Energieströme effizienter nutzen:
Intelligente Generatorregelung und
Bremsenergie-Rückgewinnung
Die Verbrennungsmotoren, die in den aktuellen Fahrzeugen von BMW zum Einsatz
kommen, bieten eine deutlich höhere Effizienz als die Antriebseinheiten früherer
Modellgenerationen. Sie verbrauchen weniger und leisten mehr. Dennoch werden
auch heute nur rund 25 bis 30 Prozent der im Kraftstoff enthaltenen Energie
tatsächlich in Fortbewegung umgesetzt. Der weitaus größere Anteil wird in Wärme
umgewandelt – und keineswegs im vollen Umfang genutzt. Darüber hinaus
beansprucht die Erzeugung von Strom für das Fahrzeugbordnetz einen immer
größeren Anteil der vom Motor bereitgestellten Leistung. Aus diesem Grund
gewinnt ein gezieltes Energiemanagement innerhalb des Fahrzeugs an Bedeutung.
BMW hat mit der Entwicklung einer intelligenten Generatorregelung (IGR) die
Voraussetzungen geschaffen, die Gewinnung und Nutzung der elektrischen Energie
im Fahrzeug noch effizienter zu erzeugen und noch umfassender zu gestalten. Die
innovative Bordnetz-Technik schließt auch ein System zur Rückgewinnung von
Bremsenergie (Brake Energy Regeneration) ein.
Effiziente Dynamik wird nicht allein durch eine möglichst wirksame
Verbrennung erzielt. Erst die Betrachtung aller Energieflüsse und ihrer
Wirkungszusammenhänge führt zu neuen Lösungsansätzen. Denn zwischen Zündimpuls
und Kraftübertragung auf die Straße passiert in modernen Automobilen erheblich
mehr als die bloße Verbrennung von Kraftstoff im Motor. Dieser Vorgang erzeugt
Wärme, die beim Einsatz von Turboladern aus dem Abgas zur Leistungssteigerung
und mithilfe von Wärmetauschern für die Innenraumheizung aus dem Kühlmittel
zurückgewonnen wird, ansonsten aber verloren geht. Darüber hinaus hat in
modernen Fahrzeugen der Bedarf an elektrischer Energie zugenommen, die über das
Generator- und Batteriesystem ebenfalls aus dem Kraftstoff gewonnen, gespeichert
und nutzbar gemacht wird. Dieser Mehrbedarf resultiert aus einer steigenden Zahl
von Komfortfunktionen, aber auch aus immer neuen sicherheits- und
dynamikrelevanten Komponenten wie Fahrwerkregelung, Aktivlenkung, Motorsteuerung
und ABS. Im Rahmen eines intelligenten Energiemanagements arbeitet BMW daran,
sowohl die Erzeugung als auch die Inanspruchnahme dieser Energieform so
effizient wie möglich zu gestalten.
Schon heute Realität: Intelligentes Energiemanagement.
Dabei werden zwei Ziele verfolgt. Zum einen soll der Gesamtenergiebedarf ohne
Einbußen bei der Funktionalität begrenzt werden. Zum anderen soll die Umwandlung
der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Strom so gezielt gesteuert werden, dass
die Verluste in der Gesamtbilanz minimiert werden. Für beide Ansätze sind in den
aktuellen Modellen von BMW bereits wichtige Voraussetzungen erfüllt.
Intelligentes Energiemanagement wird schon heute in der Serienproduktion
verwirklicht. So arbeiten die neuen elektrischen Kühlmittelpumpen der
Reihensechszylinder-Motoren von BMW bedarfsorientiert. Das bedeutet, dass sie
nur in Hoch- und Höchstgeschwindigkeitsphasen ihre Maximalleistung erreichen.
Unmittelbar nach dem Start etwa bleibt die Pumpe passiv. So wird die
Motorerwärmung beschleunigt. Da die Kühlmittelpumpe elektrisch betrieben wird
und damit nicht an den Motor gekoppelt ist, zweigt sie keinerlei Energie direkt
von der Antriebseinheit ab. Insgesamt ermöglicht die bedarfsorientierte
Arbeitsweise eine im EU-Zulassungstest ermittelte Verbrauchseinsparung von etwa
2 Prozent.
Darüber hinaus hat BMW ein weiteres Energiemanagement-System entwickelt, das
sukzessive in immer mehr Baureihen für die permanente Überwachung des
Batteriezustands sorgt. Der intelligente Batteriesensor (IBS) stellt sicher,
dass jederzeit genügend elektrische Energie für einen weiteren Startvorgang zur
Verfügung steht. Eine Überbeanspruchung der Stromversorgung und die daraus
resultierende Entladung der Batterie werden frühzeitig verhindert. Mit einer
klar definierten Prioritätssteuerung kann zu diesem Zweck die Stromzufuhr für
allein dem Komfort dienende Funktionen wie Sitzheizung oder Klimatisierung
reduziert werden, damit jederzeit genügend Energie für sicherheitsrelevante
Funktionen und darüber hinaus eine Reserve für den nächsten Motorstart zur
Verfügung steht.
Gesteuerte Stromerzeugung verhindert Energieverluste.
In Zukunft wird auch der Zeitpunkt der Energieumwandlung zur Stromerzeugung
zugunsten einer möglichst hohen Effizienz beeinflusst. Zentrales Element dieser
Steuerung ist die intelligente Generatorregelung, die das Energiemanagement in
Abhängigkeit vom Fahrzustand koordiniert. Dies schließt die Rückgewinnung von
Bremsenergie (Brake Energy Regeneration) und ihre Einspeisung in das heute
übliche Bordnetz ein. Die IGR baut auf Elementen der Bordnetzsteuerung auf, die
– wie der IBS – in der Praxis bereits bewährt sind und in der gesamten
Modellpalette angeboten werden. BMW wird auch die weiteren Innovationen
frühzeitig für alle Baureihen verfügbar machen, damit möglichst viele Kunden
davon profitieren können und ein positiver Effekt für den Gesamtflottenverbrauch
erzielt wird.
Bislang wird elektrische Energie konstant in jeder Fahrphase erzeugt. Der als
Lichtmaschine bezeichnete Generator wird permanent über einen Riemen von der
Kurbelwelle angetrieben. Künftig soll dieser Vorgang vorwiegend dann ablaufen,
wenn keine Motorleistung abgerufen wird, also in Schub- und Bremsphasen. So
steht etwa beim Beschleunigen ein größerer Teil der Kraftstoffenergie allein für
die Umsetzung in Bewegung zur Verfügung. In dieser Zeit wird das Bordnetz
ausschließlich von der Batterie versorgt. Der Generator wird erst dann wieder
aktiv, wenn der Motor in den Schubbebetrieb übergeht oder der
Batterieladezustand unzureichend sein sollte.
Brake Energy Regeneration: Die Bremsanlage wird zur Energiequelle.
Ziel der Entwicklung ist es, Strom zu erzeugen, ohne dafür auf die
Motorleistung und damit auf die im Kraftstoff enthaltene Energie zuzugreifen.
Der in diesem Sinne preiswerte Strom wird nicht nur in Schubphasen über den
Generator, sondern auch beim Bremsen mit der so genannten Rekuperation der dabei
freigesetzten Energie gewonnen. So wird die bislang als Wärme an den
Bremsscheiben ungenutzt entweichende Energie ebenfalls ins Bordnetz des
Fahrzeugs eingespeist. Damit wird die Notwendigkeit, im Zugbetrieb des Motors
Strom zu erzeugen, erheblich reduziert. Zur direkten Umwandlung von Kraftstoff
in elektrische Energie kommt es nur noch in Ausnahmefällen. Mit der
intelligenten Generatorregelung und Brake Energy Regeneration werden daher die
Effizienz des Motors und die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs deutlich
gesteigert.
Eine wichtige Voraussetzung für das vom Fahrzustand abhängige
Energiemanagement ist die gezielte Regelung des Ladezustands der Batterie. Sie
wird im Zugbetrieb des Motors abhängig von den Umweltbedingungen nur noch bis
auf etwa 80 Prozent ihrer Kapazität geladen. Eine für Standverbrauch und
Startfähigkeit ausreichende Reserve ist dabei in jedem Fall gewährleistet. Ein
darüber hinaus gehender Wert wird ausschließlich während der energetisch
günstigen Schub- und Bremsphasen erreicht. Die dabei gewonnene Energie kann dann
auch während der Zugphasen genutzt werden, ohne dass der Generator aktiv sein
muss. Weil mit
der gezielten Steuerung die Zahl der Ladezyklen steigt, wird die intelligente
Generatorregelung bei BMW mit modernen Batterien vom Typ AGM (Absorbent Glass
Mat) kombiniert. Sie sind erheblich belastbarer als herkömmliche
Blei-Säure-Batterien. Bei AGM-Batterien wird die Säure in Mikroglasfasermatten
zwischen den Bleischichten gebunden. Ihre Energiespeicherfähigkeit bleibt auch
bei häufigem Auf- und Entladen lange erhalten.
Beim Bremsen entsteht Strom, beim Gasgeben reine Dynamik.
Der Einsatz der intelligenten Generatorregelung mit Brake Energy Regeneration
hat in der Fahrpraxis in zweierlei Hinsicht Vorteile. Zum einen bewirkt die
gezielt gesteuerte Erzeugung elektrischer Energie eine im EU-Zulassungstest
ermittelte Verbrauchsreduzierung um etwa 3 Prozent. Zum anderen profitiert der
Fahrer unmittelbar von der Abkoppelung des Generators in Zugphasen. Beim
Beschleunigen steht mehr Antriebskraft für dynamisches Fahren zur Verfügung. So
werden im Sinne effizienter Dynamik auch hier sowohl die Wirtschaftlichkeit als
auch der Fahrspaß gefördert.
Das intelligente Management elektrischer Energie birgt ein erhebliches
Potenzial zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von modernen Automobilen. Dabei
gilt es, Energieverluste zu minimieren, die Rückgewinnung zu steigern und den
mechanischen Umwandlungsprozess so zu entlasten, dass ein möglichst hoher Anteil
der Kraftstoffenergie in Dynamik umgesetzt wird. Jede Einzelmaßnahme ist
geeignet, signifikante Verbrauchsreduzierungen herbeizuführen. In der
Kombination führen sie darüber hinaus zu höherer Fahrdynamik. Die von BMW
verfolgte Strategie eines Gesamtkonzepts für das Energiemanagement lässt deshalb
erwarten, dass mit künftigen Fahrzeuggenerationen ein ganz erheblicher
Fortschritt auf dem Gebiet der effizienten Dynamik erreicht wird. Die
intelligente Generatorregelung mit Brake Energy Regeneration lässt sich zudem in
der gesamten Modellpalette von BMW einsetzen. Ihre sowohl ökonomischen als auch
ökologischen Vorteile werden daher auf Anhieb einer großen Zahl von Kunden
zugänglich sein.
Quelle: BMW Presse-Information vom 25.04.2006
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