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Alt 05.07.2010, 11:15     #5
Martin   Martin ist offline
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E89

BL-
Reichweitenerhöhende Maßnahmen.

Die zentrale Frage bleibt dennoch: Wie lässt sich die Reichweite weiter steigern? Eine Möglichkeit wäre, die Batteriekapazität zu erhöhen. Durch die größere Batterie würde das Fahrzeug aber auch schwerer, was die Reichweite gleichzeitig wieder einschränkt. Entsprechend lässt sich die Batterie nicht beliebig vergrößern, da das Mehrgewicht der Batterie ab einem gewissen Punkt die gewonnene Reichweite wieder zunichte machen würde. Folglich versuchen die Ingenieure der BMW Group, die zur Verfügung stehende Batteriekapazität bestmöglich auszureizen. Die wichtigste Maßnahme dafür ist, das Fahrzeuggewicht durch konsequenten Leichtbau und intelligenten Materialeinsatz so niedrig wie möglich zu halten (s. auch Kap. 4). Zudem werden die Batterien möglichst weit entladen. Der Nutzbereich der Batteriezellen der BMW Group liegt zwischen 400 und 250 Volt, was ungefähr 85 % der vorhandenen Batterieenergie entspricht. Eine noch weitere Entladung ist nicht möglich, weil sonst durch die so genannte Tiefentladung chemisch-physikalische Prozesse einsetzen, die die Batteriezellen irreparabel schädigen würden.

„Wir geizen mit jeder Kilowattstunde, die wir aus der Batterie ziehen. Wir wollen den Betrieb so effizient wie nur irgend möglich gestalten.“ (Patrick Müller)

Neben dem Antrieb benötigen aber auch Funktionen wie Licht, Klimatisierung oder Infotainment Energie. Während diese Nebenverbraucher bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor kaum ins Gewicht fallen, machen sie sich bei einem E-Fahrzeug in der Reichweite durchaus bemerkbar. So benötigt ein Fahrzeug im Stadtbetrieb durchschnittlich nur ca. 2,5 kW für die Fortbewegung, die Klimaanlage dagegen kann im Volllastbetrieb bis zu 5 kW fordern. Daher versucht man, durch intelligente Laderegelungen und effiziente Betriebsstrategien den Energieverbrauch so weit wie möglich zu reduzieren. So kann das Fahrzeug während des Ladens bereits klimatisiert werden und die Batteriekapazität steht während der Fahrt fast ausschließlich für die Fortbewegung zur Verfügung. Ein angenehmer Nebeneffekt der intelligenten Ladestrategie ist außerdem der Komfort, im Sommer wie im Winter in ein bereits angenehm temperiertes Fahrzeug einsteigen zu können. Mittel zur Reichweitenerhöhung während der Fahrt wären die Abschaltung nicht benötigter Verbraucher oder die Möglichkeit, das Fahrzeug gezielt „segeln“ zu lassen. Hier nutzt man die Eigendynamik des Fahrzeugs und lässt es rollen, ohne den Motor für die Fortbewegung zu nutzen. Langfristig sehen die Entwickler die Zukunft jedoch in der Weiterentwicklung der Energiespeicher hin zu einer höheren Energiedichte.


Range Extender – kleiner Motor, große Reichweite.

Eine besondere Maßnahme zur Erhöhung der Reichweite stellt der so genannte „Range Extender“ dar. Hier erzeugt ein Verbrennungsmotor Strom über einen Generator, um die Batterie während der Fahrt zu laden beziehungsweise sie auf einem konstanten Ladelevel zu halten. Damit ließe sich eine beträchtliche Zusatzreichweite darstellen. Da bereits eine vollwertige E-Maschine an Bord ist, kann dieser Verbrennungsmotor relativ klein ausfallen. Untersuchungen zeigen, dass im Mittel eine Leistung von 20 bis 30 kW für den normalen Fahrbetrieb absolut ausreichend ist. In dieser Größenordnung stellt der Range Extender genügend Energie zur Verfügung, um das gewünschte Fahrprofil beibehalten zu können, ohne dabei unnötig viel Kraftstoff zu verbrauchen. Durch die kompakt gebauten elektrischen Antriebskomponenten und neue Fahrzeugarchitekturen ließe sich der Range Extender leicht integrieren.

Als kurzfristige Lösung zur Reichweitenerhöhung durchaus denkbar, stellt der Range Extender für die BMW Group jedoch nur eine Kompromisslösung dar. Langfristig setzen die Entwickler der BMW Group klar auf die Weiterentwicklung der Batterietechnik. Zwar ist der Energiespeicher durch Eigenschaften wie die geringe Energiedichte und der daraus resultierenden niedrigeren Reichweite bei relativ hohem Gewicht momentan noch der begrenzende Faktor der E-Mobilität. Da die automobile Energiespeichertechnologie jedoch zunehmend an Fahrt aufnimmt, sind hier weitere Entwicklungssprünge zu erwarten.

„Es ist auch davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren weitere Technologiesprünge stattfinden. Bald werden größere Reichweiten bei kleineren und leichteren Batterien möglich. Wir stehen hier mitten in einer Entwicklung, da steckt noch viel Potenzial drin.“ (Patrick Müller)



Neue Karosseriekonzepte für die Herausforderungen einer neuen Mobilität.

Ein Fahrzeug elektrisch zu betreiben, bedeutet nicht nur, den Verbrennungsmotor durch einen E-Antrieb zu ersetzen. Die Elektrifizierung eines Fahrzeugs geht mit aufwändigen Überarbeitungen in der gesamten Karosserie einher, da die elektrischen Antriebskomponenten völlig neue Anforderungen an die Bauräume in einem Fahrzeug stellen. Die Entwicklungsarbeit an den Projekten MINI E und BMW Concept ActiveE zeigte schnell, dass Conversion Cars – also Fahrzeuge, die für den Betrieb mit Verbrennungsmotor konzipiert und auf E-Betrieb umgerüstet werden – keine langfristig optimale Lösung für die Anforderungen der E-Mobilität ermöglichen. So wichtig diese Fahrzeuge zur Sammlung von Erkenntnissen über Nutzung und Betrieb von Elektrofahrzeugen waren und sind, die Integration eines E-Antriebs in eine prinzipfremde Fahrzeugumgebung schöpft das Potenzial der E-Mobilität nicht optimal aus. Conversion Cars sind vergleichsweise schwer und die Unterbringung der schweren und großen Batteriemodule sowie der speziellen Antriebselektronik gestaltet sich aufwändig, da die baulichen Gegebenheiten in den Fahrzeugen auf ganz anderen Voraussetzungen basieren.

Es galt also, ein neues Karosseriekonzept zu entwickeln, das sämtliche technischen Besonderheiten eines E-Antriebs gezielt adressiert und darüber hinaus alle sicherheitsrelevanten Anforderungen optimal erfüllt. Doch wie sieht eine sinnvolle und funktionale Karosseriekonstruktion für ein Elektrofahrzeug aus?



Leichtbau bei Elektrofahrzeugen.

Eine Karosserie muss heute nicht mehr nur stabil, sondern vor allem auch leicht sein. Gerade bei einem Fahrzeug mit Elektroantrieb ist Leichtbau von großer Bedeutung, denn neben der Batteriekapazität ist das Fahrzeuggewicht der limitierende Faktor bei der Reichweite. Je leichter ein Fahrzeug ist, desto größer wird die Reichweite – allein weil der E-Antrieb weniger Masse in Bewegung bringen und halten muss. Gerade beim Beschleunigen macht sich jedes Kilogramm zu viel deutlich in einer geringeren Reichweite bemerkbar. Und in der Stadt, dem hauptsächlichen Einsatzgebiet eines E-Fahrzeugs, muss aufgrund des hohen Verkehrsaufkommens sehr oft beschleunigt werden.

Neben höherer Reichweite bedeutet ein niedrigeres Fahrzeuggewicht außerdem spürbar bessere Fahrleistungen. Denn ein leichtes Fahrzeug beschleunigt schneller, fährt flinker durch die Kurven und kommt beim Bremsen schneller zum Stehen. Leichtbau ermöglicht also mehr Fahrfreude, Agilität und Sicherheit. Zudem können aufgrund der geringeren beschleunigten Masse die Strukturen zur Energieaufnahme im Crashfall reduziert werden, was wiederum Gewicht einspart.

Daher gilt es, das Gesamtgewicht eines E-Fahrzeugs von vornherein möglichst gering zu halten. Doch die bauartbedingten Voraussetzungen sind denkbar ungünstig: Der Antriebsstrang beim E-Fahrzeug ist deutlich schwerer als der eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor inklusive vollem Tank. So wiegt der elektrische Antrieb inklusive Batterie ungefähr 100 kg mehr. Das liegt vor allem am Gewicht der Batterie. Um dies zu kompensieren, setzt die BMW Group auf konsequenten Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Je nach Anforderung und Einsatzgebiet nutzen die Ingenieure der BMW Group für jede Komponente das optimale Material. Und tatsächlich gelingt es den Entwicklern, dass die schwere Batterie insgesamt kaum „ins Gewicht fällt“.

„Materialleichtbau ist ein wichtiger Befähiger für die Elektromobilität, da er die Gewichtsnachteile des Energiespeichers ausgleichen kann.“ (Bernhard Dressler)


Purpose Design – das LifeDrive-Konzept (kompromisslos zweckorientiert).

Doch Leichtbau ist nur eine, wenn auch sehr wichtige Facette der Entwicklungsarbeit im modernen Karosseriebau. Mit der vollständigen Elektrifizierung eines Fahrzeugs nutzen die Ingenieure der BMW Group nun die Möglichkeit, die Fahrzeugarchitektur eines Automobils komplett neu zu denken und an die Anforderungen und Gegebenheiten der Mobilität von morgen anzupassen. Mit dem LifeDrive-Konzept schufen sie ein revolutionäres Karosseriekonzept im Purpose Design, das sich konsequent am späteren Einsatzzweck und Einsatzgebiet des Fahrzeugs orientiert und mit innovativem Materialeinsatz aufwartet.

Ähnlich wie bei Fahrzeugen mit Rahmenbauweise besteht das LifeDrive-Konzept aus zwei horizontal getrennten, unabhängigen Modulen. Das „Drive“-Modul, das Chassis aus Aluminium, bildet das stabile Fundament und integriert Batterie, Antrieb sowie Struktur- und Basiscrashfunktionen in einer Struktur. Der Gegenpart, das „Life“-Modul, besteht hauptsächlich aus einer hochfesten und sehr leichten Fahrgastzelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Mit diesem innovativen Konzept verleiht die BMW Group den Themen Leichtbau, Fahrzeugarchitektur und Crashsicherheit eine völlig neue Dimension.

„Das LifeDrive-Konzept verbindet sämtliche zum Fahren erforderlichen Systeme mit den Gegebenheiten und Anforderungen der Elektromobilität und setzt sie in einem neuen Ansatz BMW Group typisch um.“ (Uwe Gaedicke)


Das Drive-Modul – die Basis, das stabile Fundament.

Das Drive-Modul vereint auf der Basis eines leichten und stabilen Strukturträgers aus Aluminium mehrere Funktionen in sich: Es ist Grundkarosserie mit Fahrwerk, Crashelement, Energiespeicher und Antriebseinheit in einem. Mit ungefähr 250 kg und Ausmaßen ähnlich denen einer Kindermatratze ist der Energiespeicher treibendes Element für das integrative und funktionale Design des Drive-Moduls. Bei der Konzeption galt es daher zunächst, die Batterie als größten und gewichtigsten baulichen Faktor beim Elektrofahrzeug betriebs- und crashsicher in die Fahrzeugstruktur zu integrieren.

So teilt sich das Drive-Modul in drei Bereiche. Der mittlere Teil beherbergt die Batterie und umgibt sie sicher mit kräftigen Aluminiumprofilen. Die zwei crashaktiven Strukturen in Vorder- und Hinterwagen sorgen für die nötige Knautschzone im Falle eines Front- oder Heckaufpralls. Auf dem Drive-Modul befinden sich zudem die Komponenten der elektrischen Antriebseinheit sowie zahlreiche Fahrwerkskomponenten. Da der E-Antrieb insgesamt deutlich kompakter gebaut ist als ein vergleichbarer Verbrenner, können Elektromotor, Getriebestufe, Leistungselektronik und Achsen hier durch raffinierte Lösungen auf sehr kleinem Raum untergebracht werden.


Das Life-Modul – CFK in einer neuen Dimension.

Komplettiert wird das LifeDrive-Konzept durch das Life-Modul, die Fahrgastzelle, die auf die Trägerstruktur des Drive-Moduls aufgesetzt wird. Die große Besonderheit: Das Life-Modul besteht hauptsächlich aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff – kurz CFK. Der Einsatz des Hightech-Werkstoffes in dieser Größenordnung ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs bisher einzigartig, schien bisher die großflächige Verwendung von CFK noch zu teuer, die Verarbeitung und Fertigung noch nicht flexibel genug. Doch nach über zehn Jahren intensiver Forschungsarbeit und Optimierung der Prozesse verfügt die BMW Group als einziger Automobilhersteller über die erforderliche Fertigungserfahrung, um CFK in der Großserienproduktion einzusetzen. CFK besitzt gegenüber Stahl viele Vorteile, er ist sehr stabil und gleichzeitig überaus leicht. So ist er bei mindestens gleicher Festigkeit ungefähr 50 Prozent leichter als Stahl. Aluminium dagegen würde gegenüber Stahl„nur“ 30 Prozent Gewicht einsparen. Damit ist CFK das leichteste Material, das sich ohne Sicherheitseinbußen im Karosseriebau einsetzen lässt.

Durch den großflächigen Einsatz des Hightech-Werkstoffes wird das Life-Modul sehr leicht und ermöglicht eine höhere Reichweite bei gleichzeitig besseren Fahrleistungen. Zudem profitiert das Fahrverhalten deutlich: Die hohe Steifigkeit des Materials macht das Fahrerlebnis direkter, auch schnelle Lenkbewegungen werden verlustfrei umgesetzt. Gleichzeitig ermöglicht CFK einen höheren Fahrkomfort, denn die steife Karosserie dämpft Energieeinträge sehr gut. So entstehen während der Fahrt keine störenden Vibrationen, es rüttelt und schwingt nichts.

Doch das Life-Modul ist nicht nur sehr leicht, es ermöglicht außerdem, den Innenraum eines Fahrzeugs neu zu begreifen und zu gestalten. Aufgrund der Integration aller Antriebskomponenten ins Drive-Modul entfällt der bisher notwendige und platzraubende Kardantunnel im Innenraum, durch den bisher die Kraft des Motors an die Hinterräder weitergeleitet wurde. Damit bietet das Megacity Vehicle (MCV) bei gleichem Radstand deutlich mehr Raum für die Insassen. Diese neue Struktur ermöglicht außerdem die Integration neuer Funktionalitäten, erlaubt neue Freiheitsgrade in der Architektur und damit die Chance, den Innenraum optimal an die Bedürfnisse von Mobilität in der Stadt anpassen zu können.
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There are three types of people in this world: those who make things happen, those who watch things happen and those who wonder what happened.

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Geändert von Martin (05.07.2010 um 11:39 Uhr)
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