BMW Vision EfficientDynamics: Sportwagen-Zukunft mit höchster Effizienz

Zur Senkung von Emissions- und Verbrauchswerten im Sportwagen-Bereich, entwickelte BMW ein neues Concept Car: den BMW Vision EfficientDynamcis. Der als Plug-in-Fahrzeug mit Voll-Hybrid-Technologie konzipierte 2+2-Sitzer soll die Fahrleistungen eines BMW M-Automobils mit den Verbrauchswerten kombinieren, die sogar das Niveau aktueller Kleinwagen unterschreiten. Seine Weltpremiere feiert der BMW Vision EfficientDynamcis auf der Frankfurter IAA (17.09.2009 - 27.09.2009).

Um es vorwegzunehmen: Drei Motoren sorgen dafür, dass der Sportwagen in nur 4,8 Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 beschleunigt. Die Höchstgeschwindigkeit des Voll-Hybrid-Sportwagens begrenzte BMW elektronisch auf 250 km/h, obwohl dieser schneller wäre. Demgegenüber steht ein Verbrauch von nur 3,76 Litern auf 100 Kilometern, was einem CO2-Wert von nur 99 g/km entspricht. Noch günstiger fällt die CO2-Bilanz beim rein elektrischen Fahren nach Aufladung des Akkus per Plug-in-Anschluss aus. Unter Berücksichtigung der im EU-Mix anfallenden Emissionen bei der Stromerzeugung ergibt sich in diesem Fall ein Wert von 50 g/km. Die Gesamtreichweite beträgt rund 700 Kilometer.

Aerodynamik spiegelt Know-how aus der Formel 1 wider

Das Design des BMW Vision EfficientDynamics überträgt die für BMW Sportwagen typische Dynamik erstmals auf ein Hybrid-Fahrzeug. Die mit Know-how aus der Formel 1 entwickelte Karosserie des Sportwagens ist Ausdruck intelligenten Leichtbaus und hoher aerodynamischer Effizienz. In der Länge misst die Studie 4,60 Meter und in der Breite 1,90 Meter. Mit einer Höhe von nur 1,24 Meter und einer bogenförmig geschwungenen Dachlinie weist das BMW Vision EfficientDynamics die schlanke Silhouette eines klassischen Gran Turismo auf.

Da der Verbrennungsmotor vor der Hinterachse platziert ist, konnten die Designer eine sehr flach verlaufende Fahrzeugfront gestalten. Je nach Fahrzustand, wird die Luftströmung zusätzlich durch die aktiven Kühlerlamellen beruhigt, die sich bei geringem Kühlluftbedarf komplett schließen. Diese Funktionsweise entspricht der aktiven Luftklappensteuerung, die im Rahmen von EfficientDynamics bereits in zahlreichen aktuellen BMW-Serienmodellen eingesetzt wird. Darüber hinaus erfolgt beim BMW Vision EfficientDynamics eine gezielte und bedarfsgerechte Luftführung durch einen aktiven Lufteinlass im Frontend.

Zahlreiche Details des Karosseriedesigns entstanden mithilfe des Know-hows, das BMW mit seinem Engagement in der Formel 1 aufbaute. Ähnlich wie beim BMW Sauber F1, dienen zahlreiche Karosserieelemente als Luftleitbleche. So besitzen die als Kanal ausgeformten A-Säulen ebenso die Aufgabe, den Luftstrom zu kanalisieren, wie die als Flügelprofil gestalteten Rückleuchten. Der Fahrzeugunterboden ist vollständig verkleidet und damit glattflächig gehalten, um verbrauchsrelevanten Verwirbelungen entgegenzuwirken.

Schmale Öffnungen im Bereich der Frontschürze leiten die einströmende Luft gezielt in zwei geschlossene Kanäle. Diese führen an der Innenseite der Frontschürze zu den Radhäusern, wo die Luft beim Wiederaustritt durch eine recht schmale Öffnung mit hoher Geschwindigkeit knapp an den äußeren Radflanken vorbeigelenkt wird. Der austretende Strahl legt sich wie ein Vorhang seitlich über die Vorderräder und wird daher als „Air Curtain“ bezeichnet.

Fahrzeuggesamtkonzept ermöglicht Luftwiderstandsbeiwert von 0,22

Die BMW-typischen Proportionen eines Sportwagens werden durch eine skulpturale Formensprache dargestellt. Front, Seitenansicht, Heck und Dach gehen fließend ineinander über. Dynamisch verdrehte Flächen und Formen erzeugen reizvolle Licht-und-Schatten-Effekte, die den leichten, sportlichen Charakter des Fahrzeugs auf emotionale Weise unterstreichen.

Als zentrales Leitmotiv für die Gestaltung des Exterieurs und Interieurs dient die von BMW entwickelte Layering-Technik. Dieses erstmals im Exterieur-Design angewandte Prinzip ermöglicht durch übereinander geschichtete Flächen und gezielt angeordnete Fugenverläufe eine Reduzierung der Bauteile und damit auch eine Gewichtsoptimierung. So konnten die Macher beispielsweise aerodynamische Anforderungen ohne zusätzliche Karosserieelemente allein durch die für die Luftführung optimale Struktur der Flächen erfüllen.

Um die aerodynamische Qualität des Gesamtfahrzeuges weiter zu optimieren und darüber hinaus den Rollwiderstand möglichst gering zu halten, ist das BMW Vision EfficientDynamics mit Reifen und Felgen in einer für Sportwagen ungewöhnlichen Dimension ausgestattet. Die Reifen weisen ein Breite-Höhe-Verhältnis von 195/55 auf. Zugleich sorgt der große Felgendurchmesser von 21 Zoll dafür, dass die Kontaktfläche mit der Fahrbahn auf dem Niveau eines deutlich breiteren Reifens liegt. In Kombination mit einer aufwändigen Achskinematik ermöglicht die Studie auf diese Weise ein betont agiles Fahrverhalten.

Die groß dimensionierten Felgenverkleidungen, die einen Teil der Reifenflanke bedecken, verleihen dem BMW Vision EfficientDynamics in der Seitenansicht eine eigenständige Optik. Ein integriertes Schaufelprofil für die Felgen reduziert außerdem den negativen Einfluss der sich drehenden Räder auf die Gesamtaerodynamik des Fahrzeugs. Messbares Resultat sämtlicher Maßnahmen zur Optimierung der aerodynamischen Eigenschaften ist der sehr niedrige Luftwiderstandsbeiwert cx von 0,22.

Technikorientierte Formgebung mit Signalwirkung

Sowohl an der Front als auch am Heck des BMW Vision EfficientDynamics prägen LED-Leuchten eine Verbindung zwischen markentypischer Symbolik und technikorientierter Formgebung. Die für BMW charakteristische Anmutung der Doppelrundscheinwerfer erhält durch den Einsatz von LED-Technik einen markanten Ausdruck. Die Rückleuchten sind ebenfalls funktional in die Heckgestaltung integriert und fügen sich als Bestandteil des hinteren Luftleitelementes vollständig in die Heckkontur ein.

Die extrem flach gestalteten Leuchten bestehen aus LED-Einheiten, die im Ruhezustand eine einheitlich rote Leuchtfläche darstellen. Erst im Betrieb nehmen die jeweiligen Leuchtkammern ihre bestimmungsgemäße Farbe an, um beispielsweise gelbes Licht für die Blinkleuchten abzugeben.

Optik als Ausdruck intelligenten Leichtbaus

Viele Fahrzeugkomponenten werden als visueller Ausdruck für das Leichtbaukonzept sichtbar dargestellt. Chassis und Fahrwerk des BMW Vision EfficientDynamics sind vollständig aus Aluminium gefertigt. Dach und Außenhaut der großen Türen bestehen beinahe vollständig aus einem speziellen Polycarbonat-Glas, das sich - je nach Lichteinfall - automatisch abdunkelt.

Der BMW Vision EfficientDynamics bietet Platz für bis zu vier Insassen einschließlich Gepäck. Aufgrund der konsequent umgesetzten Leichtbaustrategie konnte BMW das Leergewicht nach DIN auf 1.395 Kilogramm begrenzen und zugleich einen für Komfort und Fahrdynamik relevanten, besonders niedrigen Fahrzeugschwerpunkt realisieren. Unter Berücksichtigung der leistungsfähigen Hybrid-Antriebskomponenten und des kapazitätsstarken Lithium-Polymer-Akkus liefert dieser Wert einen klaren Beleg für das grundlegend auf Effizienz ausgerichtete Gesamtkonzept der Studie.

Mit einer maximalen Zuladung von 445 Kilogramm ist der BMW Vision EfficientDynamics voll alltagstauglich. Der Gepäckraum fasst 150 Liter und ermöglicht damit beispielsweise den Transport zweier Golftaschen. Bei zusätzlichem Platzbedarf lassen sich die Lehnen der beiden Fondsitze einzeln umklappen, um das Stauvolumen zu erweitern.

Antrieb mit der Power von 3 Motoren

Durch die Kombination eines verbrauchsarmen Dreizylinder-Turbodieselantriebs mit je einem Elektromotor an Vorder- und Hinterachse erzielt der BMW Vision EfficientDynamics eine Gesamtsystemleistung von 356 PS und ein maximales Drehmoment von 800 Nm. Der neue Turbo-Diesel folgt mit drei Zylindern und einem Hubraum von 1,5 Litern dem Prinzip des Downsizings, mit dem das Potenzial relativ kleinvolumiger Motoren in Verbindung mit Turbo-Aufladung zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches genutzt wird.

Aufgrund der kompakten Bauweise konnte BMW den Dreizylinder trotz der beiden Fondsitzplätze ganz im Stil eines agilen Mittelmotor-Sportwagens vor der Hinterachse platzieren. Der Antrieb generiert 163 PS und stellt ein maximales Drehmoment von 290 Nm zur Verfügung. Die Literleistung von 109 PS stellt im Bereich der Diesel-Motoren einen Spitzenwert dar.

Für die Kraftübertragung an die Hinterräder verantwortlich zeichnet ein Doppelkupplungsgetriebe (DKG). Diese Getriebetechnologie, die bereits in den sportlichen Serienfahrzeugen von BMW für ein dynamisches Fahrerlebnis sorgt, ermöglicht Schaltvorgänge ohne Zugkraftunterbrechung. Im BMW Vision EfficientDynamics kommt eine neu entwickelte verbrauchsoptimierte Variante des DKG mit sechs Gängen zum Einsatz.

Zwei Elektromotoren ermöglichen Betrieb als Vollhybrid

Ergänzt wird der Verbrennungsantrieb durch zwei Elektromotoren. Im Rahmen der ActiveHybrid-Strategie entschieden sich die Macher für die Kombination eines Hybrid-Synchronmotors an der Vorderachse mit einem Voll-Hybrid-System an der Hinterachse. Durch die spezifische Auslegung des Systems als straßengekoppelter Hybrid, lässt sich der Effizienzvorteil der Elektromotoren durch das über Räder und Straße gekoppelte Antriebssystem parallel über einen deutlich größeren Geschwindigkeitsbereich hinweg nutzen.

An der Hinterachse kommt ein Voll-Hybrid-System zum Einsatz, das auf der im Serienmodell BMW ActiveHybrid 7 erstmals eingeführten Technologie aufbaut. Im Betrieb als Elektromotor leistet die kompakt zwischen Verbrennungsmotor und Doppelkupplungsgetriebe positionierte E-Maschine dauerhaft 25 kW (34 PS), kurzfristig kann das System die Maximalleistung auf bis zu 38 kW (52 PS) steigern. Das maximale Drehmoment beträgt 290 Nm. Das daraus resultierende Antriebsmoment wird - je nach Fahrsituation - zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder zum rein elektrischen Fahren genutzt.

Im Schubbetrieb und beim Bremsen übernimmt der Elektromotor die Funktion eines Generators, der Strom in den fahrzeuginternen Lithium-Polymer-Akku speist. Diese elektrische Energie wird somit verbrauchsneutral erzeugt. So kommt das Prinzip der Bremsenergie-Rückgewinnung in einer nochmals deutlich leistungsfähigeren Ausprägung zum Einsatz. Energie, die bei herkömmlichen Fahrzeugen ungenutzt an den Bremsen entweicht, kann das System speichern und diese später zur Erzeugung von Antriebskraft nutzen.

Ein zweiter Elektromotor wirkt auf die Vorderachse. Dieses als Hybrid-Synchronmotor ausgelegte System stellt eine Dauerleistung von 60 kW (82 PS) und ein maximales Drehmoment von 220 Nm zur Verfügung. Für einen Zeitraum von bis zu 30 Sekunden können 84 kW (114 PS) abgerufen werden, rund 10 Sekunden lang gibt der Elektromotor sogar 104 kW (141 PS) ab. Die Kraftübertragung erfolgt über ein zweistufiges, eingängiges Untersetzungsgetriebe.

Der BMW Vision EfficientDynamics lässt sich vollelektrisch, ausschließlich mit der Kraft des Turbo-Diesels oder durch die stufenlose Kombination der drei Antriebsquellen fahren. Je nach Fahrsituation, werden die beiden Elektromotoren sowohl für die Beschleunigung als auch für die Energie-Rückgewinnung beim Bremsen und im Schubbetrieb eingesetzt. Beim Beschleunigen wirken die Elektromotoren unterstützend, was zu einem spontanen Ansprechverhalten und zu deutlich reduziertem Kraftstoffverbrauch führt. Kurzfristig, zum Beispiel während eines Überholvorganges, steigt die kumulierte Höchstleistung der drei Motoren auf bis zu 356 PS. Das gemeinsam erzeugte maximale Drehmoment beträgt 800 Nm.

Lithium-Polymer-Zellen bilden Speicher für elektrische Energie

Die Energiespeicher des BMW Vision EfficientDynamics sind in einem zentral längs verlaufenden Chassiselement untergebracht. Den vorderen Bereich nimmt ein Lithium-Polymer-Komplex ein. Diese derzeit leistungsfähigste Technologie zur Speicherung elektrischer Energie stellt eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie dar. An Bord der Studie sind insgesamt 98 Lithium-Polymer-Zellen verbaut.

Durch die serielle Verschaltung der Lithium-Polymer-Zellen wird eine Nennspannung von 364 Volt erreicht. Die Bruttospeicherkapazität des Akkus beträgt 10,8 kWh. Bei einer überdurchschnittlich hohen Entladefähigkeit von 80 Prozent stehen 8,6 kWh für den Antrieb zur Verfügung. Das Gesamtgewicht des Energiespeichers beläuft sich auf lediglich 85 Kilogramm.

Plug-in-Lösung: Aufladung an konventioneller Steckdose

Mittels Bremsenergie-Rückgewinnung wird dem Akku während der Fahrt regelmäßig verbrauchsneutral erzeugter Strom zugeführt, den das System anschließend für die Versorgung der Elektromotoren und des Bordnetzes nutzen kann. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Lithium-Polymer-Zellen zur Aufladung an eine konventionelle Steckdose anzuschließen. Ein entsprechender Plug-in-Anschluss ist am rechten vorderen Kotflügel installiert. Am Haushaltsstromnetz (220 Volt, 16 A) dauert der Ladevorgang maximal 2,5 Stunden. Steht ein Stromanschluss mit erhöhter Spannung und Stromstärke (380 V, 32 A) zur Verfügung, verkürzt sich die Ladezeit auf höchstens 44 Minuten.

Zusätzlich zum Speicher für elektrische Energie befindet sich im hinteren Bereich des zentralen Chassis-Tunnels ein herkömmlicher Kraftstofftank, der 25 Liter fasst. Mit der entsprechenden Menge Diesel beträgt die Reichweite des BMW Vision EfficientDynamics 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.

Interieur: Leichtbau und neue Fahrerorientierung

Die Türen öffnen sich flügelartig nach oben. Durch den Verzicht auf eine B-Säule ermöglichen die großen Türausschnitte ein bequemes Einsteigen auch zu den Sitzen im Fond und geben den Blick auf den Innenraum frei, der sich aus einer Verknüpfung von Funktionalität und stilvoll reduzierter Formgebung präsentiert. BMW setzt auch im Interieur das Leichtbauprinzip konsequent um. Die körperbetont geformten Sitze bestehen aus einer Kevlarschale, einer Backbone-Struktur und einzeln befüllbaren Sitzpolstern, um durch diesen Aufbau höchsten Komfort bei reduziertem Gewicht zu realisieren.

Fahrer- und Beifahrersitz sind fest mit der Mittelkonsole verbunden und bilden so eine gemeinsame Interieur-Landschaft. Im Fond sind die am Boden verankerten Sitze scheinbar frei schwebend angeordnet. Natürliche Materialien und helle Farben für die Sitzpolsterung und alle Interieurverkleidungen unterstreichen die leichte, hochwertige und auf Nachhaltigkeit ausgerichtete Atmosphäre im Innenraum.

Die Verkleidung des Armaturenträgers beschränkt sich auf jene Bereiche, die technische Komponenten einfassen und damit auch im Crashfall einen Beitrag zum Insassenschutz leisten. Dem Instrumentenkombi fiel bereits im Design-Prozess eine zentrale Rolle zu. Sämtliche Flächen des Interieurs haben dort ihren Ausgangspunkt, wodurch eine besonders eindrucksvolle Ausprägung der Fahrerorientierung entsteht.

Innovative Lichttechnik und dreidimensionales Head-up-Display

Eine innovative Lichttechnik sorgt für eine intensive, das Fahrerlebnis fördernde Verbindung zwischen Exterieur und Interieur. Zu diesem Zweck realisierte BMW eine neuartige Ausprägung der Ambiente-Beleuchtung für das Interieur. Die Lichtquellen im Fahrgastraum werden von den seitlichen Positionsleuchen, den Heckleuchten und den Bremsleuchten gespeist. Je nach Fahrsituation, ergibt sich daraus eine entsprechende Veränderung der durch das Licht erzeugten Atmosphäre im Interieur.

Das Head-up-Display projiziert für den Fahrer wichtige Informationen auf die Windschutzscheibe. Eine innovative Darstellungstechnik ermöglicht es, mehrere Ansichten dreidimensional übereinander zu legen. Dadurch bleibt beispielsweise die Grafik der Geschwindigkeitsanzeige im Hintergrund sichtbar, während sich im Vordergrund aktuelle Hinweise zur Routenführung oder Warnsignale des Nachtsichtsystems „Night Vision“ darstellen lassen. Die Rangfolge der Hinweise wird auch vom jeweils gewählten Fahrmodus beeinflusst. So unterstützt die Anzeigetechnik entweder einen betont sportlichen, komfortorientierten oder auf maximale Effizienz ausgerichteten Fahrstil.

Konzeptfahrzeug als Technologieträger für BMW EfficientDynamics

Antrieb und Aerodynamik sind die auffälligsten Bereiche, in denen das BMW Vision EfficientDynamics Einblicke in die nahe Zukunft der Entwicklungsstrategie von BMW gewährt. Innovative Lösungen sind aber auch in Details zu erkennen. So verfügt die Konzeptstudie zusätzlich zu bereits seit Jahren in Serienfahrzeugen bewährten Technologien wie der Bremsenergie-Rückgewinnung, der „Auto Start Stop“-Funktion und der aktiven Luftklappensteuerung über eine Vielzahl neuartiger Systemkomponenten, um den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken.

In die Abgasanlage integrierten die Macher einen wassergekühlten thermoelektrischer Generator (TEG). Dieses System ist in der Lage, einen erheblichen Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie in Strom umzuwandeln. Diese ursprünglich für die Raumfahrt entwickelte Technologie nutzt den sogenannten Seebeck-Effekt, nach dem innerhalb von metallischen Halbleitern durch ein Temperaturgefälle eine Spannung entsteht.

Vorausschauendes Energiemanagement reagiert situationsbedingt

Die Vernetzung der einzelnen Systemkomponenten an Bord des BMW Vision EfficientDynamics ermöglicht darüber hinaus die Integration eines vorausschauenden Energie-Managements. Es basiert auf Informationen, die von den Sensoren der an Bord befindlichen Fahrerassistenzsysteme erfasst werden. Die Daten, die beispielsweise vom Regensensor oder der aktiven Geschwindigkeitsregelung mit „Stop & Go“-Funktion und vom Navigationssystem geliefert und anschließend zentral ausgewertet werden, lassen Rückschlüsse auf die aktuelle und auf bevorstehende Fahrsituationen zu.

Das Ergebnis der Datenauswertung befähigt den Bordcomputer beispielsweise dazu, eine Prognose für die Fahrsituation auf der unmittelbar vorausliegenden Strecke zu erstellen. Anhand dieser Berechnung wird das Fahrzeug vorausschauend konditioniert und durch die optimale Nutzung aller Systeme die zur Verfügung stehende Energie möglichst effizient genutzt.

Ermittelt der leistungsfähige Zentralrechner beispielsweise, dass eine Autobahnfahrt bevorsteht, wird schon eine gewisse Zeitspanne vor Erreichen der Schnellstraße die Leistung des Kühlsystems reduziert. Das System setzt dabei voraus, dass sich der durch diese energiesparende Maßnahme verursachte kurzfristige Anstieg der Kühlwassertemperatur durch die höhere Geschwindigkeit auf der Autobahn schnell ausgleichen lässt. Die Konditionierung des Fahrzeugs umfasst darüber hinaus die Energierückgewinnung aus der Klimaanlage, die elektronische Servolenkung (EPS) und den Bremsassistenten.

Der BMW Vision EfficientDynamics sammelt durch „ConnectedDrive“ auch Daten, die beispielsweise von anderen Fahrzeugen (Car 2 Car) und von an Gebäuden oder Brücken fest installierten Sensoren (Car 2 Infrastructure) zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise kann man beispielsweise einen Stau frühzeitig umfahren oder die Suche nach einem Parkplatz deutlich verkürzen. Die entsprechenden, bereits heute von „ConnectedDrive“ angebotenen Services zur Stauumfahrung und Parkplatzsuche erweitert BMW somit um eine vor allem die Effizienzsteigerung fördernde Komponente.

Zum intelligenten Energie-Management gehören ferner Vorkehrungen, die es dem Fahrer ermöglichen, Einfluss auf die Effizienz des Fahrzeugs zu nehmen. Durch die Ergänzung der Fahrdynamik-Control um einen Eco-Mode, kann der individuelle Fahrstil besonders wirksam zur Verbrauchs- und Emissionsreduzierung beitragen. Zu diesem Zweck weist ein Display im Instrumentenkombi den Fahrer auf möglichst effizientes Beschleunigen, Bremsen und - im manuellen Modus - Schalten hin. Im Automatik-Betrieb passt die Elektronik die Schaltkennlinien des Doppelkupplungsgetriebes und die Kennlinie des elektronischen Fahrpedals unter Verbrauchsgesichtspunkten der jeweiligen Fahrsituation an.