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BMW Active E: Elektrischer Erprobungsträger auf 1er-Coupé-Basis

Über 1000 neue Forschungsfahrzeuge will Automobilhersteller BMW nun auf die Straße schicken. Basis des elektrischen Erprobungsträgers namens Active E ist das 1er Coupé. Das Auto wird vom Unternehmen als der nächste Schritt der BMW Group zu einem Elektrofahrzeug in Großserienproduktion angesehen. Die Erforschung und Entwicklung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb wird bei der Gruppe im Rahmen von "Project i" betrieben. Im Mittelpunkt steht dabei die Konzeption des Megacity Vehicle (MCV).

Aktuelle Feldversuche in den USA und in Europa mit über 600 Mini E liefern bereits Erkenntnisse über die Anforderungen an künftige Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb. Mit einer Erprobungsflotte von über 1000 Fahrzeugen, die im Werk Leipzig gebaut werden, wird der Active E vom Jahr 2011 an in den USA sowie in Europa und China weitere Erkenntnisse liefern. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, das bereits gewonnene Wissen über die alltagsgerechte Nutzung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb zu vertiefen. Die Rückmeldungen der Testkunden fließen laut Hersteller direkt in die Serienentwicklung des MCV ein, das unter einer neuen Submarke vom Jahr 2013 an auf den Markt kommen soll.

Nach dem Mini E ist das neue Fahrzeug der zweite elektrische Erprobungsträger der Gruppe. Ebenso wie der Mini E ist auch der Active E ein so genanntes Conversion Car, also ein E-Fahrzeug, das auf dem Rohbau eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor beruht. Dabei integriert der neue Erprobungsträger sämtliche elektrischen Antriebskomponenten wie Energiespeicher, E-Maschine und Leistungselektronik in eine Fahrzeugkarosserie, die ursprünglich nicht dafür vorgesehen war. Wo bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor der Motorblock, die Kraftübertragung an die Hinterräder und der Tank angeordnet sind, verfügt der Active E über drei große Energiespeicher. Der Antrieb - die E-Maschine mit Getriebestufe und Leistungselektronik - sitzt direkt auf der Hinterachse. Die Komponenten des leistungsstarken Elektrosynchronmotor, wurden mit Blick auf die Anforderungen des MCV konzipiert und werden nun in einem Vorserienstadium erprobt. Die Höchstleistung des Elektroantriebs beträgt 125 Kilowatt. Das maximale Drehmoment von 250 Newtonmeter steht für E-Fahrzeuge typisch bereits aus dem Stand heraus zur Verfügung, erklärt der Hersteller und bleibe erstmals über einen weiten Lastbereich hinweg nutzbar. Damit beschleunige das Erprobungsfahrzeug in neun Sekunden von null auf 100 km/h, die Marke von 60 km/h werde bereits nach weniger als 4,5 Sekunden erreicht. Die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird elektronisch limitiert und beträgt rund 145 km/h, gibt der Hersteller an. Die permanent erregte Hybridsynchronmaschine und die Leistungselektronik des Active E sind eine Eigenentwicklung mit hohem Wirkungsgrad, optimierter Leistungsentfaltung sowie kompakter Bauweise. Einschließlich Leistungselektronik und Getriebe mit Differenzial ist der Elektroantrieb in den modifizierten Hinterachsträger integriert - bei 125 Kilowatt Leistung wiegt er unter 100 Kilogramm.

Im Rahmen der Elektrifizierung des 1er Coupé zum Erprobungsträger sorgen karosserieseitig knapp 350 neu entwickelte Bauteile dafür, dass das Fahrzeug die gleichen Anforderungen an Crashsicherheit, Bauraum und Komfort erfüllt wie das ursprüngliche Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, erklärt das Unternehmen. Eine Herausforderung habe in der Integration der Energiespeicher und Antriebskomponenten in die Bereiche, die der Wegfall der Verbrennerkomponenten freigibt, gelegen. Gleichzeitig musste die Beschädigungsfreiheit und Zerstörungsfreiheit der drei großen Energiespeicher in Vorderwagen, Tunnel und Tank sichergestellt werden.

Um die größtmögliche Reichweite darzustellen, integriert das Erprobungsfahrzeug einen Teil der Hochvoltspeicher im Vorderwagen, vor der Stirnwand. Dort nimmt einer der drei Energiespeicher ungefähr die Hälfte des Bauraums ein, in dem sonst der Verbrennungsmotor untergebracht ist. Für die Energieversorgung des Antriebs und aller weiteren Fahrzeugfunktionen sorgen speziell entwickelte Lithium-Ionen-Speicherzellen. Diese Hochvolt-Batterieeinheiten sollen über hohe Speicherkapazität verfügen. Beim Versuchsträger kommen erstmals Speicherzellen zum Einsatz, die von der BMW Group gemeinsam mit dem Kooperationspartner SB Limotive für die automobile Anwendung entwickelt wurden.

Im Erprobungsfahrzeug werden die Speicherzellen und die Speicherelektrik erforscht, die später im MCV verbaut werden. In Modulen von sechs, acht oder zehn Speicherzellen füllen sie die zur Verfügung stehenden Bauräume genau aus. Die größte Batterieeinheit nimmt den Platz des konventionellen Antriebsstrangs im unteren Bereich des Fahrzeugs ein. Für die Unterbringung weiterer Speicherzellen wird der durch den Verzicht auf einen Kraftstofftank frei gewordene Raum im Heck genutzt. Weitere Lithium-Ionen-Zellen sitzen vor der Stirnwand im Vorderwagen. Zu ihrem Schutz ruhen die drei großen Speichermodule in speziell angefertigten Batteriegehäusen aus Stahlblech mit integriertem Flüssigkeitskühlsystem. Das Kühlsystem hält die Energiespeicher stets auf optimaler Betriebstemperatur und trägt so zur Steigerung von Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batteriezellen bei. Über einen Wärmetauscher temperiert das Klima-/Heizsystem die Flüssigkeit, die durch die Speichergehäuse läuft. Bei Bedarf lässt sich die Flüssigkeit auch erwärmen, um die Energiespeicher auch im Winter auf die optimale Temperatur von ungefähr 20 Grad Celsius zu bringen. Durch diese Maßnahmen erreicht der Wagen bei vollständig aufgeladenem Akku im Kundenbetrieb mit eingeschalteten Nebenverbrauchern eine Reichweite von rund 160 Kilometer. Ein speziell entwickeltes Batteriemanagement stellt sicher, dass diese Reichweite weitgehend unabhängig von äußeren klimatischen Bedingungen realisiert werden kann.

Die Lithium-Ionen-Akkus können aus externen Stromquellen verschiedenster Art mit Energie versorgt werden. Das Fahrzeug ist nicht auf eine spezifische Ladestation angewiesen, je nach Verfügbarkeit kann Strom mit unterschiedlicher Stärke in die Speichereinheit eingespeist werden. Neben der so genannten Wallbox, einer hinsichtlich möglichst kurzer Ladezeiten optimierten, im Haushalt des Nutzers installierten Versorgungsanlage mit 32 Ampere, kann das Fahrzeug auch an einer Netzstromsteckdose oder an öffentlich zugänglichen Ladestationen anschließen. Zur vollständigen Aufladung der Energiespeicher genügen über eine Wallbox mit 32 Ampere vier bis fünf Stunden. Eine Stunde Ladezeit an der Wallbox ermöglicht bereits eine Reichweite von ungefähr 40 Kilometer. An einer herkömmlichen Steckdose in Europa ist der Energiespeicher über Nacht vollständig geladen.

Eine bei BMW entwickelte Leistungselektronik regelt die Versorgung des Elektromotors mit Strom in der erforderlichen Stärke und Spannung. Sie ermöglicht es, das dynamische Potenzial des Antriebs voll zu nutzen. Neben der Ansteuerung der E-Maschine übernimmt die Leistungselektronik auch die Einspeisung der Energie in das Bordnetz. Mithilfe eines Spannungswandlers und unter Einbeziehung des Batteriemanagements gewährleistet sie die Versorgung aller Fahrzeugfunktionen.

Auch die Instrumentenkombination und das Bediensystem wurden an das elektrische Antriebskonzept angepasst und um spezifische Anzeigen erweitert. Anstelle der Motordrehzahl zeigt das rechte Instrument der Instrumentenkombination, wie viel Energie momentan aus der Batterie entnommen wird, beziehungsweise den Umfang der aktuell durch Rekuperation eingespeisten Energie. Im Stand zeigt eine mittige Position der Nadel die allgemeine Fahrbereitschaft an. Ist das Fahrzeug nicht fahrbereit, ruht der Zeiger links unten. Die Tankanzeige darunter zeigt den Ladestand der Batterie. Im Bordcomputer werden außerdem weitere wichtige Informationen wie beispielsweise die Restreichweite angezeigt.

Um das elektrifizierte Fahren erlebbar zu machen, visualisieren die Anzeigen im Central Information Display die Energieflüsse im Fahrzeug. Während der Fahrt informiert eine fahraktive schematische Darstellung des Fahrzeugs darüber, ob der Batterie momentan Energie entzogen oder ihr durch Rekuperation Energie zugeführt wird. Zudem lässt sich der aktuelle Ladestand der Batterie einsehen und außerdem prüfen, ob Klimaanlage oder Heizsystem laufen. Im Stand lässt sich über das Display anzeigen, ob das Fahrzeug geladen wird oder ob Batterie und Innenraum konditioniert werden. In einem speziellen Batterieinformationsmenü ist außerdem das Energieniveau der Batterie, die aktuelle sowie die verbleibende Reichweite einzusehen. Während des Ladens wird zudem die verbleibende Ladezeit angezeigt.

Soll die Reichweite weiter erhöht werden, ermöglicht das Fahrzeug dies über den Eco Pro Mode zu tun. Wird der Schalter in der Mittelkonsole betätigt, ändern sich Antriebskonfiguration und Komfortfunktionen hinsichtlich einer noch effizienteren Fahrweise. Durch eine angepasste Fahrpedalkennlinie wird in diesem Modus bei gleichem Pedalweg weniger Leistung angefordert als im normalen Fahrmodus. Zudem sind Aufheiz- und Abkühlkurve des Heizungs- und Klimasystems flacher gestaltet und weniger energieintensiv. Geht der Fuß vom Gaspedal, übernimmt der Elektromotor die Funktion eines Generators, der den aus der Bewegungsenergie gewonnenen Strom in die Fahrzeugbatterie zurück speist. Gleichzeitig entsteht ein Bremsmoment, das zu einer wirksamen Verzögerung des Fahrzeugs führt. Im Stadtverkehr können so rund 75 Prozent aller Verzögerungsvorgänge ohne Aktivierung des Bremspedals absolviert werden. Eine Nutzung dieser Rekuperation von Energie durch den Motor führt außerdem zu einer Erhöhung der Reichweite um bis zu 20 Prozent. Erst wenn der Fahrer durch einen Tritt auf das Bremspedal eine höhere Verzögerung anfordert, greift zusätzlich die konventionelle Bremsanlage ein.

Der neuer Erprobungsträger verfügt über eine Zwischenstellung des Gaspedals, die es erlaubt, das Fahrzeug segeln zu lassen. Das Fahrzeug rekuperiert damit nicht sofort, wenn der Fahrer vom Gas geht, sondern kuppelt über die Nullmomentenregelung der E-Maschine aus und nutzt die eigene Bewegungsenergie für den Vortrieb - der Wagen gleitet dann ohne Energieverbrauch dahin. Wenn der Fahrer den Fuß vom Gaspedal nimmt, um das Fahrzeug zu verzögern, wirkt das rekuperativ erzeugte Bremsmoment ausschließlich auf die Hinterräder. Daher verfügt das Fahrzeug über eine angepasste Antriebsfahrdynamikschnittstelle, das "Stability Management for Regeneration", um auch im Rekuperationsbetrieb eine angemessene Fahrzeugstabilität sicherzustellen. Die Funktionen Antriebsschlupfregelung (ASC) und Dynamische Stabilitäts Control (DSC) wurden dabei an die Gegebenheiten des E-Antriebs angepasst. Das Stability Management for Regeneration passt das Rekuperationsniveau auf Basis diverser Kenngrößen an die jeweilige Fahrsituation an und kombiniert so in jeder Verzögerungssituation höchste Rekuperation mit bester Fahrstabilität. Sollte beim rekuperativen oder hydraulischen Bremsen ein für die Fahrstabilität kritischer Zustand auftreten, sorgt das DSC durch gezielte Bremseingriffe und Eingriffe in die Motorsteuerung dafür, dass die Fahrzeugstabilität stets gewährleistet ist. Darüber hinaus stellt das ASC-System sicher, dass die Hinterräder beim Anfahren das hohe Drehmoment des E-Antriebs in maximalen Vortrieb umsetzen können.

Der Zugang zum Fahrzeug über die Connected-Drive-Fernfunktionen ist auch gleichzeitig der Rückwärtskanal für die ausgelesenen Daten des Feldversuchs an BMW. Nach der Beendigung eines Ladevorgangs beziehungsweise sobald eine Netzverbindung zur Verfügung steht, sendet das Fahrzeug die Fahrzeugdatenhistorie über die letzten fünf Stunden an das Backend zur weiteren Analyse. Hier werden nur entwicklungsrelevante Daten wie Streckenlänge, maximale Reichweiten sowie Ladezeiten und -verhalten gesammelt, übermittelt und dem jeweiligen Fahrzeug zugeordnet. Ziel ist eine lückenlose fahrzeugspezifische Dokumentation, um daraus Erkenntnisse für die weitere Entwicklung abzuleiten. Die Anonymität der erhobenen Daten ist jederzeit sichergestellt.
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