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Megacity Vehicle wird erstes BMW Serienfahrzeug mit emissionsfreiem E-Antrieb

Im Jahr 2013 soll das Megacity Vehicle (MCV) auf den Markt kommen. Es wird nach Angaben des Automobilherstellers das erste Serienfahrzeug der BMW Group mit emissionsfreiem Elektroantrieb. Selbst entwickelt vom Automobilhersteller aus Bayern. Dazu gehören nach Angaben des Unternehmens sowohl die E-Maschine, die Leistungselektronik als auch das Batteriesystem. Darüber, dass das MCV das erste Großserienfahrzeug weltweit mit einer Fahrgastzelle aus Carbon sein wird, hat ATZonline bereits im ersten Teil Megacity Vehicle: Erstes Großserienauto mit CFK-Fahrgastzelle berichtet.

Laut Automobilhersteller erfordert die Elektrifizierung eines Fahrzeugs neue Konzepte in Fahrzeugarchitektur und Karosseriebau, um die Potenziale des neuen, emissionsfreien Antriebs optimal nutzen zu können. Oberstes Ziel ist dabei die Kompensation des Mehrgewichts von 250 bis 350 Kilogramm durch den schweren Batteriespeicher. Mit dem Life-Drive-Konzept - das "Drive"-Modul ist das Chassis aus Aluminium, bildet das stabile Fundament und integriert Batterie, Antrieb sowie Struktur- und Basiscrash-Funktionen; das "Life"-Modul, besteht hauptsächlich aus einer hochfesten und leichten Fahrgastzelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) - entwickeln die Ingenieure die Fahrzeugarchitektur des Automobils komplett neu und passen sie an die Anforderungen der Mobilität von morgen an. Das Konzept des MCV orientiert sich am späteren Einsatzzweck und Einsatzgebiet des Fahrzeugs: den urbanen Ballungsräumen.

Ein moderner E-Antrieb des Unternehmens, wie beispielsweise der für das Megacity Vehicle, leistet deutlich über 100 Kilowatt. Differenziale, Schlupfregelungen und eine Getriebestufe sorgen dafür, dass das gesamte Drehmoment auch auf die Straße übertragen wird. Das bereits im Stillstand verfügbare maximale Drehmoment verleiht E-Fahrzeugen eine besondere Agilität und sorgt für beeindruckende Beschleunigungswerte. Zudem erklärt der Automobilhersteller, nutzen Elektromotoren einen größeren Drehzahlbereich als Verbrennungsmotoren. Drehzahlen über 12.000 1/min seien ohne Weiteres möglich. Der Heckantrieb ergänzt beim Megacity Vehicle das Leistungsverhalten der E-Motoren: Aufgrund der dynamischen Radlastverlagerung lastet beim Anfahren mehr Gewicht auf den Antriebsrädern und ermöglicht dadurch eine bessere Traktion und Kraftübertragung.

Lediglich die theoretische Höchstgeschwindigkeit reizt man im Hinblick auf das MCV bewusst nicht komplett aus. Da das MCV hauptsächlich im Stadtbereich und Umland eingesetzt wird, gelten derzeit rund 150 Kilometer pro Stunde Spitzengeschwindigkeit als ausreichend.

Die Elektromaschine verfügt über eine höhere Leistungsdichte als ein Verbrennungsmotor. Das bedeutet, dass bei einem E-Motor die gleiche Motorleistung auf kleinerem Raum darstellbar und umsetzbar ist. Der gesamte Antrieb beim BMW Concept ActiveE und später beim MCV ist ohne Energiespeicher zum Beispiel so groß wie zwei Getränkekästen. Das kompakte Antriebsaggregat kann daher gut in die Fahrzeugarchitektur eingebunden werden. Die geringeren Abmessungen und die deutlich geringere Masse des E-Antriebs ermöglichen eine Bauraumeinsparung von bis zu 50 Prozent gegenüber einem Verbrennungsmotor inklusive Getriebe, die in zukünftigen Fahrzeugkonzepten vor allem den Passagieren im Innenraum zugutekommt.

Herzstück des elektrischen Antriebs ist der Elektromotor. Die neueste Generation eines E-Motors des bayerischen Automobilherstellers besteht einfach dargestellt aus dem gehäusefesten, rohrförmigen Stator und einem drehbaren Zylinder innerhalb des Stators, dem Rotor. Der Rotor ist mit der Getriebestufe und dadurch mit den Antriebsrädern verbunden. Im Stator sind Spulen angebracht, in denen durch Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Auf dem Rotor dagegen befinden sich ein oder mehrere Magneten mit fester Polung. Um den Elektromotor in Bewegung zu versetzen, wird über ein wanderndes Magnetfeld (Drehfeld) eine gezielte Anziehung und Abstoßung zwischen Rotor und Stator erzeugt. Man macht sich hier zunutze, dass sich die unterschiedlichen Pole eines Magneten anziehen beziehungsweise zwei gleiche Pole abstoßen. Schaltet man nun den Strom ein, zieht der Südpol des im Stator erzeugten Magnetfelds den Nordpol des Rotormagneten an. Doch bevor der Nordpol des Rotors den Südpol des Stators erreicht, schaltet man den Südpol auf die nächste Phase weiter. Als Folge dreht sich auch der Rotor weiter und "läuft" den wechselnden Magnetfeldern auf dem Stator nach. Durch seine Drehbewegung überträgt der Rotor die mechanische Energie für den Vortrieb. Entsprechend der Geschwindigkeit, mit der man das Drehfeld den Stator umlaufen lässt, ändert sich auch die Fahrgeschwindigkeit. Das Drehmoment dagegen wird durch die Anzahl der Magneten und die Stromstärke beeinflusst: Je mehr Magneten auf dem Rotor sind und je höher der fließende Strom, desto mehr Drehmoment kann der E-Antrieb erzeugen.

Das beschriebene Funktionsprinzip zeigt eine permanent erregte, dreiphasige Synchronmaschine, wie sie im Concept ActiveE und im MCV zu finden sein wird. "Synchronmaschine" bedeutet, dass der Rotor dem umlaufenden Erregerfeld auf dem Stator synchron folgt. Darüber hinaus ist das Magnetfeld des Rotors durch Magnete permanent erregt und muss nicht erst induziert (fremderregt) werden.

Grundvoraussetzung für einen funktionierenden Elektromotor und dessen optimale Leistungsfähigkeit ist der richtige Umlauf des Magnetfelds auf dem Stator. Um die hohen Drehzahlen von über 12.000 1/min realisieren zu können, müssen die Magnetfelder der Phasen schnell und präzise geschaltet werden. Diese wichtige Aufgabe übernimmt eine spezielle Steuereinheit, die Leistungselektronik. Sie sorgt für die Weiterschaltung des Drehfelds in der gewünschten Geschwindigkeit und mit der dazu erforderlichen Feldstärke. Sie stellt damit sicher, dass der Rotor sich mit der benötigten Drehzahl dreht und das gewünschte Drehmoment abgibt.

Um den Motor eines E-Fahrzeugs antreiben zu können, sind hohe Ströme erforderlich. Pro Phase werden hier Stromstärken bis zu 400 Ampere geschaltet. Auch die Spannungen sind mit bis zu 400 Volt fast doppelt so hoch wie bei der Stromversorgung normaler Endgeräte. Um diese Energie zu speichern und bei Bedarf zur Verfügung zu stellen, kommt ein Verbund neu entwickelter Lithium-Ionen-Speicherzellen zum Einsatz. Eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle für den Automobilbereich ist ungefähr so groß wie ein Taschenbuch und besitzt eine Nennspannung von rund 3,7 Volt. Der nutzbare Spannungsbereich einer Zelle liegt jedoch zwischen 2,7 und 4,1 Volt. Um einen Hochvoltspeicher mit der benötigten Spannung von 400 Volt zu erreichen, schaltet man ungefähr 100 dieser Zellen in Reihe.

Bei den Zellen der BMW Group gibt es bei niedrigen Temperaturen zwar einen Leistungsabfall, durch die Zusammensetzung der Chemikalien im Inneren der Batterie ist dieser aber deutlich flacher. Durch die Vorkonditionierung der Batterie schon während des Ladevorgangs sowie der bedarfsoptimierten Temperierung während der Fahrt wird dieses potenzielle Manko beseitigt. Abschaltmechanismen sichern den Energiespeicher gegen zu tiefes Entladen oder Überladen und sogar die Penetrierung des Energiespeichers mit Metallgegenständen konnte unkritisch gestaltet und abgesichert werden.

Im ersten Teil des Berichts über das 2013 auf den Markt kommenden NCV lesen Sie über das MCV als erstes Großserienfahrzeug weltweit mit einer Fahrgastzelle aus Carbon: Megacity Vehicle: Erstes Großserienauto mit CFK-Fahrgastzelle.
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