BMW LifeDrive technologie

Autor: Ondřej Daňa, rubrika: News, Ostatní, publikováno: 19. 07. 2010 | žádný komentář

Automobil poháněný elektřinou vyžaduje více než pouhou náhradu spalovacího motoru elektrickým hnacím ústrojím. Elektrifikace pohonu obsahuje mnohem rozsáhlejší změny, než by se mohlo na první pohled zdát, a současně umožňuje zcela nově koncipovat rozvržení jednotlivých komponentů uvnitř automobilu. Zkušenosti BMW Group získané při vývoji vozů MINI E a BMW ActiveE ukázaly, že „přestavba“ nedokáže naplno využít veškerý potenciál nabízený elektrickým pohonem. Předělané automobily jsou totiž relativně těžké, protože základní koncept automobilu je navržen pro odlišné použití. Nová koncepce karoserie byla vyvinuta speciálně pro maximální využití elektrického pohonu a současně pro splnění všech bezpečnostních požadavků. Jak tedy vypadá funkční a nesmírně účinná konstrukce elektřinou poháněného automobilu?

Lehká stavba pro elektromobily.

Karoserie moderního automobilu by měla být nejen velmi pevná, ale především také lehká. Nízká hmotnost je mimořádně důležitá zejména u elektřinou poháněných automobilů, protože právě zde výrazně omezuje jejich dojezd. Nižší hmotnost znamená delší dojezd jednoduše proto, že automobil musí pohybovat s menší masou hmotnosti. To je obzvlášť znatelné zejména při jízdě ve městě, kde se často zrychluje. Právě pro městský provoz jsou elektromobily určené především. Kromě dojezdu má nízká hmotnost přímý vliv také na zlepšení dynamiky. Lehčí automobil nejenže rychleji zrychluje, ale současně je také obratnější v zatáčkách a účinnější brzdí. Nízká hmotnost je tedy účinnou cestou k větší radosti z jízdy, obratnosti a bezpečnosti. Menší hmotnost totiž znamená, že bezpečnostní struktury vozu musejí při nárazu absorbovat méně energie. Nároky na snižování hmotnosti jsou proto velmi vysoké a jsou jedním z hlavních cílů již od počátku vývoje. Hnací ústrojí elektromobilu je těžší než konvenční spalovací motor včetně plné nádrže paliva. Elektrický hnací systém váží včetně akumulátorů přibližně o 100 kg více a je zřejmé, že právě akumulátorům z této masy patří zdaleka největší část. Právě pro eliminaci této extra hmotnosti BMW Group intenzivně pracuje na novém konceptu karoserie a využívání pokrokových materiálů. Pro jednotlivé díly automobilu se používají přesně dané materiály, které umožnily účinně snížit hmotnost celé struktury vozu tak, že hmotnostní nárůst elektrického hnacího systému je zanedbatelný.

„Lehké materiály jsou důležitou vlastností, která usnadnila cestu k elektřinou poháněným automobilům. Pomohly totiž eliminovat nárůst hmotnosti způsobený těžkými akumulátory.“ (Bernhard Dressler)

Účelná konstrukce – koncept LifeDrive.

Nízká hmotnost konstrukce automobilu je však pouze jednou z jeho vlastností. Čistě elektrický pohon nového vozu umožnil inženýrům BMW Group zcela přepracovat základní architekturu automobilu. Vyvinuli koncept LifeDrive, který jde vlastní cestou a je navržen tak, že vychází vstříc především konkrétnímu druhu zaměření, ale také způsobu i místu používání automobilu, jimž odpovídá rovněž pokrokové používání nejmodernějších materiálů.
Podobně, jako je tomu u automobilů postavených na nosném rámu, tak také přístup LifeDrive je tvořen dvojicí horizontálně oddělených modulů. Modul „Drive“ je vyroben z hliníku a je velmi pevným základem vozu, v němž jsou integrovány akumulátory a prvky hnacího ústrojí. Tento modul má také za cíl absorbovat největší porce energie při případném nárazu. Druhý modul, „Life“, je tvořen převážně extrémně pevnou kabinou vyrobenou z plastů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP). Toto nekonvenční a pokrokové řešení stavby vozu je zcela novou dimenzí v otázkách nízké hmotnosti, architektury automobilu jako celku a současně také bezpečnosti.
„Koncept LifeDrive propojuje všechny systémy potřebné pro pohon zcela podle toho, jak je to pro elektromobily nejúčelnější. Spojuje je se zcela novou logikou, avšak současně v tradičním stylu BMW Group.“ (Uwe Gaedicke)

Modul Drive – základní pevná struktura.

V modulu Drive je ve vysokopevnostní hliníkové struktuře integrováno několik funkcí. Jedná se o základní nosnou část vozu s kompletním podvozkem, deformačními zónami, akumulátorem a elektromotorem, která váží přibližně 250 kg. Hlavní prioritou při konstrukci modulu Drive byla funkční integrace jeho nejtěžšího prvku, kterým je akumulátor. Bylo potřeba zajistit, aby měl optimální podmínky pro svoji činnosti a současně byl účinně chráněn v případě nehody.
Modul Drive je rozdělen do trojice částí. Ve střední části je umístěn akumulátor, obklopený masivními hliníkovými profily. Vpředu a vzadu jsou situované deformační zóny schopné absorbovat energii čelního nebo zadního nárazu. Součástí modulu Drive je také kompletní hnací ústrojí, stejně tak jako podvozek. Všechny tyto prvky jsou velmi kompaktní a ve srovnání s konvenčním automobilem vyžadují jen velmi málo prostoru.

Modul Life – CFRP otevírá novou dimenzi.

Modul Life je druhou z hlavních částí konceptu LifeDrive. Nejvýraznější charakteristikou tohoto modulu je skutečnost, že je vyroben především z plastů vyztužených uhlíkovými vlákny CFRP (Carbon Fibre-Reinforced Plastic). Použití tohoto materiálu v takovém rozsahu na automobilu, s nímž se počítá do sériové výroby, dosud nemá obdoby. V minulosti bylo použití tohoto materiálu v takovém rozsahu příliš nákladné, a také jeho zpracování bylo velmi obtížné. Avšak více než deset let zkušeností se zpracováním a výrobou tohoto materiálu spolu s intenzivními vývojovými pracemi a optimalizací výrobního procesu zajistilo, že BMW Group je v současnosti jediným automobilovým výrobcem, který může v takovém měřítku materiál CFRP vyrábět. Ve srovnání s ocelí se CFRP vyznačuje hned několika výhodami. Při přibližně stejné pevnosti jako ocel je o 50 procent lehčí. Například hliník je ve srovnání s ocelí „jen“ o přibližně 30 procent lehčí. CFRP je proto nejlehčím materiálem používaným ke konstrukci karoserie, aniž by byla jakkoliv omezena bezpečnost vozu. Takto extenzivní použití tohoto hi-tech materiálu zajistilo, že se modul Life vyznačuje extrémně nízkou hmotností, která přispívá jak k prodloužení dojezdu, tak ke zvětšení dynamiky. Současně je přínosem rovněž pro agilitu vozu, protože mimořádná tuhost karoserie je zárukou přímé a přesné odezvy na veškeré povely volantem. Tuhá struktura karoserie je však přínosem také pro komfort, protože je sama o sobě schopna velmi účinně vzdorovat nejrůznějším vibracím vznikajícím při jízdě.

Kromě nízké hmotnosti ale modul Life otevírá zcela nové možnosti v otázkách řešení vnitřního prostoru a způsobu, jak může vnitřní prostor moderního automobilu vypadat. Vzhledem k tomu, že všechny komponenty hnacího ústrojí jsou integrovány do platformy Drive, mohl být zcela odstraněn středový tunel, který u standardních vozů vede hnací sílu k zadními kolům. Tím se podařilo ve srovnání s konvenčním vozem o stejném rozvoru náprav citelně zvětšit vnitřní prostor vozidla MCV. Nově pojaté řešení současně umožňuje integrovat mnoho nových funkcí a současně se s větší volností lépe přizpůsobit neustále vzrůstajícím nárokům, které budou kladené na osobní automobil určený pro zastavěné a hustě osídlené oblasti velkých měst.

CFRP v konstrukci karoserie.

Materiál CFRP má pro konstrukci karoserie automobilu mnoho předností. Je například odolný vůči korozi, což mu zajišťuje delší životnost, než jakou disponuje kov. Zcela tak odpadá ochrana karoserie proti korozi. Materiál CFRP je také stálý za všech klimatických podmínek. Tajemství tohoto mimořádně pevného materiálu spočívá v uhlíkových vláknech, které se vyznačují extrémní pevností v podélném směru. Z těchto uhlíkových vláken je vytvořena mříž, jež se následně zalije do plastu, čímž vznikne materiál CFRP – plast zesílený uhlíkovými vlákny (Carbon Fibre-Reinforced Plastic). Suchý uhlíkový základ materiálu CFRP bez pryskyřice má vlastnosti podobné jako textilie a lze jej velmi rozmanitě tvarovat. Konečné tvrdosti se dosahuje až po jeho zapečení do pryskyřice. Právě ta dodá CFRP pevnost oceli při mnohem nižší hmotnosti. Právě extrémní pevnost uhlíkových vláken v tahu umožňuje cíleně měnit směr tuhosti jednotlivých částí CFRP. Z tohoto důvodu jsou uhlíková vlákna v jednotlivých dílech umístěna podle směru největšího zatížení. Aplikací uhlíkových vláken určitým směrem lze přesně ovlivňovat výslednou tuhost. Díky tomu může být konstrukce celku z materiálu CFRP mnohem efektivnější a účelnější, než konstrukce z konvenční oceli. Právě tato vlastnost umožňuje další zmenšení množství použitého materiálu a hmotnosti – úspory jsou díky tomu zřejmé a ovlivňují mnoho rozmanitých vlastností automobilu.

„Materiál CFRP umožňuje vyrábět extrémně pevné plasty bez kompromisů v oblasti komfortu a bezpečnosti.“ (Bernhard Dressler)

Nízká hmotnost a vysoká bezpečnost.

Kromě nízké hmotnosti hrála hlavní úlohu při vývoji konceptu LifeDrive především bezpečnost. I proto bylo na struktuře karoserie provedeno mnoho simulací nejrůznějších typů nárazu. Nutno říci, že práce s novým materiálem kladla na vývojové techniky mimořádně vysoké nároky. Avšak spojení hliníkové platformy Drive s karbonovou strukturou modulu Life splnila všechna očekávání – a to již v úvodních fázích testování. Jasně se tak ukázalo, že nízká hmotnost nemusí být v protikladu k vysoké míře bezpečnosti. „Nízká hmotnost automaticky nemusí znamenat ,méně bezpečný‘ – ba právě naopak. Ve skutečnosti koncept LifeDrive svými vlastnostmi při nárazových testech předčil existující konstrukce.“ (Nils Borchers)

Materiál CFRP se vyznačuje velkou odolností vůči poškození zejména díky své kombinaci pevnosti a schopnosti pohltit velké množství energie. I při nárazech ve vysokých rychlostech vykazuje minimální známky poškození. Stejně, jako je tomu ve formuli 1, také v tomto případě dokáže materiál CFRP zajistit extrémně pevný prostor pro přežití posádky. Při čelních i zadních nárazech zůstává prostor pro posádku nepoškozen a dveře lze bez nejmenších problémů otevřít.

Nepřekonatelná ochrana při bočním nárazu.

Schopnost absorpce energie je u materiálu CFRP mimořádná – to se jasně ukázalo nejen při standardním bočním nárazovém testu, ale také při testu nárazu do sloupu. I při takto intenzivní koncentraci nárazové energie došlo k minimálnímu poškození struktury CFRP a k nepřekonatelné úrovni ochrany posádky. Rovněž tyto vlastnosti ukazují, že materiál CFRP je pro použití v automobilech mimořádně vhodný. „Pro zničení materiálu CFRP je potřeba použít extrémně vysoké síly a/nebo aplikovat extrémní zrychlení – tyto hodnoty musejí být mnohem větší, než byste si mysleli.“ (Bernhard Dressler)Samozřejmě, že pro materiál DFRP existují i omezení. Jakmile dojde k překročení sil nad rámec pevnosti materiálu, dojde k jeho přesně danému rozlámání na mnoho malých částic.

Nejlepší ze dvou světů – kombinace hliníku a CFRP.

Také modul Drive byl navržen s intenzivním zaměřením na nejvyšší míru bezpečnosti. Programově deformovatelné prvky v přední a zadní části dodávají další potřebou úroveň bezpečnosti, protože jsou připraveny absorbovat velkou část energie nárazu. Akumulátor je přitom umístěn v podlaze vozu, kde je podle statistických výpočtů nejúčinněji chráněn před všemi myslitelnými typy nárazů. Instalace akumulátoru do podlahy vozu má přínos také ve snížení těžiště automobilu, což je nejen přínosem pro agilitu v zatáčkách, ale také se minimalizují tendence k případnému převrácení. Při nárazech z boku je akumulátor chráněn modulem Drive, a především extrémní pevností platformy Life. Právě tato kombinace je zárukou nejvyšší možné ochrany akumulátoru.

„Modul Drive poskytuje nejvyšší myslitelnou míru ochrany akumulátoru.“ (Hans-Jürgen Branz)

Přístup LifeDrive se vyznačuje optimální ochranou své posádky. Spojuje totiž tuhost a pevnost materiálu CFRP se schopností pohltit energii hliníkového modulu. Právě tato kombinace materiálů přináší ve výsledku účinnější míru ochrany než čistě ocelová karoserie. Nejrůznější testy ukázaly značný potenciál CFRP zejména v kombinaci s jinými druhy materiálů. I přesto, že jsme dnes v této oblasti teprve na začátku, lze říci, že CFRP již nyní překovává jiné materiály, které již prošly bohatým vývojem.

Přednosti přístupu LifeDrive.

Nová konstrukce LifeDrive umožnila účelně integrovat všechny prvky elektrického hnacího ústrojí do velmi bezpečného a nárazům odolávajícího celku. Právě mimořádná bezpečnost je spolu s nízkou hmotností, zajišťující delší jízdní dosah a současně lepší dynamiku, nejvýraznějším přínosem. Za novou strukturou LifeDrive však nestojí pouze nové technické řešení samotného automobilu, ale současně také vývoj odpovídajících výrobních procesů, které se velmi liší od současných zvyklostí. Konstrukce automobilu na základním nosném rámu je velmi praktická i při relativně malých výrobních počtech a současně zajišťuje značnou přizpůsobivost celku. Toto technické řešení totiž otevírá prostor pro zcela nové řešení výroby, která je jednodušší a současně vyžaduje mnohem méně energie. Příkladem je v tomto směru třeba horizontální rozdělení automobilu na dvě části, které se vyrábějí zcela odděleně a lze je spojovat v podstatě kdekoliv na světě podle aktuálních požadavků.

„Vývoj platformy LifeDrive v posledních letech ukázal, že se jedná o řešení schopné vyjít plně vstříc nárokům elektřinou poháněných automobilů. Současně má ale také svůj vlastní potenciál pro další vývoj.“ (Uwe Gaedicke)