2. BMW EfficientDynamics.
2.2 BMW Active Hybrid
Die BMW Group stellt mit dem Antriebskonzept BMW Active Hybrid auf der IAA
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.
 Abbildung:
BMW Concept X3 EfficientDynamics - Röntgenbild 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.
Video:
BMW X3 EfficientDynamics (WMV-Format, 1.8 Mb,
1:39 Min., Quelle: UnitedPic-TV) Quelle: BMW Presse-Information vom 12.09.05 |
Alfa - Dodge
