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BMW blickt in die Zukunft (Teil 1): Hybridantrieb mit neuem Dreizylinderdiesel

Ein Sportwagen mit der Dynamik eines BMW M Automobils und den Verbrauchswerten eines modernen Kleinwagens hatten sich die Münchner Entwickler bei der Konstruktion des Konzeptfahrzeugs "BMW Vision Efficient Dynamics" als Ziel gesetzt. Dabei entstand weder eine auf Effizienz ausgerichtete Variante eines Serienfahrzeugs noch eine gänzlich aus dem Kontext der Serienentwicklung herausgelöste, visionäre Studie. Sämtliche Technologien, die zur Effizienz des Fahrzeugs beitragen, entstammen einem auf den Serieneinsatz bezogenen Entwicklungsprozess. Einige von ihnen werden bereits heute in aktuellen BMW Modellen eingesetzt, wie die aktive Luftklappe, andere stehen unmittelbar vor der Serienreife oder haben ihre Funktionsfähigkeit bereits in praxisnahen Tests sowie im Prototypeneinsatz unter Beweis gestellt, wie der wassergekühlte Thermoelektrischer Generator (TEG) (vgl. auch Fachartikel MTZ 4/2009).

Im Rahmen eines Voll-Hybrid-Konzepts wird das Konzeptfahrzeug von einem Dreizylinder-Turbodiesel und zwei Elektromotoren angetrieben. Die Gesamtsystemleistung beträgt 262 kW, das maximale Drehmoment 800 Newtonmeterm. Der Allradantrieb wird durch den Einsatz je eines Elektromotors an der Vorder- und der Hinterachse realisiert, so dass dieser auch im vollelektrischen Modus zur Verfügung steht. Diese Antriebstechnik ermöglicht eine elektronisch abgeregelte Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h und eine Beschleunigung aus dem Stand auf Tempo 100 in 4,8 Sekunden. Der im EU-Testzyklus ermittelte Durchschnittsverbrauch beträgt laut BMW 3,76 l/100 km, der CO2-Wert beläuft sich auf 99 g/km. Noch günstiger kann die CO2-Bilanz beim rein elektrischen Fahren nach Aufladung des Akkus per Plug-in-Anschluss ausfallen. Unter Berücksichtigung der im EU-Mix anfallenden Emissionen bei der Stromerzeugung soll sich in diesem Fall ein Wert von 50 g/km ergeben.

Der erstmals im 2+2-Sitzer vorgestellte Turbodieselmotor folgt mit drei Zylindern und einem Hubraum von 1,5 Litern dem Downsizing-Prinzip. Aufgrund seiner kompakten Bauweise konnte der Dreizylinder trotz der beiden Fondsitzplätze vor der Hinterachse platziert werden. Der Antrieb verfügt über eine Common-Rail-Direkteinspritzung der neuesten Generation sowie über einen Turbolader mit variabler Einlassgeometrie. Er leistet 120 kW und stellt ein maximales Drehmoment von 290 Newtonmetern zur Verfügung. Die Kraft des Dieselaggregats wird mittels einer verbrauchsoptimierten Variante des Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebes (DKG) auf die Hinterachse übertragen.

Ergänzt wird der Verbrennungsantrieb durch zwei Elektromotoren. Durch die spezifische Auslegung des Systems als straßengekoppelter Hybrid soll der Effizienzvorteil der Elektromotoren durch das über Räder und Straße gekoppelte Antriebssystem parallel und mit variabler Momentenaufteilung und über einen deutlich größeren Geschwindigkeitsbereich hinweg genutzt werden können. An der Hinterachse kommt ein Voll-Hybrid-System der zweiten Generation zum Einsatz, welcher auf der im SerienmodellBMW ActiveHybrid 7 erstmals eingeführten Technologie aufbaut. Im Betrieb als Elektromotor leistet die kompakt zwischen Verbrennungsmotor und Doppelkupplungsgetriebe positionierte E-Maschine dauerhaft 25 kW, kurzfristig kann die Maximalleistung auf bis zu 38 kW gesteigert werden. Das maximale Drehmoment beträgt 290 Newtonmeter.

Ein zweiter Elektromotor wirkt auf die Vorderachse. Dieses als Hybrid-Synchronmotor ausgelegte System stellt eine Dauerleistung von 60 kW und ein maximales Drehmoment von 220 Newtonmetern zur Verfügung. Für einen Zeitraum von bis zu 30 Sekunden können 84 kW abgerufen werden, rund zehn Sekunden lang gibt der Elektromotor sogar 104 kW ab. Die Kraftübertragung erfolgt über ein zweistufiges, eingängiges Untersetzungsgetriebe.

Das aus beiden Motoren resultierende Antriebsmoment wird je nach Fahrsituation zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder zum rein elektrischen Fahren genutzt. Im Schubbetrieb sowie beim Bremsen übernehmen die E-Motoren die Funktion eines Generators, der Strom in den fahrzeuginternen Lithium-Polymer-Akku speist.

Die Energiespeicher des BMW Vision EfficientDynamics sind in einem zentral längs verlaufenden Chassiselement untergebracht. Den vorderen Bereich nehmen 98 Lithium-Polymer-Zellen ein. Jede einzelne hat eine Kapazität von 30 Ah und kann bei einer Spannung von 3,7 V kontinuierlich 600 A abgeben. Über einen Zeitraum von 30 Sekunden ist von jeder Zelle ein Spitzenwert von 1.200 A abrufbar. Durch serielle Verschaltung der Zellen wird eine Nennspannung von 364 V erreicht. Die Bruttospeicherkapazität des Akkus beträgt 10,8 kWh. Bei einer Entladefähigkeit von 80 Prozent stehen 8,6 kWh für den Antrieb zur Verfügung. Diesem hohen Leistungsvermögen steht ein Gesamtgewicht des Energiespeichers von 85 kg gegenüber. Durch die fahrzeugspezifisch optimierte Dimensionierung der Lithium-Polymer-Zellen sowie durch die gewählte Betriebsstrategie unter Einbeziehung des vorausschauenden Energiemanagements soll die thermische Belastung des Speichers so weit reduziert werden, dass die Entwickler auf eine aktive Kühlung verzichten konnten.

Mittels Bremsenergie-Rückgewinnung wird dem Akku während der Fahrt regelmäßig Strom zugeführt, der anschließend für die Versorgung der Elektromotoren sowie des Bordnetzes genutzt werden kann. Zusätzlich können die Lithium-Polymer-Zellen über eine konventionelle Steckdose aufgeladen werden. Am Haushaltsstromnetz (220 V, 16 A) soll der Ladevorgang maximal zweieinhalb Stunden dauern. Steht ein Stromanschluss mit erhöhter Spannung und Stromstärke (380 V, 32 A) zur Verfügung, verkürzt sich die Ladezeit auf 44 Minuten.

Zusätzlich zum Speicher für elektrische Energie ist im hinteren Bereich des zentralen Chassistunnels ein Kraftstofftank montiert, der 25 l fasst. Mit der entsprechenden Menge Diesel beträgt die Reichweite der Studie im Betrieb mit Verbrennungsmotor rund 650 Kilometer. Ergänzt um die Reichweite von bis zu 50 Kilometer im vollelektrischen Modus steigt der Aktionsradius des Fahrzeugs auf rund 700 Kilometer.
(Lesen Sie morgen in Teil 2: Aerodynamik und Leichtbau Hand in Hand)
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