Kategorie: BMWi

BMW-Modellreihe: I01 I12

29.07.2011
Purpose Built Design – das LifeDrive-Konzept.
 

Die bisher übliche Vorgehensweise bei der Konstruktion eines Elektrofahrzeugs war der so genannte Conversion-Ansatz. Hierbei werden, wie bei den Erprobungsträgern MINI E und BMW ActiveE, die elektrischen Komponenten in ein Fahrzeug integriert, das ursprünglich für den Einsatz mit Verbrennungsmotor konzipiert war. Diese Form der Elektrifizierung eines Fahrzeugs geht jedoch mit aufwändigen Überarbeitungen im gesamten Fahrzeug und damit einem deutlichen Mehrgewicht einher. Denn die elektrischen Antriebskomponenten stellen völlig andere Anforderungen an die Bauräume in einem Fahrzeug und lassen sich daher nicht gewichtsneutral und ohne Einschränkungen bei Innen- oder Kofferraum in das Fahrzeug integrieren. Langfristig stellen Conversion-Cars damit keine optimale Lösung für die Anforderungen der E-Mobilität dar. Also orientierten sich die Ingenieure der BMW Group am späteren Einsatzzweck der BMW i Fahrzeuge und entwickelten eine neue Fahrzeugarchitektur, die sämtliche technischen Anforderungen eines E-Antriebs samt großem Energiespeicher erfüllt und mit niedrigem Gewicht, maximaler Reichweite, großzügigem Raumangebot, souveränen Fahreigenschaften sowie hoher Sicherheit für Energiespeicher und Passagiere vereint – das LifeDrive-Konzept.

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit selbsttragender Karosserie besteht das LifeDrive-Konzept grundsätzlich aus zwei getrennten, unabhängigen funktionalen Einheiten. Das "Drive"-Modul integriert neben dem Fahrwerk außerdem Energiespeicher, Antrieb sowie Struktur- und Crashfunktionen in einer Konstruktion großteils aus Aluminium. Der Gegenpart, das "Life"-Modul, besteht hauptsächlich aus einer hochfesten und sehr leichten Fahrgastzelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). 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 funktionale Verbindung des Drive-Moduls mit der torsionssteifen Life-Zelle ermöglicht eine spezifische Ausprägung des besonderen Fahrdynamikcharakters. Der Einsatz von CFK in dieser Größenordnung ist bisher einzigartig. Insgesamt verleiht die BMW Group mit der LifeDrive-Architektur den Themen Leichtbau, Fahrzeugarchitektur und Crashsicherheit eine völlig neue Dimension: Da keine Umbaumaßnahmen erforderlich sind, vermeidet die LifeDrive-Architektur eine Gewichtsmehrung gegenüber einem vergleichbar großen Conversion-Fahrzeug. Dank intelligentem Leichtbau und innovativem Materialeinsatz kompensiert die LifeDrive-Architektur zudem das Mehrgewicht des elektrischen Antriebsstrangs inklusive Energiespeicher gegenüber einem vergleichbaren Verbrennungsmotor inklusive vollem Tank vollständig.

Besonderes Merkmal von BMW i3 Concept und BMW i8 Concept sind die für die jeweiligen Fahrzeugklassen sehr großen und schmalen Räder. Die geringe Breite schafft einen großen Luft- und Rollwiderstandsvorteil gegenüber breiteren Reifen, reduziert die ungefederten Massen und verhilft so zu größerer Reichweite und niedrigerem Verbrauch.

Leicht und sicher.

Doch nicht nur in punkto Gewicht und Fahrverhalten, auch bei Crashtests überzeugt die Materialkombination von Aluminium im Drive-Modul mit der Fahrgastzelle aus CFK im Life-Modul und zeigt, wie gut sich Leichtbau und Sicherheit ergänzen. Ähnlich wie in einem Formel-1-Cockpit sorgt die Fahrgastzelle aus CFK für einen äußerst stabilen (Über-)Lebensraum.

Gerade bei Pfahlcrashes, Seitenaufprall- oder Überschlagszenarien zeigt sich das beeindruckende Sicherheitsverhalten des extrem steifen Materials. Während bei Metallkonstruktionen große Bereiche zur Energieabsorption nötig sind, gelingt es durch spezielle Deformationselemente in der CFK-Struktur, auf kleinstem Raum die große Energie zu absorbieren. Trotz der großen, teilweise punktuell einwirkenden Kräfte dellt das Material kaum ein. Insgesamt schafft die hochfeste CFK-Fahrgastzelle in Verbindung mit der intelligenten Kraftverteilung im LifeDrive-Modul die Voraussetzung für einen optimalen Insassen- und Energiespeicherschutz.

Die LifeDrive-Architektur des BMW i3 Concept.

Sowohl der BMW i3 Concept als auch der BMW i8 Concept verfügen über die innovative LifeDrive-Architektur. Die beiden Fahrzeuge unterscheiden sich jedoch in der geometrischen Umsetzung des Konzepts, die speziell auf den jeweiligen Fahrzeugzweck abgestimmt ist. Der BMW i3 Concept zeigt das LifeDrive-Konzept in einer für den elektrischen Antrieb optimierten, horizontal getrennten Art und Weise. Hier bildet das Drive-Modul das stabile Fundament für die Life-Zelle, die einfach aufgesetzt wird. Treibendes Element für das funktionale Design des Drive-Moduls ist der Energiespeicher. Um eine hohe Reichweite zu realisieren, ist der Energiespeicher größtmöglich dimensioniert. Im BMW i3 Concept ist er aufgrund seiner Größe raumoptimal vollständig in den Unterboden des Fahrzeugs integriert und füllt fahrdynamisch günstig den gesamten mittleren Bereich des Moduls aus. Diese Position gewährleistet eine optimale Achslastverteilung und einen niedrigen Schwerpunkt. Aluminiumprofile umgeben den Energiespeicher und schützen ihn vor Einwirkungen von außen. Davor und dahinter sorgen zwei crashaktive Strukturen für die nötige Energieaufnahme im Falle eines Front- oder Heckaufpralls. Da der E-Antrieb insgesamt deutlich kompakter baut als ein vergleichbarer Verbrenner, können Elektromotor, Getriebestufe, Antriebselektronik hier durch raffinierte Lösungen platzsparend und auf sehr kleinem Raum über der angetriebenen Hinterachse untergebracht werden. Damit zeigt der BMW i3 Concept die optimale Ausprägung der LifeDrive-Architektur für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug.

Der BMW i3 Concept ist auch fahrwerkseitig optimal für den Einsatz in der Stadt ausgelegt. Ein sehr kleiner Wendekreis und eine direkt ansprechende Lenkung sorgen hier für eine außerordentliche Agilität, gerade auch bei niedrigen Geschwindigkeiten. Durch den Hinterradantrieb bleibt die Vorderachse frei von Antriebseinflüssen und kann ihre Lenkfunktion optimal wahrnehmen. In Kombination mit dem Elektromotor, dessen hohes Drehmoment bereits ab Stillstand für schnellen Vortrieb sorgt, stellen diese Maßnahmen ein sehr dynamisches Fahrverhalten sicher.

Das geräumige Life-Modul des BMW i3 Concept ermöglicht es, den Innenraum des Fahrzeugs völlig neu zu gestalten. Aufgrund der Integration aller Antriebskomponenten in das Drive-Modul entfällt der Mitteltunnel im Innenraum, durch den bisher die Kraft des Motors an die Hinterräder weitergeleitet wurde. Damit bietet der BMW i3 Concept bei gleichem Radstand deutlich mehr Raum als andere Fahrzeuge und erlaubt es außerdem den Innenraum durch Lösungen wie eine durchgehende Sitzbank optimal an die Bedürfnisse von Mobilität in der Stadt anzupassen. Darüber hinaus realisiert der BMW i3 Concept mit zwei gegenläufig öffnenden Türen und dem Verzicht auf eine B-Säule einerseits einen großen Einstiegsbereich und bietet andererseits einen besonders tiefen Einblick in das modern gestaltete Interieur. Insgesamt finden im BMW i3 Concept vier Passagiere bequem Platz und können im rund 200 Liter fassenden Kofferraum ausreichend Gepäck unterbringen. Unter der "Motorhaube" im vorderen Fahrzeugbereich bietet das Life-Modul des BMW i3 Concept zusätzlich einen separaten Gepäckraum mit Platz für das Ladekabel und anderes Gepäck, das nicht im Innenraum transportiert werden soll.

Die LifeDrive-Architektur des BMW i8 Concept.

Im BMW i8 Concept ist die LifeDrive-Architektur gezielt auf den Sportwagencharakter des Fahrzeugs und damit auf beste Fahrleistungen und eine hohe Fahrdynamik ausgelegt. Die besondere Ausprägung des LifeDrive-Konzepts adressiert das innovative Hybridkonzept des BMW i8 Concept, bei dem ein Elektroantrieb an der Vorderachse und ein Verbrennungsmotor an der Hinterachse gemeinsam ihre Vorteile vereinen und für ein einzigartiges Fahrerlebnis sorgen.

Gegenüber der rein horizontalen Ausprägung beim BMW i3 Concept zeigt der BMW i8 Concept die LifeDrive-Architektur zusätzlich vertikal getrennt in Vorderachsmodul, Fahrgastzelle und Hinterachsmodul. Die Antriebe des BMW i8 Concept sind in das Vorder- bzw. Hinterachsmodul integriert, welche über das Life-Modul aus CFK miteinander verbunden sind. Da der BMW i8 Concept als PlugIn-Hybrid nicht nur auf rein elektrische Fortbewegung ausgelegt ist, besitzt er weniger Batteriezellen als der BMW i3 Concept. Diese werden vom Life-Modul im so genannten Energiekiel aufgenommen, einer dem Mitteltunnel ähnlichen Struktur. Vorderachs- und Hinterachsmodul bilden mit Fahrgastzelle und Energiespeicher so eine funktionale Einheit, die nicht nur tragende Funktionen sondern auch weitreichende Crashfunktionen übernimmt. Der Schwerpunkt des Fahrzeugs liegt durch den Hochvoltspeicher im Energiekiel niedrig und damit fahrdynamisch günstig. Gemeinsam mit der Positionierung der Motoren über den Achsen führt dies zu einer optimalen Achslastverteilung von jeweils 50 Prozent. Hinzu kommen die durch intelligenten Leichtbau und innovativen Materialeinsatz besonders niedrigen ungefederten und rotierenden Massen, die neben einer besseren Fahrdynamik auch Beschleunigung, Reichweite und Verbrauch positiv beeinflussen. Insgesamt bietet der BMW i8 Concept damit optimale Voraussetzungen, das besondere Antriebskonzept und den besonderen Sportwagencharakter des BMW i8 Concept auch auf der Straße erleben zu lassen.

Entsprechend des Sportwagenanspruchs des BMW i8 Concept sind auch die Achskonstruktionen darauf ausgelegt, optimale Fahreigenschaften zu ermöglichen. So bietet die Mehrlenkerachse im Vorderachsmodul optimale geometrische Voraussetzungen für eine sehr flache und aerodynamisch günstige Silhouette. Zudem ist die Vorderachskonstruktion explizit auf die Doppelanforderung durch Lenkung und Antrieb ausgelegt. Sie eliminiert etwaige Störeinflüsse des Antriebs auf die Lenkung und sorgt damit für ein optimales Fahrverhalten in jeder Situation.

Im Life-Modul aus CFK zwischen den Antrieben sitzen die Passagiere sportwagentypisch tief und umschlossen, zwischen ihnen befindet sich der durchs Fahrzeug reichende Energiekiel. An der A-Säule angeschlagene Schwenktüren sorgen für eine große Türöffnung, die gleichzeitig Zugang zu den vorderen und hinteren Sitzen schafft. Vier Sitzplätze machen den BMW i8 Concept zu einem alltagstauglichen Fahrzeug, das alle positiven BMW Attribute in sich vereint.

Intelligenter Leichtbau.

Konsequenter Leichtbau ist besonders bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb von großer Bedeutung. Ein elektrischer Antrieb inklusive Energiespeicher ist bis zu 200 kg schwerer als ein vergleichbarer Verbrennungsmotor inklusive vollem Tank. Und neben der Batteriekapazität schränkt vor allem ein hohes Fahrzeuggewicht die mögliche Reichweite ein. Neben höherer Reichweite bedeutet ein niedrigeres Fahrzeuggewicht außerdem spürbar bessere Fahrleistungen. Denn ein leichtes Fahrzeug beschleunigt schneller, fährt agiler durch 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. Ziel der Entwickler war es also, die Elektrifizierung bzw. Hybridisierung der Fahrzeuge gewichtsneutral darzustellen. Um das Mehrgewicht durch die elektrischen Komponenten zu kompensieren, setzt die BMW Group neben der innovativen LifeDrive-Architektur vor allem auf konsequenten Leichtbau und innovativen Materialeinsatz.

"Das LifeDrive-Konzept vermeidet das Mehrgewicht der Umbaumaßnahmen eines Conversion-Konzeptes. Gleichzeitig konnten wir das Mehrgewicht des E-Antriebs durch innovativen Materialeinsatz und intelligenten Leichtbau vollständig kompensieren – und zwar bei beiden Fahrzeugen." (Hr. Dressler, verantwortlich für Karosserieentwicklung bei project i)

Innerhalb eines Fahrzeugs herrschen die unterschiedlichsten Anforderungen an ein Bauteil, denen sich nur mit einer Mischbauweise optimal begegnen lässt. Deshalb nutzen die Ingenieure der BMW Group für jede Komponente je nach Anforderung und Einsatzgebiet das passende Material, so dass die schwere Batterie nicht mehr "ins Gewicht fällt". Um die ehrgeizigen Gewichtsziele zu realisieren, wurde jedes Bauteil konsequent hinsichtlich Funktion und Gewicht entwickelt, überprüft und gegebenenfalls modifiziert. Mit dieser gezielten Auslegung der Bauteile für ihren jeweiligen Einsatzzweck ist eine funktions- wie gewichtsoptimale Umsetzung der Fahrzeuge sichergestellt. Einen großen Anteil an der Gewichtsersparnis hat der Werkstoff CFK. Der großflächige Einsatz des Materials wie im Life-Modul von BMW i3 Concept und BMW i8 Concept ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs bisher einzigartig. Dabei ist CFK bei mindestens gleicher Festigkeit ungefähr 50 Prozent leichter als Stahl. Aluminium würde "nur" 30 Prozent Gewicht einsparen. Somit ist CFK das leichteste Material, das sich ohne Sicherheitseinbußen im Karosseriebau einsetzen lässt.

Neben den "konventionellen" CFK-Bauteilen aus Kohlenstofffasergelegen, die miteinander verharzt werden, finden sich im BMW i8 Concept zusätzlich an bestimmten Stellen auch speziell gewobene CFK-Strukturen, so genannte Flechtprofile. Dabei werden CFK-Halbzeuge wie ein Strumpf über einen Kern gewoben. Dies erlaubt eine deutlich freiere Formgebung, gleichzeitig sind weniger Fügestellen erforderlich. Durch den formschlüssigen Verbund sind die Profile zudem sehr stabil. Die Flechtprofile kommen daher an Stellen wie dem Schweller, den Türen und in der A-Säule zum Einsatz, bei denen gerade auch im Crashfall eine hohe Festigkeit gefordert ist. Durch das spezielle Herstellungsverfahren lassen sich nicht nur die Wandstärken sehr leicht optimieren, indem man den Durchmesser des Kerns anpasst, auch deutlich komplexere Formen lassen sich so ohne Verkleben oder Flansche, und vor allem mit deutlich weniger Verschnitt darstellen. Der geringere Materialeinsatz reduziert auch den erforderlichen Energieeinsatz.

Quelle: BMW Presse Mappe vom 29.07.2011

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