier Wh/kg bei Super Caps gegenüber. Ein weiterer Grund: Batterien haben einen hohen Innenwiderstand, der bei fortgeschrittener Entladung noch dramatisch ansteigt. Ein hoher Innenwiderstand bedeutet hohe Energieverluste beim Aufladen, ein großer Teil der beim Bremsen zurückgewonnenen Energie geht damit verloren und der Ladevorgang dauert länger. Der Innenwiderstand von Super Caps liegt dagegen praktisch bei Null, völlig unabhängig vom Ladezustand. In der Praxis bedeutet das, dass der Zyklus von Laden und Entladen beliebig oft und in kürzester Zeit wiederholt werden kann. Damit bieten die Super Caps optimale Voraussetzungen beispielsweise für den bereits beschriebenen Einsatz im Stop- and-Go-Verkehr.

Die Gesamtkapazität der Super Caps von 190 kW reicht auch für den Einsatz in einem sehr dynamisch bewegten Fahrzeug aus. Der Fahrer kann das Fahrzeug auch rein elektrisch bewegen, zum Beispiel zum Einparken oder Rangieren. Die Super Caps liefern dafür ausreichend Energie.

BMW Hybridfahrzeuge: 15 Jahre Forschung und Entwicklung.

Die BMW Group arbeitet bereits seit Anfang der neunziger Jahre am Hybridantrieb. Insbesondere wurde die Entwicklung einer fahrzeugtauglichen, scheibenförmigen Elektromaschine vorangetrieben, wie sie jetzt im Konzeptfahrzeug eingesetzt ist. Bereits 1991 meldete BMW ein „Elektrisches Getriebe“ zum Patent an. Verschiedene Prototypen wurden gebaut, durch das hohe Gewicht von Batterien und elektrischen Antriebskomponenten konnten die anspruchsvollen BMW Anforderungen an marktfähige Fahrzeugkonzepte jedoch nicht ausreichend erfüllt werden.
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