Mobilität der Zukunft: Weltpremiere der BMW-Konzepte i3 und i8

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Das kleinere Fahrzeug wurde mit einem Elektroantrieb und rund 150 Kilometer Reichweite für das urbane Umfeld entwickelt. Eine E-Maschine mit 125 Kilowatt Leistung und der Heckantrieb sorgen für den Vortrieb. Das größere Gefährt beschleunigt von 0 auf 100 km/h in weniger als fünf Sekunden. Der Plug-in-Hybridantrieb mit einer Systemleistung von 260 Kilowatt ermöglicht eine Reichweite im elektrischen Betrieb von bis zu 35 Kilometer. Mit dem i3 Concept und dem i8 Concept, beide mit je vier Sitzplätzen, stellt BMW die Unternehmensvision für die Mobilität der Zukunft vor. Die in Frankfurt am Main rund sechs Wochen vor der IAA 2011 präsentierten Konzeptfahrzeuge sollen einen Ausblick auf die ersten elektrischen Serienautomobile unter der neuen Submarke BMW i geben, die im Jahr 2013 als i3 und 2014 als i8 auf den Markt kommen werden.

Das kleine Konzept i3, bisher bekannt als Megacity Vehicle, adressiert als erstes rein elektrisch angetriebenes Serienfahrzeug der Gruppe die zukünftigen Mobilitätsherausforderungen im urbanen Umfeld. Bei dem i8 Concept wiederum handelt es sich um einen Sportwagen. Er basiert auf der Konzeptstudie BMW Vision Efficient Dynamics und vereint in seinem Plug-in-Hybridkonzept einen Dreizylinder-Ottomotor und einen Elektroantrieb.

Bisher wurde bei der Konstruktion eines Elektrofahrzeugs der so genannte Conversion-Ansatz verfolgt, erklärt das bayrische Unternehmen. Hierbei werden, wie bei den Erprobungsträgern Mini E und BMW Active E, die elektrischen Komponenten in ein Fahrzeug integriert, das ursprünglich für den Einsatz mit Verbrennungsmotor konzipiert war. Diese Form der Fahrzeugelektrifizierung geht jedoch mit aufwändigen Überarbeitungen im gesamten Fahrzeug und mit einem deutlichen Mehrgewicht einher. Denn die elektrischen Antriebskomponenten stellen andere Anforderungen an die Bauräume in einem Fahrzeug und lassen sich daher nicht gewichtsneutral und ohne Einschränkungen bei Innen- oder Kofferraum in das Fahrzeug integrieren. Bei den beiden Konzepten jedoch orientierten sich die Ingenieure am späteren Einsatzzweck der i-Fahrzeuge und entwickelten eine neue Fahrzeugarchitektur, die sämtliche technischen Anforderungen eines E-Antriebs samt großem Energiespeicher erfüllt und mit niedrigem Gewicht, maximaler Reichweite, großzügigem Raumangebot, souveränen Fahreigenschaften sowie hoher Sicherheit für Energiespeicher und Passagiere vereint - das Life-Drive-Konzept, wie der Automobilhersteller erklärt.

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit selbsttragender Karosserie besteht das Life-Drive-Konzept aus zwei getrennten, unabhängigen funktionalen Einheiten, wird erläutert. Das Drive-Modul integriere neben dem Fahrwerk außerdem Energiespeicher, Antrieb sowie Struktur- und Crashfunktionen in einer Konstruktion großteils aus Aluminium. Der Gegenpart, das Life-Modul, bestehe hauptsächlich aus einer hochfesten und  leichten Fahrgastzelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Durch den großflächigen Einsatz des Werkstoffs soll das Life-Modul leicht werden und eine höhere Reichweite bei gleichzeitig besseren Fahrleistungen ermöglichen. Zudem profitiere das Fahrverhalten: Die funktionale Verbindung des Drive-Moduls mit der torsionssteifen Life-Zelle ermöglicht eine spezifische Ausprägung des Fahrdynamikcharakters. Zudem hebt das Unternehmen hervor: Da keine Umbaumaßnahmen am zu elektrifizierenden Auto erforderlich sind, vermeidet die Life-Drive-Architektur eine Gewichtsmehrung gegenüber einem vergleichbar großen Conversion-Fahrzeug. Aufgrund des Leichtbaus und des Materialeinsatzes kompensiert die Architektur des Weiteren das Mehrgewicht des elektrischen Antriebsstrangs inklusive Energiespeicher gegenüber einem vergleichbaren Verbrennungsmotor inklusive vollem Tank.

Doch nicht nur in punkto Gewicht und Fahrverhalten, auch bei Crashtests überzeugt die Materialkombination von Aluminium im Drive-Modul mit der Fahrgastzelle aus CFK im Life-Modul, betont das Unternehmen. Gerade bei Pfahlcrashes, Seitenaufprall- oder Überschlagszenarien zeige sich das Sicherheitsverhalten des steifen Materials. Während bei Metallkonstruktionen große Bereiche zur Energieabsorption nötig seien, gelinge es durch spezielle Deformationselemente in der CFK-Struktur, auf kleinstem Raum die große Energie zu absorbieren. Trotz der großen, teilweise punktuell einwirkenden Kräfte delle das Material kaum ein. Insgesamt schaffe die hochfeste CFK-Fahrgastzelle in Verbindung mit der Kraftverteilung im Life-Drive-Modul die Voraussetzung für einen optimalen Insassen- und Energiespeicherschutz.

Beide i Concepts verfügen über die Life-Drive-Architektur. Jedoch unterscheiden sich die Autos in der geometrischen Umsetzung des Konzepts, die speziell auf den jeweiligen Fahrzeugzweck abgestimmt ist, heißt es aus München.

Der i3 Concept zeige das Life-Drive-Konzept in einer für den elektrischen Antrieb optimierten, horizontal getrennten Art und Weise. Hier soll das Drive-Modul das stabile Fundament für die Life-Zelle bilden, die einfach aufgesetzt wird. Treibendes Element für das Design des Drive-Moduls soll der Energiespeicher sein - zur Realisierung einer hohen Reichweite größtmöglich dimensioniert. Aufgrund seiner Größe wurde er raumoptimal vollständig in den Unterboden des Fahrzeugs integriert und füllt fahrdynamisch günstig den gesamten mittleren Bereich des Moduls aus, erläutert der Hersteller. Diese Position gewährleiste eine optimale Achslastverteilung und einen niedrigen Schwerpunkt. Aluminiumprofile umgeben den Energiespeicher und schützen ihn vor Einwirkungen von außen, wird erklärt. Davor und dahinter sollen zwei crashaktive Strukturen für die nötige Energieaufnahme im Falle eines Front- oder Heckaufpralls sorgen. Da der E-Antrieb insgesamt kompakter baut als ein vergleichbarer Verbrennungsmotor, können Elektromotor, Getriebestufe, Antriebselektronik platzsparend und auf kleinem Raum über der angetriebenen Hinterachse untergebracht werden, berichtet das Umternehmen.

Im i8 Concept ist die Life-Drive-Architektur gezielt auf den Sportwagencharakter des Fahrzeugs ausgelegt. Die Ausprägung des Life-Drive-Konzepts adressiert das Hybridkonzept des i8 Concept, bei dem ein Elektroantrieb an der Vorderachse und ein Verbrennungsmotor an der Hinterachse verbaut sind, heißt es aus München. Gegenüber der rein horizontalen Ausprägung beim i3 Concept zeigt der i8 Concept die Life-Drive-Architektur zusätzlich vertikal getrennt in Vorderachsmodul, Fahrgastzelle und Hinterachsmodul. Die Antriebe des Sportwagens sind in das Vorder- beziehungsweise Hinterachsmodul integriert, welche über das Life-Modul aus CFK miteinander verbunden sind, wird erläutert. Da das Konzept als Plug-in-Hybrid nicht nur auf rein elektrische Fortbewegung ausgelegt sei, besitze er weniger Batteriezellen als der i3 Concept. Diese werden wie es heißt vom Life-Modul im so genannten Energiekiel aufgenommen, einer dem Mitteltunnel ähnlichen Struktur. Vorderachs- und Hinterachsmodul sollen mit Fahrgastzelle und Energiespeicher so eine funktionale Einheit bilden, die nicht nur tragende Funktionen sondern auch weitreichende Crashfunktionen übernimmt. Der Schwerpunkt des Fahrzeugs liege durch den Hochvoltspeicher im Energiekiel niedrig und damit fahrdynamisch günstig. Gemeinsam mit der Positionierung der Motoren über den Achsen führe dies zu einer Achslastverteilung von jeweils 50 Prozent. Hinzu kommen die durch Leichtbau und Einsatz neuartiger Materialien niedrigen ungefederten und rotierenden Massen, die neben einer besseren Fahrdynamik auch Beschleunigung, Reichweite und Verbrauch positiv beeinflussen, wie erläutert wird. Entsprechend des Sportwagenanspruchs sollen auch die Achskonstruktionen darauf ausgelegt sein, optimale Fahreigenschaften zu ermöglichen. So biete die Mehrlenkerachse im Vorderachsmodul optimale geometrische Voraussetzungen für eine flache und aerodynamisch günstige Silhouette. Zudem sei die Vorderachskonstruktion auf die Doppelanforderung durch Lenkung und Antrieb ausgelegt. Sie eliminiere etwaige Störeinflüsse des Antriebs auf die Lenkung und sorge damit für ein optimales Fahrverhalten in jeder Situation

Innerhalb eines Fahrzeugs herrschen die unterschiedlichsten Anforderungen an ein Bauteil, denen sich nur mit einer Mischbauweise optimal begegnen lässt. Deshalb nutzen die Ingenieure für jede Komponente je nach Anforderung und Einsatzgebiet das passende Material, so dass die schwere Batterie nicht mehr ins Gewicht fällt, erläutert das Unternehmen. Um die Gewichtsziele zu realisieren, sei jedes Bauteil konsequent hinsichtlich Funktion und Gewicht entwickelt, überprüft und gegebenenfalls modifiziert worden. Mit dieser gezielten Bauteilauslegung für den jeweiligen Einsatzzweck soll eine funktions- wie gewichtsoptimale Umsetzung der Fahrzeuge sichergestellt sein. Einen großen Anteil an der Gewichtsersparnis hat der Werkstoff CFK - großflächig eingesetzt im Life-Modul der beiden Konzepte. Dabei ist CFK bei mindestens gleicher Festigkeit ungefähr 50 Prozent leichter als Stahl.

Neben den CFK-Bauteilen aus Kohlenstofffasergelegen, die miteinander verharzt werden, sollen sich im i8 Concept zusätzlich an bestimmten Stellen auch speziell gewobene CFK-Strukturen, so genannte Flechtprofile, finden. Dabei werden CFK-Halbzeuge wie ein Strumpf über einen Kern gewoben, erläutert der Hersteller. Durch den formschlüssigen Verbund seien die Profile sehr stabil. Die Flechtprofile sollen daher an Stellen wie dem Schweller, den Türen und in der A-Säule zum Einsatz kommen, bei denen gerade auch im Crashfall hohe Festigkeit gefordert ist. Durch das spezielle Herstellungsverfahren sollen sich nicht nur die Wandstärken leicht optimieren lassen, indem man den Durchmesser des Kerns anpasst, auch deutlich komplexere Formen sollen sich so ohne Verkleben oder Flansche, und vor allem mit deutlich weniger Verschnitt darstellen lassen. Der geringere Materialeinsatz reduziere auch den erforderlichen Energieeinsatz.

Mit ihren neuartigen und effizienten Antrieben wiederum sollen die beiden Concepts zeigen, wie die Zukunft von nachhaltiger und gleichzeitig dynamischer Mobilität aussehen kann. So unterschiedlich die Fahrzeuge sind, so verschieden sind auch ihre Antriebskonzepte, betont das Unternehmen. Auch hier gilt: die Auslegung und Abstimmung der Antriebe richtet sich nach dem Charakter und dem späteren Einsatzgebiet der Fahrzeuge, betont das Unternehmen. Während der Kleinere rein elektrisch angetrieben wird und damit in der Stadt optimal ausgestattet ist, sorgt in dem größeren Plug-in-Hybrid das Zusammenspiel von Elektro- und Verbrennungsmotor für Vortrieb.

Der E-Antrieb des i3 Concept soll vor allem auf den Einsatz im urbanen Umfeld ausgelegt sein. Als Vorserienversion bereits im BMW Active E getestet, wurde die permanent erregte Hybrid-Synchron-Maschine für den Einsatz im i3 Concept nochmals hinsichtlich Gewicht und Fahreigenschaften optimiert. Die E-Maschine leistet 125 Kilowatt und besitzt ein Drehmoment von 250 Newtonmeter. Das volle Drehmoment steht hier, wie für Elektromotoren typisch, bereits ab Stillstand zur Verfügung und muss nicht erst wie bei Verbrennungsmotoren über die Motordrehzahl aufgebaut werden, gibt das Unternehmen an. Von 0 auf 60 km/h soll das Fahrzeug in unter vier Sekunden beschleunigen, die 100 km/h sollen unter acht Sekunden erreichbar sein. Das hohe Drehmoment stehe zudem über einen sehr großen Drehzahlbereich zur Verfügung und ermögliche eine homogene Leistungsentfaltung. Das einstufig ausgelegte Getriebe sorge für optimale Kraftübertragung an die Hinterräder und beschleunige den Wagen ohne Zugkraftunterbechung auf bis zu 150 km/h. Ab hier wird der Motor aus Effizienzgründen abgeregelt, da der hohe Energiebedarf für das Fahren mit noch höheren Geschwindigkeiten die Reichweite unnötig einschränken würde, erläutert das Unternehmen. Der Antrieb sitze direkt über der angetriebenen Achse und sorge so für optimale Fahreigenschaften.

Zudem besteht die Möglichkeit, über das Gaspedal zu verzögern, ergänzt der Automobilhersteller. Nehme der Fahrer den Fuß vom Gaspedal, übernehme der Elektromotor die Funktion eines Generators, der den aus der Bewegungsenergie gewonnenen Strom in die Fahrzeugbatterie zurück speise. Gleichzeitig entstehe ein Bremsmoment, das zu einer wirksamen Verzögerung des Fahrzeugs führe. Im Stadtverkehr können bei vorausschauender Fahrweise so rund 75 Prozent aller Verzögerungsvorgänge ohne Aktivierung des Bremspedals absolviert werden, heißt es. Eine intensive Nutzung dieser Rekuperation von Energie durch den Motor führe außerdem zu einer Erhöhung der Reichweite um bis zu 20 Prozent. Erst wenn durch einen Tritt auf das Bremspedal eine höhere Verzögerung angefordert werde, greife zusätzlich die Bremsanlage ein.

Dieses so genannte One-Pedal-Feeling, das Beschleunigen und Bremsen mit dem Gaspedal, soll durch die Möglichkeit des Segelns noch komfortabler werden. Das Auto verfügt über eine ausgeprägte Neutralstellung des Fahrpedals, bei der das Fahrzeug nicht sofort rekuperiert, wenn vom Gas gegangen, sondern über die Nullmomentenregelung der E-Maschine ausgekuppelt und die eigene Bewegungsenergie für den Vortrieb genutzt wird, wird erklärt. Im Rahmen einer vorausschauenden Fahrweise biete das Segeln eine Möglichkeit, noch mehr Reichweite zu generieren.

Der Elektroantrieb verfügt zudem über eine hohe Leistungsdichte. Das liegt nicht zuletzt am hohen Wirkungsgrad, so das Unternehmen, denn Elektromotoren nutzen über 90 Prozent der Energie, die ihnen zugeführt wird. Das bedeute, dass bei einem E-Motor gegenüber einem Verbrennungsmotor die gleiche Motorleistung auf kleinerem Raum darstellbar sei. Daher könne das kompakte Antriebsaggregat optimal in die Fahrzeugarchitektur eingebunden werden. Die permanent erregte Hybridsynchronmaschine und die Leistungselektronik des Fahrzeugs sind Eigenentwicklungen, betont die Gruppe. Der Charakter des Elektroantriebs zeige sich vor allem in dem Verhältnis von Motorleistung zu Platzbedarf. Durch Weiterentwicklung nehme der Elektroantrieb bei gleicher Leistung 40 Prozent weniger Raum ein als der Antrieb des Mini E. Er befinde sich einschließlich Leistungselektronik und Getriebe mit Differenzial über der Hinterachse und schränke den verfügbaren Innenraum in keiner Weise ein.

Für die Energieversorgung des Antriebs und aller weiteren Fahrzeugfunktionen sorgen speziell entwickelte Lithium-Ionen-Speicherzellen. Der Energiespeicher wurde für den i3 Concept optimiert, so dass Leistung und Reichweite nun deutlich unabhängiger von äußeren Einflüssen zur Verfügung stehen, wird erläutert. Ein integriertes Flüssigkeitskühlsystem halte die Energiespeicher stets auf optimaler Betriebstemperatur und trage so zur Steigerung von Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batteriezellen bei. Über einen Wärmetauscher temperiere das Klima-/Heizsystem die Flüssigkeit, die durch die Speichergehäuse laufe. 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, heißt es. Dadurch sollen Leistung und Drehmoment über weite Teile des Ladezustands der Batterie gleichmäßig zur Verfügung stehen und das System soll dadurch unempfindlicher gegenüber extremen Außentemperaturen werden. An der Steckdose ist der Energiespeicher nach sechs Stunden vollständig aufgeladen, mit der Schnellladevorrichtung sind bereits nach einer Stunde 80 Prozent der Batterie aufgefüllt, nennt das Unternehmen Zahlen

Um nicht auf eine hohe Reichweite verzichten oder ein Höchstmaß an Flexibilität verzichten zu müssen, bietet ein optionaler Range-Extender (REx) beim i3 Concept die Möglichkeit die elektrische Reichweite zu erhöhen. Der REx ist ein kleiner, sehr laufruhiger und leiser Ottomotor, der einen Generator antreibt, um den Ladezustand der Batterie konstant zu halten, so dass das Fahrzeug weiterhin über die E-Maschine angetrieben werden kann. Sobald der Ladezustand der Batterie ein kritisches Level erreicht, sorgt der REx für genug Energie, um das Ziel erreichen zu können. Der Range-Extender übernimmt damit eine Art Reservekanisterfunktion. Da die E-Maschine sehr kompakt ist, findet der REx inklusive angelagertem Generator neben den Antriebskomponenten auf der Hinterachse Platz. Der Ottomotor erfüllt die momentan anspruchsvollste Emissionsrichtlinie für Verbrennungsmotoren Sulev. Um möglichst niedrige Verbräuche zu realisieren, verfügt der REx zudem über Funktionen wie zum Beispiel eine Start-Stopp-Automatik.

Beim Concept i8 arbeiten zwei unterschiedliche Antriebskonzepte in Kombination. Als Plug-in-Hybrid konzipiert, vereint er Elektro- und Verbrennungsmotor. Er beschleunigt unter fünf Sekunden von null auf 100 km/h und verbraucht im europäischen Zyklus unter drei Liter, gibt das Unternehmen an. Je nach Ladeverhalten und Fahrstrecke lassen sich diese Werte weiter reduzieren. Der Schlüssel dazu soll in der Kombination der beiden Motoren liegen: Der E-Antrieb ist hier kein Zusatzantrieb, sondern fungiert als gleichwertiger Antrieb neben dem Verbrennungsmotor, betont das Unternehmen. Während an der Vorderachse der für den Einsatz im Hybridkonzept modifizierte Elektroantrieb des i3 Concept sitze, treibe ein turboaufgeladener Dreizylinder-Ottomotor mit 164 Kilowatt Höchstleistung und bis zu 300 Newtonmeter die Hinterachse an. Gemeinsam beschleunigen die beiden Motoren das Fahrzeug auf 250 km/h Spitze, dann wird abgeregelt, heißt es aus München. Ebenso wie der Elektroantrieb sei der Dreizylinder-Ottomotor mit 1,5 Liter Hubraum eine vollständige Eigenentwicklung des Unternehmens.

Ein Energiespeicher zwischen Vorderachs- und Hinterachsmodul versorgt den E-Antrieb an der Vorderachse mit Energie, so dass der Sportwagen rund 35 Kilometer rein elektrisch fahren kann, wird erklärt. Nach weniger als zwei Stunden sei der Energiespeicher über die konventionelle Steckdose voll geladen. Der aus dem kleineren Konzept stammende Antrieb wurde laut Unternehmen speziell für den Einsatz im Plug-in-Hybridkonzept, also im Verbund mit einer kleineren Batterie und dem zusätzlichen Verbrennungsmotor, optimiert. Besonderes Merkmal soll der an den Verbrennungsmotor angebundene Hochvoltgenerator sein. Durch ihn könne der Verbrennungsmotor Strom erzeugen und den Energiespeicher laden. Diese Option diene lediglich zur Reichweitenerhöhung während der Fahrt und stellt keinen Ersatz für den Ladevorgang an der Steckdose dar

Zwar kann der i8 Concept rein elektrisch fortbewegt werden, der Reiz des Fahrzeugs soll jedoch in der Kombination beider Antriebe liegen. Der i8 Concept verbindet den Antritt des E-Antriebs mit der Leistung des Verbrennungsmotors. Eventuelle Zugkraftunterbrechungen bei Schaltvorgängen der Antriebe sollen sich gegenseitig gezielt stützen und kompensieren lassen. Durch die beiden Antriebe können beim Sportwagenkonzept alle vier Räder gleichzeitig angetrieben werden, ähnlich wie bei einem Allradfahrzeug.

Durch die Unterbringung des Elektroantriebs an der Vorderachse kann das Fahrzeug rekuperieren, da aufgrund der Radlastverlagerung beim Verzögern an Vorderrädern höhere Bremsmomente möglich sind, heißt es. Wann immer die Möglichkeit zur Energierückgewinnung bestehe, sorgen Fahrdynamiksysteme je nach Untergrund und Fahrsituation für ein Höchstmaß an Rekuperation, ohne Einbußen hinsichtlich Fahrstabilität und Fahrdynamik. Je nach Anforderung werde die Verzögerung des Fahrzeugs zunächst durch das Rekuperationsmoment realisiert. Erst wenn eine stärkere Verzögerung gefordert sei, greife die Bremsanlage.

Sowohl der i3 als auch der i8 sollen in Deutschland im BMW Werk Leipzig produziert werden. Dazu werden bis 2013 rund 400 Millionen Euro in neue Gebäude und Anlagen investiert und rund 800 Arbeitsplätze geschaffen, teilt das Unternehmen mit.