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Alt 10.01.2006, 12:50     #7
Albert   Albert ist offline
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2.3.3 BMW Active Hybrid: Mehr Dynamik, weniger Verbrauch.

Die BMW Group stellt auf der NAIAS 2006 eine zukunftsweisende Lösung für effiziente Dynamik vor: das Antriebskonzept BMW Active Hybrid. Es vereint neuartige Technologieentwicklungen aus den Bereichen Antrieb, Kraftübertragung und Energiespeicherung, die jetzt erstmals gemeinsam in einem Konzeptfahrzeug präsentiert werden. Diese Studie, der BMW Concept X3 EfficientDynamics, zeigt auf, wie groß das Einsparpotenzial in einem seriennahen Fahrzeug sein kann.

Außerdem gewährt sie im wahrsten Sinne des Wortes Einblick in die wichtigsten BMW Innovationen auf diesem Sektor. So geben beispielsweise transparente Schwellerleisten die Sicht auf kupferfarbene elektrische Energiespeicher frei. Sie sind ein elementarer Bestandteil des Active Hybrid Konzepts von BMW. Sie tragen wesentlich dazu bei, sowohl die Spontaneität als auch die Dynamik von Fahrzeugen zu steigern und zugleich den Verbrauch zu senken. Ermöglicht wird dies 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 auch 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 die für BMW typischen 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: Es basiert auf einer besonders effizient arbeitenden Verbrennungskraftmaschine. Sein Kernelement ist jedoch ein Aktivgetriebe, das ohne zusätzlichen Platzbedarf Elektromotor einschließlich Elektronik beherbergt. Weitere Besonderheit: Dieses Aktivgetriebe wird primär nicht von einer konventionellen Batterie, sondern von Höchstleistungskondensatoren gespeist.

Höhere Fahrleistungen, niedrigere Emissionen. Wie vorteilhaft sich das BMW Konzept auswirkt, ergeben Fahrleistungsberechnungen anhand des Technologieträgers BMW Concept X3 EfficientDynamics: Wie die in einer Computersimulation ermittelten Daten zeigen, beschleunigt das Konzeptfahrzeug deutlich schneller als ein vergleichbares Serienmodell mit konventionellem Antrieb. Das Spurtvermögen des Technologieträgers liegt rechnerisch bei etwa 6,7 Sekunden für die Beschleunigung von null auf 100 km/h, die Spitzengeschwindigkeit beträgt rund 235 km/h. Mit diesen Fahrleistungen geht eine Verminderung des Verbrauchs und der damit verbundenen Emissionen um rund 20 Prozent – bezogen auf den europäischen Fahrzyklus – einher. Das intelligente Management der Energieströme treibt so die klassischen BMW Tugenden auf eine sparsame Spitze.

Dynamische und wirtschaftliche Basismotorisierung: Sechszylinder mit strahlgeführter Direkteinspritzung.

Ermöglicht wird diese Synthese von Ökonomie, Ökologie und Fahrspaß dank einer intelligenten 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 Motoren-Generation ermöglichen wird. Die strahlgeführte Direkteinspritzung ist nicht die einzige Besonderheit: Der Sechszylinder wird der erste Motor ohne Keilriemen sein, denn 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. Beim zusätzlichen Einsatz der elektrischen Maschine lassen sich deren physikalische Eigenschaften optimal nutzen: Auch wenn rein elektrische Fahrantriebssysteme dem Verbrennungsmotor unterlegen sind, ergeben sich in der Kombination beider Technologien doch interessante Vorteile. Während der Verbrennungsmotor systembedingt erst ab einer Mindestdrehzahl Drehmoment entwickeln kann, gibt der Elektroantrieb aus dem Stillstand heraus schon sein volles Drehmoment ab. Außerdem entwickeln Elektromotoren auch bei niedrigen Leistungsauslegungen relativ hohe Drehmomente. Durch diese Charakteristik ermöglicht der Elektromotor ein direktes Beschleunigen aus dem Stand, während bei der Nutzung eines Verbrennungsmotors für das Anfahren immer eine Kupplung 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 sein Drehmoment überproportional ab.

Potente Kombination: Verbrennungsmotor mit Boost. Auf Grund der besonderen Charakteristik des Elektromotors war für die BMW Entwickler klar, dass sein relativer Gesamtnutzen bei niedrigen Drehzahlen am höchsten ist. In diesem niedrigen Drehzahlbereich liefert der Verbrennungsmotor hingegen 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.

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

Dazu 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. Zusätzlich zu seiner primären Antriebsfunktion kann der Elektromotor auch die Getriebeübersetzungen nutzen und weitere Aufgaben mit unterschiedlichen Leistungs- und Drehmomentanforderungen übernehmen. Ein Beispiel: Bei den heute üblichen Automatikgetrieben erfüllt ein hydraulischer Drehmomentwandler die Funktion der Anfahrkupplung. Diese Aufgabe kann auch der kompakten Elektromaschine übertragen werden.

Deshalb nimmt beim Aktivgetriebe der Elektromotor – eingepackt von zwei Ölbad-Kupplungen – sowohl den Platz als auch die Funktion von Drehmomentwandler und Überbrückungskupplung. Die erste Kupplung verbindet den Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor, die zweite die E Maschine mit dem Getriebe. Weil die gesamte Anordnung samt Leistungselektronik in die Getriebeglocke passt, kann sie 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 aber nur ein Teil des Fortschritts, den das Konzept BMW Active Hybrid mit sich bringt. Ein weiterer Pluspunkt steckt in der Betriebsstrategie, denn der Fahrer muss nicht erst den Verbrennungsmotor starten, sondern ein Druck aufs Gaspedal genügt, und das Fahrzeug sprintet los. Im Aktivgetriebe ist in diesem Augenblick sofort die erste Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine geöffnet, die zweite verbindet Elektromotor und Getriebe. Das Anfahren erfolgt völlig geräuschlos mit der Elektromaschine. 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. Diese intelligente Betriebsstrategie sorgt dafür, dass der gesamte Anfahr- und Beschleunigungsvorgang komfortabel und ruckfrei erfolgt.

Bis zu 600 Newtonmeter: kräftig wie ein Diesel, spontan wie ein Benziner. Die Energiestrategie des zukunftsweisenden Hybridkonzepts von BMW verbindet spontane Leistungsbereitschaft mit optimaler Energienutzung: Bremst der Fahrer bis zum Stillstand ab, wird der Verbrennungsmotor ausgeschaltet. Er verbraucht damit während der Standphase keinen Kraftstoff und verursacht keine Emissionen. Beim ersten Druck aufs Gaspedal wiederholt sich der Startvorgang in der für das Active Hybrid Konzept typischen Weise. Zunächst setzt der Elektromotor das Fahrzeug in Bewegung. Gibt der Fahrer weiter Gas, schiebt er mit einem Drehmoment von 400 Newtonmeter und einer Leistung von bis zu 60 kW kräftig an. Bei moderaten Beschleunigungen wird auf den Verbrennungsmotor verzichtet und das Fahrzeug allein vom Elektromotor angetrieben. Erst bei stärkerer Beschleunigung und höheren Geschwindigkeiten treibt der Verbrennungsmotor das Fahrzeug an.

Für einen schnellen Start aus dem Stand wird gleichzeitig der Verbrennungsmotor gestartet. Im niedrigen Drehzahlbereich überlagern sich damit die Drehmomente der beiden Maschinen und erreichen unterhalb von 1500 Touren gemeinsam einen Wert von bis zu 600 Newtonmeter. Damit erschließt sich eine neue Dimension für einen Benzinmotor, denn mit diesen Werten wird sogar die Kraftentfaltung des Dreiliter-Dieselmotors von BMW übertroffen. Bis in den Bereich von etwa 3 000 min–1 unterstützt der Elektromotor die Verbrennungsmaschine, beim Überschreiten dieses Drehzahlwertes 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 immer dann, wenn der Verbrennungsmotor mit niedrigen Drehzahlen läuft, als zusätzliche Kraftspritze eingesetzt werden. Durch eine exakt gesteuerte Aktivierung der 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 einen deutlichen Boost-Effekt zu erzielen und gleichzeitig signifikant Kraftstoff zu sparen.

Dynamik pur: schnell beschleunigen, schnell laden. Die 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 in Brems- und Schubphasen auf Generatorbetrieb umgeschaltet. Auch beim Ladevorgang wird der integrative Charakter des Active Hybrid Konzepts wirksam. Der Generator lädt nicht nur die Hochvolt-Energiespeicher nach, 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, als elektrische Energie zurückzugewinnen.

Einzigartig: voller Stromspeicher – bei jedem Tritt aufs Bremspedal. In der Praxis zeigen sich die Vorteile des Active Hybrid Konzepts besonders deutlich in ganz alltäglichen Verkehrssituationen. 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. So geht deutlich weniger Energie verloren als bei konventionellen Antriebssystemen. Gerade in Fahrsituationen mit starken Lastwechseln steigt der Verbrauch eines Verbrennungsmotors dagegen stets besonders stark an. Der BMW Active Hybrid bietet dem Fahrer also gleich zwei Vorteile: noch mehr Dynamik bei gleichzeitig deutlich weniger Verbrauch. Zusätzlich kann der Energiespeicher bei Bedarf durch den Verbrennungsmotor nachgeladen werden. Die Regelstrategie des BMW Active Hybrid ist darauf ausgelegt, nie mehr elektrische Energie abzugeben, als auch im ungünstigsten Fall innerhalb kürzester Zeit wieder nachgeladen werden kann. Der Fahrer erlebt daher im realen Betrieb nie einen Leistungsverlust als Folge eines leeren elektrischen Speichers. Der BMW Active Hybrid fährt sich also unter allen Bedingungen gleich.

Optimale Energiespeicher für dynamische Fahrzeuge: Super Caps. Herkömmliche Akkumulatoren sind für das Einsatzprofil des BMW Active Hybrid, das von einer hohen Dynamik mit schnellen Lade- und Entladezeiten geprägt ist, 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 deutlich im Vorteil. Ihre spezifische Leistungsdichte liegt bei rund 15 kW/kg. Eine Nickel/ Metallhydrid-Batterie bringt es dagegen lediglich auf etwa 1,3 kW/kg. Und das ist keineswegs nur ein theoretischer Unterschied, denn auch im fahrzeugspezifischen Einsatz bleibt dieses Verhältnis erhalten: Unter realen Betriebsbedingungen liegt die Leistungsdichte von Doppelschichtkondensatoren bei mehr als 5 kW/kg, Batterien erreichen hingegen in der Praxis nicht einmal 0,5 kW/kg. Dieses Verhältnis wirkt sich auch auf das Leistungspotenzial von Doppelschichtkondensatoren aus. So summiert sich der Wirkungsgrad von Super Caps 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: Kupferrote Röhren sind in die transparenten Seitenschweller 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 Demonstrationsfahrzeug BMW Concept X3 EfficientDynamics eingesetzten Super Caps messen rund 50 Millimeter im Durchmesser und haben eine Gesamtkapazität von 190 Kilowatt.

Minimaler Innenwiderstand: verlustfreier Wechsel zwischen Laden und Entladen. Trotz klarer Vorteile im Vergleich von Leistungsdichte und Wirkungsgrad weisen Kondensatoren gegenüber elektrochemischen Batterien auf den ersten Blick zumindest einen Nachteil auf: ihre deutlich niedrigere Energiedichte. Dieser Minuspunkt ist jedoch nur theoretisch gegeben, da die verfügbare Energiedichte elektrochemischer Batterien heute mit Blick auf ihre Lebensdauer nur zu einem Bruchteil genutzt wird. Rund 5 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) bei NiMH-Batterien stehen etwa 4 Wh/kg bei Super Caps gegenüber. Ein weiterer Grund: Batterien haben einen hohen Innenwiderstand, der bei fortgeschrittener Entladung dramatisch ansteigt. Ein hoher Innenwiderstand bedeutet hohe Energieverluste beim Aufladen. Beim Einsatz herkömmlicher Batterien in einem Hybrid-Antriebssystem geht daher ein großer Teil der beim Bremsen zurückgewonnenen Energie 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 Einsatz im Stop-and-Go-Verkehr. Die Gesamtkapazität der Super Caps von 190 Kilowatt 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. Ingenieure der BMW Group arbeiten bereits seit Anfang der 90er-Jahre an der Entwicklung eines leistungsstarken und alltagstauglichen Hybridantriebs. Insbesondere wurde die Entwicklung einer fahrzeugtauglichen, scheibenförmigen Elektromaschine vorangetrieben, wie sie jetzt im Konzeptfahrzeug BMW Concept X3 EfficientDynamics eingesetzt ist. Auch das Aktivgetriebe des Konzeptfahrzeugs basiert auf einer langfristigen Entwicklungsarbeit. Bereits 1991 meldete BMW ein „Elektrisches Getriebe“ zum Patent an. Damit war die Richtung vorgegeben, bis zu einer alltagstauglichen Version dieses Getriebes sollte es jedoch noch ein langer Weg sein. Verschiedene Prototypen wurden schon in den 90er-Jahren gebaut, auf Grund des hohen Gewichts der Batterien und elektrischen Antriebskomponenten konnten die anspruchsvollen Anforderungen, die BMW an marktfähige Fahrzeugkonzepte stellt, lange Zeit jedoch nicht ausreichend erfüllt werden. Umso bedeutsamer ist die Demonstration des technisch Machbaren im BMW Concept X3 EfficientDynamics. Mit diesem Fahrzeug stellt BMW eindrucksvoll unter Beweis, wie die Kombination unterschiedlicher Innovationen zur Verbrauchsreduzierung zu einer auch im Alltagsbetrieb wirksamen Lösung führen kann. Zu einer attraktiven – und damit in hohem Maße marktfähigen – Zukunftsversion wird der BMW Concept X3 EfficientDynamics jedoch vor allem dank der Tatsache, dass er höchste Wirtschaftlichkeit mit gesteigerter Freude am Fahren verbindet.
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