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13.09.2012
Intelligentes Energiemanagement: Wärmepumpe, Infrarot-Heizflächen, Luftklappensteuerung
 

Die Efficient Dynamics Strategie der BMW Group setzt die Reduzierung des Verbrauchs und damit die Senkung der CO2-Emissionen bei gleichzeitig gesteigerten Fahrleistungen mit vielfältigen technischen Lösungen um. Bei reinen Elektrofahrzeugen (BEV) oder Automobilen mit Plug-in-Hybrid-Technik (PHEV) zielt die Efficient Dynamics Strategie primär auf die Erhöhung der elektrischen Reichweite ab. Unter der Überschrift "Intelligentes Energiemanagement" arbeiten die Techniker der BMW Group an einer Vielzahl von Einzellösungen, die den Energieverbrauch an Bord eines Elektrofahrzeugs oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeugs reduzieren helfen. Jedes Kilowatt gespeicherter Energie, das beim Betrieb der Nebenaggregate eingespart werden kann, steht dem Elektromotor für eine größere Reichweite zur Verfügung. Ein Teil der neuen Techniken ist auch auf künftige Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor übertragbar.

Musteraufbau Infrarot-Heizflächen

Musteraufbau Infrarot-Heizflächen

 

Eine besondere Herausforderung bei BEV und PHEV stellt die effiziente Bereitstellung der benötigten Heizleistung zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums bei niedrigen Außentemperaturen dar. Um die Energie der Fahrzeugbatterie soweit wie möglich zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen zu können, wird der Innenraum mit Unterstützung der aus dem Hausbau bekannten Wärmepumpentechnik beheizt. Um den Vorteil des höheren Wirkungsgrads der Wärmepumpe im Vergleich zur rein batterieelektrischen Heizung aber wirklich ausschöpfen zu können, muss diese Technik unter allen Fahrbedingungen zuverlässig arbeiten.

Das Prinzip der Wärmepumpe bleibt bestehen.

Die Wärmepumpe im Fahrzeug nutzt ähnlich wie Systeme zur Gebäudeheizung die Umgebungswärme, in diesem Fall die Wärme aus der Luft. Mittels Klimakompressor wird das Kältemittel komprimiert und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Für den Einsatz im Fahrzeug muss es möglich sein, die Innenraumluft zu kühlen, zu heizen und auch zu entfeuchten. Dazu wird der vorhandene Kältekreislauf um zusätzliche Komponenten und Regelungen erweitert. Neben der Außenluft kann, gesteuert durch ein intelligentes Thermomanagement des Gesamtfahrzeugs, auch im Fahrzeug vorhandene Abwärme als Wärmequelle genutzt werden.

50 Prozent der Heizenergie können gespart werden.

Die Fahrer zukünftiger BEV der BMW Group erwarten von der Klimaanlage ihres Fahrzeugs die gleichen Leistungen wie von der eines herkömmlich angetriebenen Automobils. Dazu gehört auch die Verteilung unterschiedlich warmer Luft in verschiedenen Innenraumzonen. Mit der Wärmepumpe ist auch diese Komfortfunktion realisierbar. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe kann im BEV und im PHEV rund 50 Prozent Heizleistung zur Erwärmung des Innenraums eingespart werden. Dank der "kostenlosen" Wärme aus der Umgebung muss die elektrische Heizung also weniger leisten. Der entsprechende Reichweitenvorteil wird bei einer Außentemperatur von null Grad Celsius je nach Fahrzyklus rund zehn bis 30 Prozent betragen. Ein Einsatz in konventionell angetriebenen Fahrzeugen ist derzeit noch nicht vorgesehen.

Infrarot-Heizflächen können Energie sparen helfen. "Intelligentes Energiemanagement" im Rahmen der Efficient Dynamics Strategie umfasst die Reduzierung des Energieverbrauchs speziell bei den Nebenaggregaten eines Fahrzeugs. Im Bereich der Fahrzeugheizung sind moderne Infrarot-Heizflächen eine neue Lösung, die neben dem geringen Energiebedarf auch eine spürbare Komfortverbesserung verspricht. Die heute im Fahrzeug üblichen Heizungen oder Klimaanlagen erhitzen die Luft im Fahrzeuginnenraum, die ihre Wärme dann an Fahrer und Passagiere abgibt. Bei Infrarot-Heizflächen dagegen wird die Energie in Infrarotstrahlung umgewandelt, die die Körper der Insassen direkt erwärmt.

Infrarot-Heizflächen geben "gesunde" Strahlungswärme ab.

Die Wärmestrahlung von Infrarot-Heizflächen liefert ähnlich wie die Wärme aus einem offenen Kamin ein sehr "wohliges" Wärmegefühl, vergleichbar mit der heilenden Wärme einer Infrarotlampe. Beim Einsatz im Fahrzeug bieten elektrisch betriebene Infrarot-Heizflächen noch weitere Vorteile. Die Heizwirkung setzt schon eine Minute nach dem Einschalten ein, im Winter ein wichtiger Pluspunkt. Zudem ist die Heizwirkung absolut zugluftfrei und geräuschlos. Darüber hinaus kann die Heizleistung lokal exakt fokussiert werden. Theoretisch wäre es denkbar, zur Effizienzsteigerung die Heizleistung allein auf den Fahrer zu konzentrieren, wenn er ohne Passagiere unterwegs ist. Aus heutiger Sicht lassen sich Infrarot-Heizflächen in Türverkleidungen, im Fußraum und in bestimmten Bereichen der Armaturentafel unterbringen.

Der praktische Einsatz von Infrarot-Heizflächen in der Zukunft.

Infrarot-Heizflächen sind besonders zur Unterstützung der konventionellen Heizung denkbar. Speziell in der Aufwärmphase ist die schnelle Wirkung der Infrarotstrahlen von Vorteil. Denkbar ist auch eine separate Regelung analog zur Sitzheizung, mit der die Fahrzeuginsassen ihren Komfort individuell erhöhen können. Besonders beim Einsatz in reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können Infrarot-Heizflächen Effizienzvorteile bringen, da hier mangels Abwärme des Verbrennungsmotors ohnehin elektrische Energie zur Temperierung des Innerraums genutzt werden muss.

Die Luftklappensteuerung reduziert den Luftwiderstand. Eine bereits früh in verschiedenen Modellen angewandte Efficient Dynamics Maßnahme ist die Luftklappensteuerung. Grundsätzlich verschlechtern Kühllufteinlässe die Aerodynamik eines Fahrzeugs. Die Luftklappensteuerung kann diesen Nachteil durch bewegliche Lamellen zwischen dem Kühllufteinlass und dem Kühler ausgleichen. Wenn Motor und Aggregate wenig Kühlung benötigen, sind die Luftklappen geschlossen. Dank der so verbesserten Aerodynamik können der Kraftstoffverbrauch gesenkt und störende Außengeräusche reduziert werden.

Die neue Luftklappensteuerung der zweiten Generation arbeitet variabel.

Bereits 2003 wurden Luftklappen hinter der Niere des BMW 5er eingesetzt. Seit 2007 kommt die Luftklappensteuerung der ersten Generation in verschiedenen BMW Modellen zum Einsatz. Mit drei oberen und – je nach Motorisierung – zwei unteren Klappen, die jeweils gemeinsam geschaltet werden, sind drei Klappenstellungen möglich. Mit der Luftklappensteuerung der zweiten Generation sind wesentlich mehr Schaltungen realisierbar, um die einströmende Kühlluftmenge noch variabler und bedarfsgerechter zu steuern. Sowohl die oberen als auch die unteren Klappen werden nun von einem Elektromotor aktiv geöffnet oder geschlossen. Die Luftklappensteuerung der zweiten Generation verfügt zudem über eine feinfühligere Sensorik, die mehr Parameter erfasst und auswertet. So unter anderem die Temperatur des Kühlmittels, des Klimakondensators, des Getriebeöls, des Katalysators und der Ladeluft des Turboladers. Eine weitere wichtige Stellgröße ist die gefahrene Geschwindigkeit.

Deutliche Orientierung am Fahrbetrieb.

Nach Fahrtbeginn bleiben im Stadtverkehr alle Klappen geschlossen und begünstigen so das schnelle Erreichen der optimalen Betriebstemperatur von Motor und Nebenaggregaten. Bei höherem Kühlbedarf werden dann zuerst die unteren Klappen um 30 Grad geöffnet. Auf der Landstraße spielt die Aerodynamik bereits eine große Rolle. Bei geringem Lastbedarf werden die Luftklappen nun stufenweise in mehreren Zwischenschritten geschlossen, wobei auch eine Öffnung der unteren Klappen um nur 15 Grad möglich ist. Auf der Autobahn bei voller Lastanforderung und hohen Temperaturen, also bei maximalem Kühlbedarf, können die unteren Klappen ganz und zusätzlich auch die oberen Klappen ganz geöffnet werden. Diese stufenweise Schaltung, bei der die oberen Klappen immer zuletzt geöffnet und zuerst wieder geschlossen werden, ist besonders wichtig. Denn die oberen Luftklappen leisten im geschlossenen Zustand den größten Beitrag zur Verringerung des Luftwiderstands. Insgesamt reduziert die Luftklappensteuerung der zweiten Generation den cW-Wert um 0,015 dieser dimensionslosen Größe.

Intelligentes Energiemanagement beim Hybrid-Antrieb.

Die Efficient Dynamics Strategie der BMW Group zielt konsequent auf Energieeinsparung. Ein zusätzliches Feld eröffnet sich beim Intelligenten Energiemanagement für Automobile mit Hybrid-Antrieb (HEV) oder Plug-in-Hybrid-Technik (PHEV). Für diese Fahrzeuge hat BMW eine Vorausschauende Betriebsstrategie für den Elektroantrieb und die Hochleistungsbatterie entwickelt. Mithilfe einer optimierten Ladestrategie wird die rein elektrische Fahrstrecke verlängert und der Elektroantrieb vor allem dort genutzt, wo lokal emissionsfreier Betrieb tatsächlich sinnvoll und gewünscht ist. Ein Beispiel dafür sind die letzten Kilometer vor Erreichen des Fahrtziels in der Innenstadt oder im Wohngebiet.

Je mehr die Steuerung "weiß", desto besser kann sie helfen.

Die Nutzung der Streckendaten wird jedoch in Zukunft nicht allein auf die Getriebesteuerung oder auf die Ladestrategie bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen beschränkt bleiben. Grundsätzlich gilt: Je besser die Fahrstrecke und die Bedürfnisse des Fahrers bekannt sind – das schließt auch individuelle Fahrerdaten ein – desto besser können die verschiedenen Systeme vorkonditioniert werden. So ist schon heute vorstellbar, das gesamte Wärmemanagement beim Verbrennungsmotor vorausschauend zu steuern.

Vorausschauendes Energiemanagement: optimierte Betriebstemperatur beim Verbrennungsmotor.

Das vorausschauende Wärmemanagement gehört seit Juli 2012 zur Serienausstattung der neuen BMW 7er Modelle mit Sechs- oder Achtzylinder-Ottomotor und Navigationssystem Professional. Bei aktivierter Zielführung unterstützt das Management den Temperaturhaushalt des Motors nachhaltig durch eine prädiktive Konditionierung der Kühlmitteltemperatur. Effizienzanforderungen an das Thermomanagement des Motors, wie das Einregeln möglichst hoher Kühlmitteltemperaturen oder das Vorhalten von Kühlleistung für dynamische Fahrten, können durch Auswertung der vorliegenden Streckeninformationen in Verbindung mit weiteren Borddaten und der Fahrhistorie frühzeitig erkannt und auch erfüllt werden.

Erkennt das System, dass das Fahrzeug in der Stadt unterwegs ist, kann es über eine Prognose der benötigten Motorleistung das Thermomanagement in seinen hinsichtlich Effizienz optimalen Betriebszustand überführen. So wird beispielsweise ein Absenken der Kühlmitteltemperatur in kurzen Beschleunigungsphasen, etwa beim Anfahren an der Ampel und beim Überholen, unterdrückt. Erkennt das System eine Steigung, so wird bereits beim Anfahren die notwendige Kühlleistung im Kühlsystem vorgehalten, um zielgerichtet auf die absehbare Änderung der Motorleistungsanforderung zu reagieren. Das vorausschauende Wärmemanagement liefert damit einen zusätzlichen Beitrag zur besseren Leistungsentfaltung des Motors und garantiert gleichzeitig die thermische Betriebssicherheit des Motors und der Komponenten im Motorraum.

Energiemanagement ist ein Gebiet mit wachsender Bedeutung.

Intelligentes Energiemanagement ist schon heute ein fester Bestandteil der Efficient Dynamics Strategie der BMW Group. Das Ziel, bei allen automobilen Konzepten und in den Details aller automobilen Komponenten Energie einzusparen, hat auch künftig hohe Priorität. So birgt die Vernetzung der Datenströme im Auto noch ein großes Potenzial. Unter dem Motto "Connected Drive meets Efficient Dynamics" werden daher in Zukunft noch viele Techniken der vorausschauenden und intelligenten Steuerung das Autofahren effizienter und sicherer machen.

Quelle: BMW Presse Mappe vom 13.09.2012


 

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