BMW Group z mnoha důvodů vidí jako budoucí trend pro pohon automobilů elektřinu

Vývoj klimatických změn a zmenšující se zásoby fosilních paliv jsou pro lidstvo jasným signálem, že je potřeba poněkud změnit pohled na jednotlivé oblasti jeho počínání. U BMW Group jsme si toho vědomi, a proto již několik desetiletí pracujeme na různých projektech vedoucích k nalezení ideálního dopravního prostředku pro zajištění individuální dopravy i ve vzdálenější budoucnosti. Nyní nastal čas, kdy můžeme prezentovat významný milník této cesty, na jejímž konci je dopravní prostředek s čistým bezemisním provozem, který vyhoví nejrůznějším nárokům kladeným na pohyb po neustále se rozrůstajících velkoměstech celé planety.

BMW Group z mnoha důvodů vidí jako budoucí trend pro pohon automobilů elektřinu. Mezi její přednosti patří právě čistý bezemisní provoz, vysoká účinnost elektromotoru, jeho příznivá výkonová charakteristika a také nízká hlučnost. V případě dobíjení automobilů pomocí „zelené“ energie se také jeho kompletní provoz, tedy včetně započítání výroby jeho paliva (elektřiny), stává klimaticky zcela neutrální. Obecně platí, že největším problémem elektrického pohonu je zatím stále poněkud omezená energetická hustota v akumulátorech. BMW Group v tomto směru intenzivně spolupracuje se společností SB LiMotive na vývoji nových druhů akumulátorů. Právě v této oblasti elektrického pohonu se v následujících letech očekává největší pokrok.

V roce 2007 společnost BMW Group zahájila novou éru své existence, když vyhlásila strategii „Number One“, jejímž cílem je zajištění dlouhodobé nezávislosti a ziskovosti. Jasnou cestou k těmto cílům je vývoj moderních dopravních prostředků, které ctí všechny aktuální a zejména budoucí nároky, jež budou zákazníci klást na individuální dopravu. I proto vznikl v rámci BMW Group tzv. projekt i, který sdružuje odborníky z různých oddělení společnosti, jejichž cílem je nejen vývoj samotného automobilu budoucnosti, ale také jeho výrobního zázemí a systému dopravy jako celku.

Nový produkt, který má zatím pracovní označení MCV – Megacity Vehicle – a bude se prodávat v rámci značky BMW, byl vyvinut na základě informací získaných z mnoha společenských průzkumů v oblasti individuální dopravy, a proto bere v potaz také nové společenské trendy, včetně například změn klimatu či demografického vývoje.
Jedná se o velmi propracovaný a moderní automobil, určený zejména pro provoz po světových velkoměstech. Jeho charakteristickými vlastnostmi není pouze čistě elektrický pohon, ale především také zcela nově pojatá konstrukce karoserie, jež využívá nejmodernější materiály. Právě elektrický pohon a jeho specifické prostorové nároky dovolily kompletně přepracovat architekturu automobilu.

Samotné elektrické hnací ústrojí je tvořeno lithium-iontovými akumulátory, které dodávají svoji energii synchronnímu elektromotoru s permanentními magnety, umístěnému přímo mezi hnanými zadními koly. Elektromotor je výsledkem vlastního vývoje BMW Group. Tímto krokem hodlá BMW i nadále pokračovat v pozici výrobce nejmodernějších hnacích jednotek pro osobní automobily, kterou si udržuje již několik desetiletí. Předprodukční verze elektrické hnací soustavy pro rok 2013 připravovaného vozu MCV se bude od roku 2011 testovat v sérii elektromobilů postavených na základě studie BMW ActiveE z prosince roku 2009.

Jednou z rozhodujících vlastností, umožňující každodenní použitelnost elektřinou poháněného automobilu, je dojezd. Na něj má značný vliv kromě jiného především hmotnost. BMW Group se proto při vývoji komplexně soustředila na její snižování. I proto vyvinula unikátní konstrukci karoserie nazvanou LifeDrive. Jedná se o spojení dvojice struktur. Základním nosným prvkem je modul Drive, v němž jsou umístěné všechny prvky hnacího systému včetně akumulátoru, podvozkových částí a bezpečnostních deformačních struktur vpředu a vzadu. Na této platformě je umístěna karoserie automobilu vyrobená z plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny CFRP (Carbon Fibre-Reinforced Plastic), která se vyznačuje mimořádnou pevností a nízkou hmotností. Materiál CFRP je o 50 procent lehčí než ocel.

V automobilovém průmyslu se jedná o značný unikát, protože výroba karbonových kompozitních dílů v tak masovém měřítku, jako se připravuje pro vozidlo MCV, nemá obdoby. Jedná se o výsledek deset let trvajícího postupného vývoje výrobních postupů, materiálů a nářadí. BMW Group je tak jediným výrobcem automobilů na světě, který je připraven zcela soběstačně (od uhlíkového vlákna až po produkci kompletních výrobků), ve velkém a zejména ekonomicky vyrábět díly z CFRP. Ty se proto budou moci využívat nejen pouze pro omezené série speciálních automobilů, ale především jako hlavní stavební materiál pro velkosériové automobily budoucnosti.

Představená dlouhodobá strategie je jasnou ukázkou toho, jak si BMW Group představuje vývoj individuální dopravy v následujících desetiletích. Je však zřejmé, že již v roce 2013 bude na trhu první automobil, který této vizi bude plně odpovídat. Elektromobil MCV je jasnou ukázkou technologické kompetentnosti BMW Group, stejně tak jako vodítkem pro budoucnost a současně zárukou budoucí nezávislosti společnosti BMW Group.

V současnosti je zřejmé, že na individuální mobilitu se kladou stále zvýšené nároky z různých oblastí. Svět je ve stavu neustálých sociálních, environmentálních, ale také ekonomických otřesů a změn. Avšak na jaké proměny se máme zaměřit a jak na ně můžeme reagovat?

Změny klimatu a globální oteplování.
Změny klimatu a globální oteplování jsou nezvratnými fakty. Desetiletí od roku 2000 do 2009 bylo nejteplejší dekádou vůbec a snahy o potlačení těchto změn jsou výraznější než kdy předtím. Zvyšování průměrných teplot s sebou přináší mnoho konsekvencí v podobě například rychlejšího tání ledovců, zvyšování hladiny oceánů, měnícího se rozdělení srážek a také větších extrémů v počasí. Jednou z příčin neustále stoupajících průměrných teplot je posilování skleníkového efektu lidskou činností. Zejména při spalování fosilních paliv vzniká oxid uhličitý (CO2), který přispívá k tvorbě skleníkového efektu, a tím zrychluje globální oteplování. Pro zpomalení nebo dokonce zastavení klimatických změn je nezbytné významně a rychle snížit produkci CO2. Jednou z cest v tomto směru je přechod z fosilních paliv na obnovitelné zdroje energie a současně důsledné snížení spotřeby energie ve všech směrech.
Zvětšující se nedostatek zdrojů.
Kromě změn klimatu je největším problémem naší planety zejména hrozící nedostatek zdrojů. Zásoby surovin, jako je ropa či drahé kovy, nejsou nekonečné a jejich spotřeba navíc den ode dne stoupá. Jednou z příčin zmenšování zdrojů spočívá v neustále se zvyšující industrializaci rozvojových se zemí. Opomenout však nelze ani zvětšující se počet lidí na Zemi, stejně tak jako neustále se zvyšující životní standardy a v neposlední řadě i nezodpovědné zacházení se zdroji. Výsledek je zřejmý: ceny rostou téměř v každém sektoru. Pro relativně blízkou budoucnost – nelze říci přesně, kdy se tak stane – je jisté, že nastane okamžik, kdy se maximální možná těžba ropy rovná její spotřebě. Půjde o jakýsi ropný bod zlomu. I to je důvod, proč vývoj a hledání alternativních zdrojů energie, nezávislých na fosilních palivech, jedou v současnosti na plné obrátky.
Trvale udržitelný rozvoj jako společenský trend.
Eskalace klimatických změn a ubývající zdroje způsobují, že lidstvo si je své role v ekologickém systému stále více vědomo. Mnoho lidí si totiž tento trend a skutečnost, že jsou součástí celého systému, uvědomilo a také s ohledem na budoucí generace se snaží chovat odpovědněji. Avšak odpovědnější chování neznamená pouze „ekologičtější“. Obecně lze říci, že odpovědnost nebo trvale udržitelný rozvoj má tři hlavní aspekty: ekologický, ekonomický a společenský. Ekologická udržitelnost spočívá znamená v zachování přírody a prostředí budoucím generacím, což zavazuje k účinnějšímu a účelnějšímu využívání energetických zdrojů. Ekonomická udržitelnost znamená ekonomické chování vedoucí k robustním a pokud možno trvalým základům pro fungující obchod, zaměstnanost a prosperitu. Společenskou odpovědností je v tomto kontextu míněno zejména zapojení všech členů komunity do tohoto přístupu. BMW Group je jednou z prvních společností, která se podle tohoto kontextu trvalé udržitelnosti a odpovědnosti začala chovat. Cílem je, aby vznikl přínos jak pro samotnou firmu, tak rovněž pro životní prostředí a celou společnost.
Skutečnost, že v podnikání je odpovědnost stále významnější, potvrzuje i fakt, že vznikají nástroje jako třeba ukazatel Dow Jones Sustainability Index, který hodnotí společnosti nejen podle čistě ekonomických ukazatelů, ale také v ekologických a sociálních aspektech. Jistě není bez zajímavosti, že BMW Group je v této oblasti již pět let po sobě vedoucí společností v celosvětovém kontextu.
Zvětšující se urbanizace – města potřebují nové způsoby řešení mobility.
Jedním z dalších trendů, který lze v posledních letech sledovat, je rostoucí urbanizace. Stále více lidí se stěhuje z vesnic do měst, obce se zvětšují do podoby měst a s tím, jak se jednotlivá sídla zvětšují, mizí také hranice mezi nimi a stávají se z nich velká souměstí. Od roku 2007 žije více než polovina lidí na naší planetě ve městech. Podle předpovědí OSN bude v roce 2030 ve městech žít až 60 % lidí a v roce 2050 dosáhne tato hodnota čísla 70 %. Již nyní je na světě více než 130 měst, jejichž počet obyvatel přesahuje 3 milióny lidí.
Jedním z efektů urbanizace je vznik tzv. megapolí, které se vyznačují tím, že v nich bydlí více než 8 milionů lidí. Na světě je těchto velkoměst již více než 30 a žije v nich přibližně 280 milionů lidí. Jelikož tyto hustě osídlené oblasti rostou velmi rychle, dochází v nich k přelidňování a značnému znečištění. Ne všechny megapole (například Šanghaj, Londýn, Los Angeles nebo Tokio) jsou však stejné a jejich obyvatelé mají například zcela odlišné nároky na způsob jejich osobní dopravy. Město od města se v tomto ohledu značně liší.
Legislativa reflektuje měnící se prostředí.
Také vlády jednotlivých zemí berou změny klimatu a zmenšování zdrojů vážně a aktivně se zapojují do snižování produkce CO2. Zavádějí se například certifikace automobilů s nulovou produkcí emisí, omezení vjezdu pro určité skupiny automobilů či specifické právní úpravy. USA, Evropa, Čína a Japonsko se například do roku 2020 zavázaly na snížení celkové produkce emisí automobily o 30 procent ve srovnání s rokem 2008.
Odpovědnost BMW Group.
Doprava budoucnosti vyžaduje zcela nové vyvážení mezi globální odpovědností a individuálními nároky. Zcela nezbytné je nabídnout nové řešení dopravy ve městech. Mělo by se jednoznačně jednat o ekologická vozidla nabízející vysokou míru diverzifikace. Je zřejmé, že mimořádně významné je v tomto směru především snižování spotřeby paliva a emisí. Společnost BMW Group tyto potřeby rozpoznala a vytkla si v tomto směru za cíl navrhnout a vytvořit dopravní prostředek budoucnosti s nulovými emisemi. BMW Group proto vyvíjí automobil, který v této oblasti otevře zcela nové možnosti a současně se dokáže účinně přizpůsobit potřebám svých majitelů.
„I v budoucnu samozřejmě bude existovat potřeba individuální dopravy. Lidé se vždy budou chtít sami rozhodnout kdy, kam a jak budou cestovat. Avšak budou se přitom chtít chovat odpovědněji k životnímu prostředí. Současně bude stále existovat touha lidí po odlišení od ostatních – například chuť stát stranou hlavního proudu prostřednictvím vlastnictví prémiového produktu.“ (Peter Ratz)
Elektrický pohon – dlouhodobé řešení a stabilní trend.
BMW Group vidí v elektrickém pohonu jednu z možných cest k naplnění potřeb individuální dopravy v budoucnu. Jeho mimořádná přednost spočívá v tom, že při provozu neprodukuje žádné škodliviny. V případě, že je elektřina pro pohon elektrického automobilu získávána z obnovitelných zdrojů (například větrné nebo vodní elektrárny), stává se i jeho provoz klimaticky neutrální, a tím zachovává přírodní zdroje a nepřivádí do ovzduší žádný dodatečný CO2. Elektromobilita na jednu stranu zajistí lepší životní prostředí ve městech a na stranu druhou současně umožní, aby se potřeby osobní dopravy naplňovaly odpovědnějším a dlouhodobě udržitelnějším způsobem.
„Elektrický pohon umožní lidem, aby byli podle svých potřeb mobilní a přitom nezatěžovali prostředí žádnými škodlivými emisemi.“ (Martin Arlt)
Výkon, síla a komfort – radost znamená E-mobilita.
Elektrický pohon neznamená pouze bezemisní provoz, ale také unikátní a vzrušující jízdní zážitek. Nejedná se přitom pouze o převážně neslyšný provoz, ale například také o mimořádný točivý moment elektromotoru již od nulových otáček. Právě ten dodává automobilu značnou agilitu a je zárukou radosti z jízdy. Elektricky poháněné automobily jsou navíc schopné akcelerovat bez přerušení síly putující od motoru ke kolům.
„Naši zákazníci, kteří měli v rámci testování možnost svézt se s elektrickým automobilem, jednoduše říkají, že se jedná o velkou zábavu.“ (Ulrich Kranz)
Jízda s elektřinou poháněným automobilem má ještě jednu specialitu. Když dáte nohu z plynového pedálu (možná je v tomto kontextu lepší používat výraz „jízdní pedál“), auto se nepohybuje plynule dál, ale aktivně zpomaluje. Plynový pedál v elektřinou poháněných automobilech má sice stejnou úlohu jako v konvenčních vozech, jedná se však o zcela jinak fungující ovládací prvek. Zejména při pomalé jízdě s měnící se rychlostí zajišťuje velmi komfortní ovládání. To znamená, že při jízdě ve městě je možné až 75 procent zpomalení absolvovat pohybem pouze tohoto pedálu, tedy bez použití klasického brzdového systému. Toto zpomalování je navíc energeticky velmi přínosné, protože se jedná o rekuperaci kinetické energie. Jakmile totiž dá řidič nohu z „jízdního pedálu“, elektromotor se změní na generátor, který kinetickou energii transformuje na elektřinu do akumulátoru. Tímto způsobem může být recyklováno přibližně 20 procent vydané energie.
Jaká jsou omezení elektrického pohonu?
Elektrický pohon je teprve na začátku svého vývoje a v mnoha oblastech jej čeká neustálé zdokonalování. V současnosti je bezpochyby největším omezením zejména způsob uchovávání energie, který nedosahuje potřebného poměru mezi hmotností a množstvím energie obsažené v akumulátorech. Právě to je aktuálně pro elektrický pohon největším omezením.
Kapacita a hmotnost energetických zásobníků.
V současnosti se pro uchování energie používají zejména akumulátory, které ale nedokáží pojmout její dostatečné množství. Ve stávajících elektromobilech energie obsažená v akumulátorech odpovídá přibližně dvěma až třem litrům benzinu Natural 95. Tato skutečnost je jen částečně kompenzována vysokou účinností elektromotoru. Ve srovnání se spalovacím motorem, který dokáže využít přibližně 40 procent energie obsažené v palivu, činí totiž účinnost elektromotoru až 96 procent. Díky tomu vás může elektromotor se stejnou energií dovézt podstatně dál, nicméně i tak nelze akční rádius elektromobilu stále srovnávat s dojezdem automobilu se spalovacím motorem. Vývoj systémů pro uchování energie, tedy energetických zásobníků či akumulátorů, je však teprve na začátku a již nyní je jisté, že největší pokroky budou v nejbližších letech zaznamenány právě v této oblasti. V budoucnu tedy akumulátory pojmou nejen více energie, ale současně také budou levnější, lehčí a kompaktnější.
Kromě množství energie, kterou je možné v současnosti uchovat, omezuje nejvíce akční rádius stávajících elektřinou poháněných automobilů hmotnost akumulátorů. Platí totiž, že čím je automobil lehčí, tím má pro danou kapacitu akumulátoru větší dojezd. V současnosti mají akumulátory velikost přibližně shodnou s velkým cestovním kufrem a jsou velmi těžké. Je potřeba vzít v potaz, že zvýšení kapacity akumulátoru, které prodlouží dojezd elektromobilu, s sebou přináší zvýšení jeho hmotnosti, což ale naopak jeho dojezd zkracuje. Pro kapacitu a hmotnost akumulátoru je proto potřeba najít ten správný kompromis. Současně je nutné systematicky snižovat hmotnost elektromobilů a zdokonalovat inteligentní řízení jejich dobíjení a využívání energie. Vývoj se dotkne také rychlosti dobíjení akumulátorů, protože u současných elektromobilů dochází kvůli několikahodinovému nabíjení na plnou kapacitu ke značným časovým prostojům.
„Moc dobře si jsme vědomi největších slabin elektromobilů, nicméně to nás neodradí od neustálého vývoje krok za krokem.“ (Martin Arlt)
Vývojoví inženýři BMW Group jasně identifikovali oblasti elektrického pohonu, které je třeba optimalizovat, a navrhnout taková řešení, jež budou pro zákazníka přínosem. I to je důvod, proč BMW Group v Německu, Velké Británii a USA již spustila rozsáhlý vývojový projekt, který by měl poukázat na reálné potřeby zákazníků a řidičů elektřinou poháněných automobilů. Získané informace z provozu elektrických MINI E ukazují, že se BMW Group v této oblasti vydalo správným směrem.
BMW Group pokračuje v komplexním řešení pro budoucnost.
Elektromobilita je integrální součástí přístupu EfficientDynamics, který ve stávajících vozech BMW umožnil významné snížení spotřeby paliva a produkce emisí prostřednictvím nové generace účinnějších motorů, aerodynamické optimalizace, pokrokového snižování hmotnosti či inteligentního hospodaření s energiemi uvnitř automobilu – to vše přitom při zlepšení dynamických parametrů. Jedině díky tomuto ucelenému přístupu bylo možné dosáhnout mezi roky 1995 a 2009 snížení průměrné spotřeby vozů BMW o téměř jednu třetinu. Dalšího snížení spotřeby paliva se v dalším kroku dosahuje zavedením elektrického členu do hnací soustavy se spalovacím motorem – hybridizací. Přístup EfficientDynamics se částečně přeměňuje při cestě za dopravním prostředkem bez produkce emisí během provozu – jedná se tedy zejména o elektrický pohon s akumulátory nebo vodíkem, coby zásobníky energie.
„V dlouhodobém časovém horizontu bude doprava zásobována výhradně energiemi získávanými z obnovitelných zdrojů. Neobnovitelné zdroje jsou totiž příliš cenné na to, abychom je prohýřili.“ (Peter Ratz)
Odpovědnost v BMW Group.
BMW Group se při své činnosti neohlíží pouze na automobily jako takové, ale filozofii přístupu EfficientDynamics aplikuje také v celém procesu výroby a vzniku automobilů. Jedná se především o koncepci aplikovanou na výrobní závody, jež se nazývá Clean Production a soustředí se na minimalizaci spotřeby energií a dopadů na životní prostředí.
„V naší společnosti věříme, že v budoucnosti bude prémiová mobilita znamenat více než dnes. Bude v ní mít větší význam také otázka odpovědnosti k životnímu prostředí. Lidé, kteří myslí ,prémiově‘, budou v budoucnu pod tímto slovem mínit také význam ,odpovědně‘.“ (Martin Arlt)
BMW se systematicky připravuje na éru elektřinou poháněných automobilů. DNA společnosti BMW Group se bude aplikovat na elektrická vozidla a současně se definují základní hodnoty a cíle pro vývoj a návrh designu budoucích elektrických modelů. Základem je v tomto ohledu vývoj maximálně účinného energetického managementu pro energetické články, jejich inteligentní řízení a současně i optimální řízení jejich teploty. Značný důraz se samozřejmě klade také na vývoj vlastních účinných elektromotorů. BMW Group totiž hodlá dostát své pověsti výrobce nejlepších automobilových motorů a vyčlenit se od konkurence nejen ve strojích, kde z fosilních paliv vzniká pohyb, ale také v segmentu, kde se pohyb vytváří z elektrického proudu.
„BMW Group má svoji kompetenci ve výrobě motorů zakotvenou již ve svém jméně. A tak tomu zůstane i nadále.“ (Patrick Müller)
V dalších oblastech se BMW spoléhá na spolupráci s renomovanými partnery. Jedná se například o společnost SB LiMotive zabývající se vývojem akumulátorů, ale také o společnost SGL Automotive Carbon Fibers (SGL Group), jejíž hlavní činností je vývoj a výroba uhlíkových vláken a komponentů z nich vyrobených. Příkladem této spolupráce je například společný podnik právě s SGL Automotive Carbon Fibers (SGL Group) v americkém Moses Lake, který bude zajišťovat vysoce efektivní, a tím i ekonomickou výrobu ultramoderních recyklovatelných dílů z uhlíkových vláken.
Vozidlo pro velkoměsta – odpovědná mobilita pro hustě osídlené oblasti.
Představa společnosti BMW Group – ekologicky odpovědný dopravní prostředek pro hustě osídlené oblasti – se ukrývá pod označením MCV (Megacity Vehicle). Jedná se o automobil, který je od prvopočátku navrhován čistě k tomuto účelu, a proto jej bude pohánět výhradně elektromotor. Zkušenosti z projektu MINI E a konceptu BMW ActiveE, jež vznikly konverzí konvenčních automobilů na elektromobil, jasně ukazují, že právě tyto „přestavby“ neumožňují plně využít potenciál nabízený výhradně elektrickým pohonem. To je důvod, proč MCV má nejen zcela nově navržené hnací ústrojí, ale současně také kompletně novou architekturu vozu jako celku. Příkladem je v tomto směru i cílené snižování hmotnosti, například použitím kompozitů v podobě plastů zesílených uhlíkovými vlákny CFRP (Carbon Fibre-Reinforced Plastics).
Prvním krokem BMW na cestě k elektrickému automobilu byla elektrifikace modelu BMW 1602 v roce 1969. Během následujících 40 let si BMW na různých prototypech a konceptech ověřovalo různé hnací systémy i uspořádání automobilu. Významným milníkem na cestě vývoje elektřinou poháněného automobilu byl v roce 1991 vývojový prototyp elektromobilu označený E1. V té době sice ještě neexistovaly lithium-iontové akumulátory, které posunují možnosti elektromobilů na novou úroveň, ale přesto byl právě vůz E1 zdrojem mnoha významných poznatků. V polovině roku 2009 přichází další významný krok k sériovému elektrickému automobilu, který se ukrývá v elektrickém MINI E. BMW vyrobilo více než 600 těchto automobilů, s nimiž jezdí vybraní zákazníci. Jedná se tak o vůbec největší portfolio elektromobilů v rukou běžných řidičů. První výsledky tohoto projektu ukazují, že elektrický pohon je již připraven pro každodenní provoz.
„Nastal čas pro elektrické automobily.“ (Patrick Müller)
BMW myslí dál, než pouze na automobil.
Elektromobilita současně otevírá pro automobil jako takový zcela nové možnosti. Jedná se například o služby související s dobíjením akumulátorů. I proto BMW Group již spolupracuje s dodavateli elektřiny pro zajištění rychlého a flexibilního přístupu k „zelené“ elektřině. Dalšími způsoby v tomto směru jsou například inteligentní řízení nabíjení, ale například také možnost plánování dobíjení na dálku. Jedná se o princip „chytrého“ nabíjení, který v případě, že to neomezí mobilitu majitele, dobíjí akumulátory v době menší spotřeby elektřiny nebo v okamžicích, kdy je k dispozici elektřina z obnovitelných zdrojů – tedy například v noci. Vše funguje tak, že majitel automobilu pouze sdělí, kdy potřebuje, aby byl dobitý. Lze tak zvolit, zda se má automobil nabíjet spíše s ohledem na životní prostředí, nebo na rychlost. O elektromobilech tak lze v širším kontextu uvažovat také jako o energetických zásobnících umožňujících využívat či vykrývat přechodné přebytky elektrické energie.
Pro BMW Group bude individuální doprava znamenat mnohem více než jen samotný automobil, jak je tomu dnes. Kvůli narůstající urbanizaci dojde k výrazné změně pravidel a předpokladů pro fungování osobní dopravy. BMW Group v tomto směru uvažuje nejen o dopravních prostředcích jako takových, ale také o propojení mezi různými druhy dopravy.
Na základě měnících se společenských a environmentálních trendů, popsaných v kapitole číslo 1, BMW Group již v polovině roku 2007 představilo svoji strategii nazvanou „Number One“. Tato strategie byla navržena proto, aby zajistila ziskovost společnosti, její trvalou hodnotu a současně i nezávislost. Jedná se tak nejen o růst stávajících obchodních aktivit, ale také o vývoj nových druhů ziskových aktivit týkajících se celého životního cyklu automobilu. BMW Group také rozhodla o mimořádných investicích do nových technologií budoucnosti, nových typů automobilů a samozřejmě i novátorských hnacích systémů. Cíle je jednoznačný: BMW zůstane na vedoucí pozici mezi výrobci prémiových produktů a služeb pro individuální dopravu.
Nová strategie byla navržena na základě velmi rozsáhlých výzkumů společenských potřeb v oblasti individuální mobility, ale současně bere v potaz také potenciální stav technologií budoucnosti a samozřejmě i měnící se společenské trendy – to vše v kontextu změn klimatu a demografie. Odpovědí BMW na tyto aspekty je „projekt i“.
„projekt i je reakcí společnosti BMW Group na budoucí výzvy v oblasti individuální dopravy.“ (Martin Arlt)
projekt i: mise.
projekt i byl založen v roce 2007 jako iniciativa pro vývoj novátorských konceptů osobní dopravy. Zkušenosti získané v rámci projektu i budu přenášeny do celé společnosti BMW Group a současně také do samotných automobilů budoucnosti. Dlouhodobým cílem tohoto projektu je vnést do celé společnosti zejména svěží myšlenky a nápady, které přinesou nové technologie, procesy, automobily, ale také výrobní postupy, vývojové metody a prodejní strategie. Konkrétním cílem mise projektu i je především vývoj novátorských produktů, jež budou vycházet vstříc budoucím nárokům zákazníků na individuální dopravu v hustě osídlených oblastech.
Přístup.
Jak ale tuto misi aplikovat? Potřeba jsou nejen nové procesy a technologie, ale zejména také kritický pohled na aktuální konstrukci automobilů. I to je důvod, proč projekt i přesahuje stávající struktury společnosti. Jedná se o nezávislou skupinu expertů z jednotlivých oddělení společnosti, kteří společně vytvářejí malý, ale velmi efektivní tým, sestavený právě proto, aby řešil otázky a přinášel náměty k problematice odpovědné osobní dopravy, které budou reflektovat potřeby budoucích zákazníků. Aby byla volnost celého projektu i ještě větší, není vázán spojitostí s žádnou značkou, ale pracuje s jediným cílem – přinést nejlepší možný výsledek. Tento přístup umožňuje hledat nekonvenční cesty a ověřovat si jejich reálnost s pomocí expertů z celé společnosti. Právě díky otevřenosti novým myšlenkám má projekt i všechny předpoklady k přínosu nových myšlenek pro celou společnost.
„Pracovat na projektu, jako je tento, kde jsou všichni kolegové naladěni na jednu vlnu, je pro mě obrovská zkušenost. Hned od počátku jsme dostali veškerou volnost, kterou jsme potřebovali. Výsledkem bylo nadšení a atmosféra, kterými obvykle disponují pouze začínající menší společnosti.“ (Peter Ratz)
Nový start.
Avšak lidé, kteří se před dvěma a půl roky soustředili v projektu i, nezačali na novém projektu pracovat od úplného začátku. Jejich práce se odrazila od již postavených základů společnosti BMW Group, které spočívají v jasné identifikaci budoucích potřeb zákazníků, ale samozřejmě také možností budoucí osobní dopravy. I přesto, že celý projekt i není ohraničen pouze a čistě na svět samotných automobilů, ale zabývá se individuální mobilitou v širším měřítku, bylo hned na počátku jasné, že prvním viditelným milníkem bude automobil kombinující maximální ohleduplnost k životnímu prostředí (což znamená nulové emise při jízdě) s jasným důrazem splnění všech nároků kladených na automobily v městském prostředí. Tento automobil má jméno MCV (Megacity Vehicle), tedy automobil pro velkoměsta, neboli megapole.
Hlavním cílem projektu je maximální životaschopnost. A to již ve fázi výroby u každého z dodavatelů, až po recyklaci na konci životního cyklu automobilu. Zmiňovaná životaschopnost se v tomto případě opírá o tři základní pilíře. Jedná se o ohleduplnost k životnímu prostředí, ekonomickou ziskovost a společenskou akceptovatelnost. I proto se při vývoji zkoumají všechny procesy a komponenty celé existence a výroby automobilů. Zkoumá se, zda stávající řešení jsou schopná dostát nejvyšším nárokům na dlouhodobou životaschopnost, nebo zda je potřeba navrhnout nové. Právě výsledek tohoto výzkumu tvoří výchozí bod pro zahájení vývoje vozidla MCV.
„Potřebujeme mít jasnou představu toho, jak se bude individuální doprava v budoucnu vyvíjet, a na základě toho následně vyvineme ucelený koncept automobilu určeného pro použití v městském prostředí. Snažíme se, aby odpovědnost našeho nového produktu procházela jeho vývojem, ale také výrobou, používáním a recyklací.“ (Peter Ratz)
Výsledek.
Výsledkem naprosté volnosti je integrovaný koncept automobilu pro řešení budoucí osobní dopravy – vozidlo pro velkoměsta MCV (Megacity Vehicle). Jedná se o jeden z možných způsobů, jak by mohl vypadat automobil odpovědný k životnímu prostředí, který je určený zejména pro jízdu po městě a samozřejmě nabízí potřebnou dynamiku a komfort. Spojením nového typu elektrického pohonu (kapitola 3), revolučního konceptu karoserie „LifeDrive“ a pokrokového materiálu CFRP (kapitola 4) vzniklo spolehlivé, bezpečné a zejména atraktivní řešení pro dopravu v hustě osídlených oblastech. Samozřejmě se jedná o automobil s bezemisním provozem.
Vozidlo MCV bylo navrženo zcela nově. Jedná se o komplexně řešený automobil, který se vyznačuje pozměněnou celkovou architekturou, novým ústrojím pohonu, pokrokovými materiály a novými výrobními postupy. Aby se podařilo dosáhnout potřebných vlastností, spojilo se BMW Group s nejvyspělejšími společnostmi v jednotlivých oborech. Jmenujme například společnost SB LiMotive (akumulátory) nebo SGL Automotive Carbon Fobers (výroba a aplikace uhlíkových vláken).
„Technologie, které BMW Group vyvinulo pro projekt i, mají nesmírný potenciál pro zajištění odpovědnosti k životnímu prostředí a ekonomické nezávislosti.“ (Martin Arlt)
Protože dlouhodobá úspěšnost hraje v rozhodování BMW Group zásadní roli, není to pouze ekologická odpovědnost a úsporné využívání zdrojů, co stojí na vrcholu pomyslné rozhodovací pyramidy. Všechny produkty musí být současně také ekonomicky životaschopné a ziskové.
MINI E – nový krok mezi elektřinou poháněnými automobily.
Úspěšné působení projektu i nabralo konkrétní rozměr na jaře roku 2008, kdy bylo představeno MINI E, jež se následně dostalo do rukou širší veřejnosti. Tento automobil, který odstartoval celou novou éru, stanovil také nové standardy v otázkách provozních vlastností. V běžném provozu má dojezd přibližně 150 km a disponuje výkonem 204 k. Jedná se tak o jednoznačný pokrok směrem k bezemisnímu dopravnímu prostředku.
Cílem projektu MINI E bylo dát tato elektrická vozidla co možná nejrychleji do rukou zákazníkům a získávat od nich zpětnou vazbu a poznatky z jejich každodenního používání. Od poloviny roku 2009 se tyto automobily dostaly ke svým zákazníkům v Německu, USA a Velké Británii. Získaná data o jízdních zvyklostech řidičů, jejich potřebách a nárocích se aplikují na vyvíjený automobil MCV. Vozů MINI E se vyrobilo více než 600, což z nich činí jednu z největších elektřinou poháněných flotil pro běžné zákazníky na světě.
MINI E na silnici.
Ve všech třech zemích, kde probíhá testovací program, BMW Group intenzivně spolupracuje s energetickými společnostmi a vládami. Spuštění programu vozů MINI E tak neslouží pouze ke sbírání poznatků z provozu elektromobilů, ale také ke společným řešením v oblasti infrastruktury. Je například možné, že energetické společnosti mohou automobil dobíjet pouze „zelenou“ energií. Když si to samozřejmě zákazník bude přát.
MINI E v Berlíně – elektrický pohon je připraven pro každodenní používání.
Přestože jsou testy stále v plném proudu, prvotní zkušenosti z berlínského provozu jsou velice povzbudivé. Ukazuje se, že zatímco zákazníci si mysleli, že budou výrazněji omezeni dojezdem automobilu a nutností jeho dobíjení, v praxi se však tyto obavy potvrdily pouze v několika případech. Více než 90 % zúčastněných říká, že jízdní dosah průměrně 150 km je pro jejich způsob používání zcela dostatečný a v žádném případě neomezuje jejich potřeby. Navíc neshledali omezující vlastností ani čas dobíjení.
Zvyklosti řidičů MINI E se od řidičů vozů MINI Cooper nebo BMW 116i odlišují jen minimálně. Celkový počet za den ujetých kilometrů se u všech tří automobilů téměř neliší. Pro MINI E činí 37,8 km (mírně nad německým průměrem pro jízdy ve městech), pro BMW 116i 42 km a pro MINI Cooper 43,5 km. Nejdelší jedna cesta v MINI E činila 158 km. Nicméně i tak se ukazuje, že elektřinou poháněné automobily nejsou schopné plně vyhovět jízdnímu stylu řekněme například řidiče BMW řady 5. To ale nikdy nebylo řečeno ani zamýšleno. Dvě třetiny uživatelů vozu MINI E v Berlíně uvádějí, že tento automobil je svojí flexibilitou plně srovnatelný s konvenčními vozy.
V otázkách dobíjení akumulátorů se ukázalo, že uživatelé by uvítali dobíjecí místa rozmístěná především v blízkosti jejich zaměstnání, ve veřejných garážích, v nákupních centrech nebo dopravních uzlech v podobě nádraží či letišť. Nejčastěji se ale vozy MINI E dobíjejí doma, což je základem pro to, aby tento vůz mohl plnit funkci každodenního dopravního prostředku. Možnost dobíjení vozu MINI E elektřinou z obnovitelných zdrojů, kterou umožňuje partner projektu, společnost Vattenfall Europe, se setkala s velkým ohlasem. To ukazuje, že uživatelé elektromobilů svůj automobil vnímají v mnohem širších souvislostech, než jak je běžné.
MINI E v USA – více jízdního potěšení s nulovými emisemi.
Zkušební provoz vozů MINI E probíhá také v USA. Je tvořen flotilou 450 automobilů, které BMW Group v USA monitoruje s pomocí Kalifornské univerzity (UC Davis). Provedené analýzy mají podobné závěry jako v Berlíně. Také v USA je MINI E schopné plně dostát potřebám svých uživatelů. Průměrná porce za jeden den najetých kilometrů v USA činí 48 km, na které dojezd přibližně 150 km zcela dostačuje. Průměrný americký řidič ujede za den zhruba 64 km.
Ani dobíjení doma nebylo pro americké uživatele nijak omezující. Přibližně polovina z nich automobil nabíjela pravidelně každý den, a to i v případě, že to nebylo nezbytně nutné. Potřeba dobít akumulátor jinde než v domácí zástrčce byla jen minimální.
Na MINI E se sneslo mnoho chvály z pohledu potěšení, jež nabízí při jízdě. Řidiči se shodují v tom, že něco podobného jednoduše neočekávali. Jízdní potěšení je na značné úrovni a mnoho řidičů prohlásilo, že když z MINI E přesedli do svých stávajících vozidel, tak je jízda v nich tolik nebavila. To ostatně potvrzuje i četnost používání MINI E. Třetina uživatelů sdělila, že s MINI E najížděla více kilometrů než v automobilech, které měli předtím.
Závěry studií.
Výsledky z Berlína a Kalifornie ukazují, že BMW Group je na správné cestě. Bylo pouze několik cest, které řidiči nemohli s vozy MINI E uskutečnit. Nejčastěji zmiňovaným negativním hodnocením MINI E v USA i Německu byl omezený prostor pro zavazadla i posádku. Tím se ukazuje, že s mírně prodlouženým dojezdem a větší nabídkou vnitřního prostoru by automobil MCV byl schopen vyhovět 100 % potřebám při jízdě po městě. BMW Group tyto poznatky aktivně zpracovává.
Koncept BMW ActiveE – další krok.
Koncepční vůz BMW ActiveE je dalším logickým pokračováním výzkumného a vývojového projektu i. Na základě tohoto konceptu představeného v prosinci 2009 se připravuje druhá série testovacích elektrických vozidel, které za svými zákazníky vyjedou v roce 2011. Tento testovací program si bude klást za cíl získání dalších informací o chování elektrických automobilů a o tom, jak jsou schopné vycházet vstříc požadavkům pro každodenní provoz.
Zatímco vnitřní prostor MINI E je relativně omezený, koncept BMW ActiveE se vyznačuje čtveřicí plnohodnotných míst a zavazadlovým prostorem o objemu přibližně 200 l. Přímo na míru tohoto vozu byl vyvinut elektromotor s největším výkonem 125 kW/170 k a točivým momentem 250 Nm. Zásobu energie má na starosti zcela nový lithium-iontový akumulátor, schopný nabídnout v každodenním provozu dojezd až 160 km. Jistě není bez zajímavosti, že komponenty hnacího ústrojí tohoto vozu jsou předprodukční verzí stejných prvků vyvinutých pro MCV.
Koncept BMW ActiveE představuje také zcela nové funkce z programu BMW ConnectedDrive, určené přímo pro elektromobily. Jedná se například o dálkovou kontrolu stavu nabití akumulátoru pomocí mobilního telefonu, nalezení nebližší dobíjecí stanice nebo například možnost dálkového spuštění nezávislého topení a klimatizace.
Vozidlo pro velkoměsta MCV – první sériový vůz BMW na elektřinu.
V roce 2013 BMW uvede na trh automobil MCV určený pro světová velkoměsta, který se bude prodávat pod samostatnou značkou v rámci BMW. Vývoj na elektromobilech MINI E a BMW EctiveE ukázal, že konverze konvenčního automobilu nedokáže plně využít veškerého nabízeného potenciálu elektrického pohonu. MCV je proto navržen výhradně jako automobil s elektrickým pohonem. Má tedy nejen zcela nové hnací ústrojí (kapitola 3), ale také revoluční strukturu karoserie (LifeDrive, kapitola 4), spojující nízkou hmotnost s prostorností a nejvyšší možnou mírou bezpečnosti. Kompaktní rozměry elektromotoru umožnily navrhnout nové uspořádání vnitřního prostoru a jeho variability, současně dalo také designérům více volnosti, což zajistí, že MCV se zalíbí zcela nové skupině zákazníků.






Když se řeklo automobil, až dodnes se vždy jednalo o dopravní prostředek vybavený spalovacím motorem. Nicméně ukazuje se, že díky změnám klimatu, ale také lidské společnosti, znamená používání fosilních paliv značné ekologické náklady. Navíc, ropa není nevyčerpatelným zdrojem energie. I proto je BMW Group na špici světového vývoje elektřinou poháněných sériových automobilů. Co to ale vlastně znamená, když se řekne elektřinou poháněný automobil? V čem se elektromotor liší od spalovacího motoru? Jaký je potenciál tohoto řešení? A kde spočívají největší problémy, které musí konstruktéři řešit?
Žádné emise a značná dynamika – nová generace hnacích systémů.
Čistě elektricky poháněné automobily otevírají zcela nové možnosti dopravy jako celku. Elektromotor totiž při své činnosti neprodukuje žádné škodlivé plyny, takže na místě při svém provozu se jedná o zcela bezemisní hnací stroj. Při použití energie vyrobené z obnovitelných zdrojů se navíc může i při započítání výroby elektrické energie jednat o zcela bezemisní provoz. Elektropohon však přináší také nové zážitky z jízdy, protože působí nesmírně agilním dojmem. Nová generace elektřinou poháněných vozů BMW proto velmi rychle zažene zažité představy o pomalosti elektromobilů, které mohou přetrvávat z minulosti. Skutečnost, že řídíte elektřinou poháněný automobil, poznáte pouze díky absenci jakéhokoliv hluku.
„Nárůst výkonu elektromotoru je skoro tak okamžitý, jako když zapnete světlo vypínačem: máte plnou sílu okamžitě, jakmile dáte pokyn.“ (Hans-Jürgen Branz)
BMW Group vyvíjí vlastní pokrokové elektrické hnací systémy, například v plánovaném modelu MVC bude disponovat výkonem daleko přesahujícím 100 kW. Ve srovnání s konvenčním spalovacím motorem však má značnou výhodu v tom, že jeho plný potenciál je k dispozici takřka okamžitě, a ne až potom, co motor dosáhne potřebných otáček. Diferenciály, převody nebo protiprokluzové systémy zajistí, že se veškerý potenciál okamžitě dostane na vozovku. Právě dostupnost točivého momentu od nulových otáček zajišťuje uchvacující pocit dynamiky, agility a masivního zrychlení. Zadní pohon plánovaný pro vozidlo MCV navíc dokáže potenciál motoru díky mimořádné trakci optimálně využít, protože při akceleraci se více hmotnosti dynamicky přesouvá na kola zadní nápravy. Právě značný potenciál elektromotoru spojený s pohonem zadních kol jsou připraveny zajistit tu správnou jízdní dynamiku, nebo řekněme radost z jízdy, kterou jsou produkty BMW Group pověstné.
Cílem BMW Group je také ve výrobě elektrických pohonů stanout na samotném vrcholu v daném oboru – tak, jako je tomu již po dlouhá desetiletí v oblasti spalovacích motorů, které se vyznačují respekt budícími kombinacemi úspornosti, dynamiky a kultivovanosti. Toto smělé tvrzení je podpořeno dlouhodobým vývojem elektrických hnacích systémů. BMW Group má za tímto účelem zřízeno speciální centrum pro výzkum a vývoj právě elektromotorů, které pod jednou střechou sdružuje vše od jejich vývoje až po výrobu. Činnost tohoto speciálního oddělení se soustředí výhradně na vývoj a implementaci nové generace hnacích ústrojí.
Zrychlování bez řazení.
Elektromotory mají mnohem širší rozpětí pracovních otáček – běžně dosahují až 12 000 min-1. To znamená, že elektrické motory potřebují odlišné řešení pro dosažení nejvyšší rychlosti. Impozantní točivý moment elektromotoru je současně připraven nabídnout lepší akceleraci než spalovací motor se stejným výkonem. Široké spektrum použitelných otáček navíc tento točivý moment umožňuje lépe využít. Výkon motoru se proto přenáší pouze přes jeden převod přímo na kola – není tak potřeba žádného druhu vícestupňových převodovek. To znamená, že elektromobil je připraven akcelerovat z místa i dosáhnout nejvyšší rychlosti na jediný rychlostní stupeň. Právě zcela plynulá akcelerace s neustále se zvyšujícími otáčkami elektromotoru je velmi vzrušujícím zážitkem, jemuž se mohou spalovací motory přiblížit pouze s použitím špičkových technologií, jako jsou například dvouspojkové převodovky.
„Elektromobily v žádném případě nejsou nudné dopravní prostředky. Elektrické automobily jsou opravdu zábavné.“ (Patrick Müller)
Vzhledem k tomu, že vozidlo MCV je navrženo pro používání v městských aglomeracích, byla jeho nejvyšší rychlost stanovena na 150 km/h, což je více než dostatečné. Navíc se jedná z mnoha pohledů o kompromis. Jízda vyšší rychlostí by z technického pohledu byla možná, avšak znamenalo by to značné energetické nároky. S rychlostí totiž roste aerodynamický odpor exponenciálně, což vede k výraznému zvýšení spotřeby energie ve vysokých rychlostech, která by značně omezila dojezd automobilu. Důvodem k omezení nejvyšší rychlosti je také schopnost akumulátoru dodat pouze určité množství energie. Důležitá je rovněž skutečnost, že pro zvýšení nejvyšší rychlosti by bylo potřeba změnit převod, což by na druhou stranu zmenšilo agilitu při jízdě městskými rychlostmi. Tento kompromis by bylo možné potlačit například použitím vícestupňové převodovky, což by však s sebou přinášelo nejen větší složitost celé konstrukce, ale také vyšší nároky na prostor a hmotnost.
Brzdění „jízdním pedálem“.
Zajímavou vlastností, která má podíl na výjimečném zážitku z jízdy, je poněkud odlišná činnost plynového pedálu (jak již bylo zmíněno, vhodnější je používat spíše spojení „jízdní pedál“), jenž je schopen ovlivňovat také zpomalování. Jakmile totiž řidič tento pedál pustí, automobil nebude plynule pokračovat v jízdě, ale začne aktivně zpomalovat. To je způsobeno tím, že se elektromotor změní v generátor a výrobou elektřiny dobíjí akumulátor a současně automobil zpomaluje. Jedná se o podobný princip, jako v systému rekuperace kinetické energie, používaném díky aplikaci technologií BMW EfficientDynamics ve všech stávajících vozech BMW. Rozdíl je však nejen v množství rekuperované energie, ale také v tom, že v elektromobilu lze získanou energii opět přímo použít pro pohon automobilu. Pomocí rekuperace lze prodloužit dojezd až o 20 procent. „Jízdní pedál“ také umožňuje pohodlnější ovládání vozu. Není totiž potřeba s ním pohybovat tak často jako v současných automobilech – to se projeví například při jízdě v kolonách. Testy ukazují, že až 75 procent všech brzdných manévrů ve městě lze absolvovat bez nutnosti použít brzdový pedál.
Výkonný a kompaktní – komponenty ústrojí pohonu.
Elektřinou poháněný automobil nabízí více než jen zajímavý jízdní zážitek. Elektromotor se vyznačuje větší hustotou výkonu, to znamená, že ve srovnání se spalovacím motorem nabízí stejný výkon při mnohem menších rozměrech. Když vezmeme jako příklad koncept BMW ActiveE (jehož pohon bude použit také ve vozidle MCV), tak jeho ústrojí pohonu je bez akumulátorů velké jako dvě přepravky na pivo. Kompaktní elektromotor bez náročného doplňkového vedení (například sání, chlazení, výfuk) je navíc snazší integrovat do struktury automobilu. Ve srovnání se spalovacím motorem je elektrické ústrojí pohonu přibližně o polovinu menší. S tím souvisí i více prostoru, který je automobil při dané délce připraven poskytnout své posádce.
Samotné elektrické hnací ústrojí je tvořeno nemnoha hlavními komponenty – elektromotorem, výkonovou elektronikou, převodem a zásobníkem energie.
Elektrické srdce – motor.
Pověstným srdcem elektrického hnacího ústrojí je motor. Zjednodušeně lze elektromotor od BMW Group popsat jako válcovitý stator připevněný k tělu motoru, v němž se otáčí pohyblivá část elektromotoru – rotor. Právě rotor je prostřednictvím převodu spojen s hnacími koly. Uvnitř statoru jsou umístěné cívky, v nichž se s pomocí elektrického proudu vytváří magnetismus. Na rotoru je umístěn jeden nebo více magnetů s danou polaritou. Samotný pohyb rotoru se vytváří cílenou změnou zapojování cívek. Magnetické pole, které uvnitř statoru vytvářejí, totiž rotuje dokola a unáší s sebou i rotor s pevnými magnety. K tomuto pohybu se využívá vlastnost magnetismu spočívající v tom, že různě nabité póly se přitahují, zatímco shodně nabité se odpuzují.
Vše probíhá tak, že když je do jedné z cívek statoru zapnut elektrický proud, vytvoří se magnetické pole, které k sobě přitahuje magnet s opačnou polarizací, umístěný na rotoru. Jakmile se ale ten přiblíží k cívce, elektřina se přepne do další cívky, jež rotor přitahuje dál. Toto přepínání cívek, způsobující rotaci magnetického pole, současně vytváří mechanickou energii, zajišťující pohyb vozidla. Právě rychlost rotace magnetického pole přímo ovlivňuje rychlost automobilu. Točivý moment elektromotoru závisí kromě jiného na počtu magnetů a na velikosti elektrického proudu: čím více je magnetů a čím větší je proud, tím je elektromotor silnější.
Výše popsaný princip činnosti platí pro třífázový synchronní elektromotor s permanentními magnety, který bude použit například v BMW ActiveE a také v MCV. V tomto typu elektromotoru jsou otáčky motoru přímo závislé na rychlosti rotace magnetického pole – magnetické pole i rotor se otáčejí synchronně. Současně s tím jsou na rotoru použity permanentní magnety, které není potřeba nijak budit a fungují trvale. Řešení bez permanentních magnetů by si vyžádalo složitější konstrukční řešení a další systém pro generaci magnetického pole. Právě elektromotory s trvalými magnety v současnosti nabízejí optimální vyváženost mezi technickou náročností, funkčností a samozřejmě poskytováním dynamiky, kterou řidiči očekávají.
Dynamiku zajišťuje elektronika – výkonová elektronika.
Základem správné činnosti a výkonnosti elektromotoru je přesné řízení rotace magnetického pole vytvářejícího samotný pohyb rotoru. Jelikož je motor schopen točit více než 12 000 min-1, je třeba zajistit extrémně rychlé a přesné střídání magnetického pole na jednotlivých cívkách startoru. Tuto činnost má na starosti výkonová elektronika, která rozhoduje o okamžiku sepnutí jednotlivých cívek, stejně tak jako o přesném množství elektrického proudu, který k nim putuje. Právě tyto dvě vlastnosti určují rychlost otáčení elektromotoru a současně také jeho točivý moment.
Akumulátory – „palivová nádrž“ elektromobilu.
Pro pohon elektromobilu je potřeba extrémně vysokých proudů. Každá fáze pro pohon elektromotoru může mít proud až 400 A, což je přibližně 25krát více, než může být ve standardní domovní elektrické zástrčce. Také napětí až 400 V je skoro dvojnásobné ve srovnání s elektrickou zástrčkou. Nově vyvinuté lithium-iontové akumulátory jsou připraveny takto velké množství energie dodávat, kdykoliv to bude potřeba. Právě lithium-iontové akumulátory již v mnoha zařízeních (například mobilní telefony, notebooky apod.) dokázaly nejen svoji značnou kapacitu, ale také dlouhou životnost. Jeden lithium-iontový článek používaný v automobilech svojí velikostí přibližně odpovídá akumulátoru v notebooku a vyznačuje se jmenovitým napětím 3,7 V. Použitelné napětí těchto článků se pohybuje mezi 2,7 a 4,1 V. To znamená, že když je potřeba vysokonapěťový akumulátor s napětím 400 V, je třeba nutné sériově zapojit přibližně 100 těchto článků.
Při použití těchto akumulátorů je potřeba počítat s jejich následujícími specifickými vlastnostmi. Lithium-iontové akumulátory například nepracují stejně v různých teplotách. Nejlepší vlastnosti mají v okolí teploty 20 stupňů Celsia. To je důvodem, proč je systém akumulátorů pro zajištění jejich optimální účinnosti doplněn jak systémem vyhřívání, tak aktivního chlazení – to podle okolní teploty. Právě náchylnost změny účinnosti vzhledem k teplotě je u tohoto typu akumulátoru větší než u jiných typů akumulátorů. Například některé notebooky neumožňují nabíjení při teplotách nižších než nula stupňů Celsia, a také jejich výkonnost je v tomto režimu výrazně omezena. Akumulátory používané BMW Group jsou ale připraveny pracovat i při velmi nízkých teplotách. K tomu přispívá například specifické složení chemických látek uvnitř akumulátoru, ale také cílení řízení jeho teploty, které tuto vrozenou nectnost daného typu akumulátorů účinně minimalizují.
Bezpečnost na prvním místě.
Při vývoji nového akumulátoru bylo jednou z prvořadých vlastností zajištění potřebné bezpečnosti pro posádku automobilu. Jelikož akumulátor zadržuje velké množství energie, které mohou doprovázet velké proudy nebo napětí, zcela logicky zde existuje určité bezpečnostní riziko. Akumulátor je však vybaven celou řadou senzorů, které předcházejí případným elektrickým výbojům, stejně tak jako případnému riziku vzniku požáru. Vše začíná již samotnými použitými chemickými sloučeninami, jež jsou méně nebezpečné, než například ty v přenosných počítačích. Karoserie automobilu je současně navržena tak, aby zajistila v oblasti akumulátorů zvýšenou míru odolnosti vůči případným nárazům. Účinný systém hlídání teploty současně zajistí, že nemůže dojít k přehřátí akumulátoru během provozu ani během dobíjení. Neustále je také aktivní ochrana proti zkratování akumulátoru dotykem s kovovými předměty, ale také ochrana proti rychlému vybití akumulátoru nebo naopak jeho přebití.
Životnost automobilu.
Vývojoví inženýři BMW Group v současnosti pracují na tom, aby akumulátor zajišťoval uchování potřebného množství energie tak dlouho, jak je to jen možné. V tomto ohledu je potřeba dbát na několik faktorů, které by mohly ovlivnit životnost systému. Akumulátory stárnou dvojím způsobem: časově, což znamená, že čím jsou starší, tím klesá jejich schopnost akumulace potřebného množství energie, druhý spočívá v odezvě. To vše spolu s dalšími faktory ovlivňuje životnost akumulátorů. Příkladem je v tomto směru například úroveň vybití nebo teploty, při nichž se akumulátory používají. Testy prováděné BMW Group ukazují, že akumulátory mají z pohledu životnosti a potřebné účinnosti stejnou životnost jako celý automobil. V duchu odpovědného přístupu k ochraně životního prostředí lze z jakéhokoliv důvodu nefunkční akumulátory použít jiným způsobem. I kdyby totiž jejich kapacita již nestačila pro pohon automobilu, stále se jedná o velmi účinný a dobře využitelný zdroj elektrického napětí.
Výzvy pro budoucnost.
Budoucnost elektrické osobní dopravy spočívá především v nadcházejícím vývoji akumulátorů. I proto BMW Group intenzivně pracuje na zmenšení jejich rozměrů, hmotnosti a samozřejmě i ceny. Prioritou samozřejmě je dostat do akumulátorů co možná nejvíce energie, která prodlouží dojezd automobilu. V současnosti ještě nelze kapacitu akumulátorů vzhledem k jejich objemu a hmotnosti srovnávat s palivovou nádrží na fosilní paliva. Vysokonapěťový akumulátor s kapacitou 22 kWh odpovídá přibližně 2,5 litru benzinu Natural 95 – nicméně dojezd elektřinou poháněných automobilů tomuto poměru neodpovídá. Jelikož elektromotor má totiž účinnost až 96 procent, spalovací motor dokáže využít jen asi 40 procent energie obsažené v palivu. Tím se tedy situace poněkud vyrovnává, protože ke stejnému dojezdu je v elektromobilu potřeba menší množství energie na palubě. Současně to znamená, že právě díky značné účinnosti stačí dojezd elektřinou poháněných automobilů uspokojit běžné nároky mnoha lidí pro každodenní používání. Praktické používání ukázalo, že pro více než 90 procent řidičů elektrického MINI E je dojezd tohoto vozu zcela naprosto dostačující pro splnění všech jejich dopravních potřeb.
Měření prodloužení dojezdu.
Nicméně i přes to všechno zůstává základní otázka: jak lze prodloužit dojezd elektromobilů? Jednou z cest je zvýšení kapacity akumulátoru. Problém však spočívá v tom, že větší akumulátor je také těžší, což dojezd naopak zkracuje. Neomezené zvětšování kapacity akumulátorů tedy nelze uvažovat, protože v určitém bodě nastane situace, kdy naopak zvětšení akumulátorů paradoxně dojezd dokonce sníží. Nicméně BMW Group stále hledá způsoby, jak zvyšovat kapacitu akumulátoru bez zvětšování jejich velikosti a hmotnosti. To platí i v rámci celého automobilu, protože čím lehčí je automobil, tím delší je dojezd. BMW Group proto již dlouhodobě sází na lehkou konstrukci s cíleným používáním různých materiálů. V nové generaci elektromobilů se tento přístup dostává, jak je zřejmé z kapitoly 4, na zcela novou úroveň.
Dalším způsobem prodloužení dojezdu je možnost maximálního vybití akumulátoru. Například pracovní napětí akumulátoru BMW Group se pohybuje mezi 400 a 250 V, což odpovídá možnosti využít přibližně 85 procent jejich celkové kapacity. Vybití na nižší úroveň není možné, protože by uvnitř akumulátoru proběhly nevratné chemické změny, jež by akumulátor zcela zničily.
„Každou kilowatthodinu akumulátoru využíváme velmi obezřetně. Naší snahou je, aby automobil jako celek fungoval s takovou účinností, jak je to jen možné.“ (Patrick Müller)
Stejně jako hnací systém, má na dojezd elektromobilu vliv (mnohem větší, než je tomu u vozů se spalovacím motorem) také používání světlometů, klimatizace, zábavních systémů vozu a dalších podobných zařízení. Pro běžnou jízdu po městě je například potřeba jen 2,5 kW, avšak klimatizace pracující na plný výkon si vyžádá 5 kW. To je důvod, proč se velmi intenzivně pracuje na zefektivnění strategie dobíjení, ale také na komplexním řízení energetických toků uvnitř automobilu, které účinně sníží spotřebu energie, a tím prodlouží dojezd automobilu. To znamená, že například teplota uvnitř automobilu se udržuje s pomocí regenerované energie a akumulátor se používá takřka výhradně pro pohon automobilu. Přínosem tohoto řešení je schopnost automobilu nabídnout vyhřátý (v zimě) nebo naopak klimatizovaný (v létě) interiér již při nastoupení.
Mezi další faktory, které mohou prodloužit dojezd elektřinou poháněného vozidla, patří schopnost cíleného odpojování systémů, které nejsou v daném okamžiku potřeba. Jednou z možností je také nechat automobil ve správný okamžik – tehdy, kdy to bude energeticky výhodné – plynule jet bez aktivní účasti motoru a využít pro jízdu jeho setrvačnost. Nicméně, jak již bylo řečeno, největší úlohu bude na prodlužování dojezdu elektřinou poháněných automobilů mít zejména zvyšování energetické hustoty v akumulátorech.
Prodloužení dojezdu – malý spalovací motor zvětší dojezd.
Jednou z cest, jak prodloužit dojezd, je také použití spalovacího motoru, který pracuje výhradně jako generátor a svojí činností dokáže vyrobit dostatek elektřiny pro provoz automobilu. Tím se prodlouží dojezd daného vozu. Pro plnohodnotný elektromotor a běžnou jízdu stačí relativně malý spalovací motor s výkonem mezi 20 a 30 kW. Takový motor postačí k tomu, aby zajistil dostatek energie pro pohyb a funkčnost vozu bez přehnaně vysoké spotřeby paliva. Malé rozměry elektrického pohonu umožňují relativně snadnou integraci doplňkového spalovacího motoru určeného pro prodloužení dojezdu.
Když se vrátíme k výše uvedené otázce týkající se prodloužení dojezdu elektřinou poháněného automobilu, musíme oznámit, že pro BMW Group je použití doplňkového motoru kompromisním řešením. BMW Group se zabývá především zdokonalováním technologie akumulátorů, protože to je z dlouhodobého pohledu řešení malé hustoty energie, kterou jsou současné akumulátory schopné uchovat.
„V několika následujících letech můžeme očekávat další pokrok ve vývoji akumulátorů. Již brzdy budou menší a lehčí akumulátory schopné dovézt automobily dále. V současnosti jsme někde uprostřed vývoje v tomto směru a již nyní vidíme v této oblasti značný potenciál.“ (Patrick Müller)
Pokroková koncepce karoserie pro nové výzvy měnící se osobní dopravy.
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)


Letecký průmysl, stejně tak jako motoristický sport se na vlastnosti materiálu CFRP – plast vyztužený uhlíkovými vlákny – již spoléhají. Vlastnosti jako nízká hmotnost, odolnost vůči nárazům, pevnost a tuhost jsou doslova ideální pro použití v automobilech. Experti z výzkumního a technologického centra Landshut (LITZ – Landshut Innovation and Technology Centre) tento materiál intenzivně zkoumají již více než deset let. Takto dlouhý vývoj umožnil zejména úspěšnou přípravu pro zahájení sériové výroby v relativně velkých množstvích. BMW Group díky tomu má v současnosti v automobilovém průmyslu nejvíce zkušeností s tímto progresivním materiálem. Tyto zkušenosti se přitom týkají nejen výroby, ale také zpracování pomocí specifického nářadí. Co je ale na tomto materiálu tak speciální?
Neuvěřitelně lehký a pevný jako ocel.
Plast zesílený uhlíkovými vlákny CFRP (Carbon Fibre-Reinforced Plastic) je kompozitní materiál, v němž jsou uhlíková vlákna zalitá do plastu (pryskyřice). S CFRP se může srovnávat jen velmi málo jiných materiálů, protože se vyznačuje velmi specifickou kombinací vlastností. Kompozit CFRP je především velmi tuhý a pevný – a současně také extrémně lehký. Pro srovnání uveďme, že CFRP je přibližně o 50 % lehčí než ocel a o 30 % lehčí než hliník. Odolává korozi, účinku kyselin i organickým rozpouštědlům, takže nepřekvapí, že jeho životnost je delší než u kovů. CFRP je navíc stabilní za všech klimatických podmínek a i při velmi vysokých teplotách lze pozorovat jen minimální změny tvaru.
Nízká hmotnost neznamená kompromisy v otázkách bezpečnosti.
Vysoká pevnost tohoto materiálu je doplněna excelentními tlumicími schopnostmi a současně vysokou odolností vůči nárazům. Jelikož kompozit CFRP může svojí pružností absorbovat velké množství energie, dokáže odolat značným nárazům bez poškození. Právě tato vlastnost je velmi vítaná pro použití v automobilech. CFRP je nejlehčí materiál, který je možné použít pro konstrukci karoserie automobilu bez toho, aby byla jakkoliv omezena jeho bezpečnost. Avšak pružnost a odolnost samozřejmě nejsou nekonečné. Po překročení určité meze dojde v jasně definované posloupnosti k lámání materiálu na menší kusy.
„Síly, nebo přetížení potřebné k destrukci jsou mnohem větší, než by se zdálo.“ (Bernhard Dressler)
Správná pevnost na správném místě.
Tajemství pevnosti tohoto kompozitu spočívá v uhlíkových vláknech. Ve srovnání s kvazi-izotropními kovy (například hliník nebo ocel), které se vyznačují stejnou pevností ve všech směrech, je CFRP anizotropní. To znamená, že se pro každý směr vyznačuje odlišnou pevností. A právě to je zásadní předností tohoto materiálu. Žádný z komponentů totiž nikdy není namáhán na všech místech a ve všech směrech stejně. Díky vlastnostem CFRP může být pevnost každé jednotlivé části komponentu upravena přesně podle potřeb a konkrétního použití. Princip je podobný jako v přírodě, kde jsou kosti nebo těla rostlin zesílena vždy pouze v místech, kde je to skutečně potřeba. Inženýři BMW Group proto přizpůsobovali nejen tloušťku jednotlivých částí komponentů CFRP, ale také množství a uspořádání uhlíkových vláken přesně na míru konkrétním potřebám v daném použití. Toto velmi přesné provedení jednotlivých dílů zajistilo další snížení hmotnosti.
„Kompozit CFRP umožňuje účelně a cíleně měnit pevnost dílu podle potřeby, a tím minimalizovat jeho hmotnost.“ (Bernhard Dressler)
Používání kompozitu CFRP nelze srovnávat s pouhou záměnou použitého materiálu, jako je tomu například při záměně oceli za hliník. Specifické vlastnosti tohoto materiálu totiž otevírají zcela nové přístupy pro různá konstrukční řešení, ale také změny celkového konceptu. Elektromobil je jedním z případů, kdy může kompozit CFRP plně využít svých vlastností, protože jím dosažená úspora hmotnosti se přímo projevuje v prodloužení dojezdu celého automobilu. Je nepochybné, že při správném pochopení vlastností tohoto materiálu jej bude možné použít i v celé řadě dalších produktů, u nichž záleží na nízké hmotnosti.
„Lehká konstrukce vyžaduje dokonalé porozumění všem vlastnostem kompozitu CFRP.“ (Jochen Töpker)
Technologické zkušenosti BMW Group.
V minulosti se CFRP vyrábělo především v malých sériích, případně v prototypech. Důvodů k tomu bylo hned několik. Jedním z nich bylo to, že tento relativně nový materiál se doposud zpracovával především ručně, což samozřejmě bylo nesmírně časově náročné. S tím logicky souvisí také vysoká cena. To všechno představuje překážky pro sériovou výrobu. Již v roce 2003 BMW Group začalo se sériovou výrobou dílů z CFRP a od té doby se jejich výroba jen zvyšuje. V současnosti továrna v Landshutu téměř velkosériově produkuje střechy (pro BMW M3 a M6) a držáky nárazníků (M6) z kompozitu CFRP.
Díky intenzivnímu výzkumu materiálu samotného, ale také jeho výrobních metod, který probíhá posledních deset let, si BMW Group vytvořila vysokou úroveň zkušeností a znalostí nejen pro použití kompozitu CFRP, ale také pro jeho efektivní výrobu a zpracování. Specialisté BMW Group v továrně v Landshutu neustále zdokonalovali a více automatizovali výrobu dílů z CFRP, takže nyní lze v této továrně masově vyrábět díly pro celé karoserie z kompozitu CFRP nejen s nízkými náklady, ale současně také v mimořádné kvalitě. BMW Group se tak podařilo poukázat na výjimečný potenciál materiálu CFRP pro použití v budoucích automobilech.
Nejmodernější výroba v BMW Group.
V současnosti rozšířená výrobní technologie, spočívající v přípravě předimpregnovaných vláken zapečených v autoklávu (obdoba velké pece), není vhodná pro sériovou produkci těchto dílů. Již v roce 2003 proto BMW Group zavedla novou generaci výrobního postupu, který dovoloval výrobu mimořádně kvalitních dílů CFRP. V tomto moderním systému je výroba velmi rychlá. Důležitá je také ta vlastnost, že výrobní linka na díly z CFRP nemusí být nutně umístěna v Landshutu, ale může být teoreticky spuštěna v každém výrobním závodě BMW, kdekoliv na světě. Jak tedy sériová výroba dílů CFRP funguje?
Od vlákna ke tkanině.
Základ výroby dílů CFRP spočívá v samotném prvotním materiálu, kterým je termoplast polyakrylonitrid, z něhož se tavným způsobem vyrábějí uhlíková vlákna. Jedná se o náročný proces s několika stupni, během nějž dochází k cíleným změnám teploty a tlaku. Tím se z původního materiálu postupně odstraní (většinou se vypaří) všechny složky kromě čistého uhlíku, který je držen velmi stabilní krystalickou strukturou. Výsledná karbonová vlákna jsou tlustá pouhých 7 mikronů (0,007 mm). Pro srovnání uveďme, že průměr lidského vlasu je 50 mikronů. Pro použití v automobilovém průmyslu jsou tato vlákna spojována po přibližně 50 000 kusech do velkých svazků a jsou tak připravena pro další použití. Stejně tlusté svazky se kromě automobilového průmyslu používají například také pro turbíny větrných elektráren.
Při dalším zpracování jsou zmiňované svazky spojovány do netkané textilie. Ve srovnání s tkanými látkami, kde jsou vlákna pokládána pod určitým úhlem a vzájemně protkána, má netkaná textilie vlákna umístěna nad sebou ve vrstvách. Tkaní by totiž mohlo vlákna zacuchat, a tím by mohla ztratit své specifické vlastnosti. Právě uspořádání vláken v textilii má zásadní vliv na potřebnou kvalitu dílů vyrobených z CFRP.
Tvarování a spojování – komponent dostává tvar.
Při tzv. předtvarování dochází k vystřižení potřebného tvaru stále ještě ploché tkaniny a jejímu základnímu tvarování. V této fázi výroby se používá teplo k tomu, aby si textilie lépe udržela požadovaný trojrozměrný tvar. V tomto okamžiku je již jasně patrný tvar výsledného dílu. Větší díly jsou tvořené tak, že dojde ke spojení jednotlivých menších částí. Díky tomu je možné z materiálu CFRP vyrábět i extrémně velké díly, které by bylo možné z hliníku nebo oceli vyrobit jen mimořádně obtížně. To je samozřejmě pro řešení konstrukce automobilu a jeho výrobu velmi důležité. Například je možné nejrůznější úchytné body nebo podobné záležitosti integrovat přímo do daného dílu. To znamená, že s použitím jediného slévárenského nástroje lze vyrábět nosné komponenty, ale také jednotlivé moduly karoserie s měnící se tloušťkou stěny.
V obou procesech – tedy při tvarování, ale také spojování – je pro kvalitní výrobu zcela zásadní, aby vytvarované části byly maximálně stabilní a současně byly velmi pečlivě spojovány v jednotlivé celky. Právě v tom se projevují dlouhodobé praktické zkušenosti BMW Group v této oblasti výroby.
Technologie vysokotlakého vstřikování pryskyřice RTM (Resin Transfer Moulding).
Spojené předtvarované díly jsou nyní připraveny pro další část výrobního postupu: vstřikování pryskyřice. Pryskyřice je druhou z hlavních částí kompozitního materiálu CFRP a zajišťuje, aby výsledný díl držel potřebný tvar. Technologie vysokotlakého vstřikování pryskyřice RTM (Resin Transfer Moulding) zaručí velmi pevné slepení uhlíkových vláken a pryskyřice. Následné vytvrdnutí celku zajistí výslednou pevnost materiálu a jeho mimořádné vlastnosti.
Impregnace uhlíkových vláken pryskyřicí je mimořádně komplexní proces, plný mnoha často protichůdných požadavků. Pryskyřice se například musí dostat do každého místa formy jen s minimální časovou prodlevou, jedině tak dojde na úrovni atomů ke správné impregraci. To znamená, že pryskyřice musí mít co možná nejmenší viskozitu, aby přes tkaninu velmi rychle protekla. Současně je ale důležité, aby došlo po vyplnění potřebného prostoru k velmi rychlému vytvrdnutí pryskyřice. K tomu je do třetice navíc potřeba velmi citlivě a bez poškození povrchu, ale také vnitřní struktury, vyjmout celý díl z formy. A právě správné provedení všech těchto a ještě mnoha dalších úkonů je další velmi náročnou a mimořádně komplexní záležitostí. BMW Group proto vyvinula nejen vlastní výrobní proces, ale také nástroje a další vybavení, které výše popsané konflikty řeší a zajišťuje efektivní výrobu komponentů CFRP v nejvyšší kvalitě.
Během impregnace uhlíkových vláken pryskyřicí je navíc potřeba, aby se procesu zúčastnilo najednou dalších deset přísad. Současně je nutné toto promísení zajistit na celém povrchu dílu, protože jedině tak dojde ke správnému slepení vláken a pryskyřice. Uveďme jen, že kromě uhlíkových vláken a pryskyřice v této souvislosti hovoříme ještě o vytvrzovacím materiálu, pojidle, přízi, odpuzovací přísadě a dalších materiálech, které spolu reagují na makroskopické i mikroskopické úrovni. To všechno je nesmírně důležité při práci s kompozity, protože výsledný výrobek je jen tak dobrý, jak kvalitní je spojení uhlíkových vláken a pryskyřice.
Konečné zpracování – jemné začištění pomocí tlakového vodního paprsku.
Po vstřikování pryskyřice a vytvrdnutí je výroba téměř hotova. Zbývá konečné opracování v podobě začištění hran, případně dodělání dalších potřebných otvorů. BMW Group k těmto pracím používá tlakový vodní paprsek, u nějž na rozdíl od klasických nožů či brusek nedochází kvůli značné pevnosti dílů CFRP k mechanickému opotřebení nářadí. Avšak pro finální opracování dílů CFRP bylo na tlakovém vodním paprsku potřeba učinit určité modifikace – které však BMW Group již provedlo.
„Náš vyspělý výrobní systém umožňuje, abychom jednotlivé díly vyráběli přesně podle zadání našich techniků a v plné součinnosti s funkčností výsledného produktu.“ (Andreas Reinhardt)
Recyklace – odřezky se zpětně používají pro nové strukturální komponenty.
Řešení problematiky kompozitních dílů CFRP u BMW Group sahá dále, než jen na automobil a celý jeho životní cyklus. Intenzivní vývoj a zkoumání možných cest byly aplikovány také na recyklaci tohoto mimořádně vyspělého materiálu. BMW Group vyvinulo způsob recyklace a segregace odpadu do komerčně využitelné kvalitní suroviny. Tento systém, mimochodem první svého druhu ve světovém měřítku, umožňuje zbytky uhlíkových vláken, vzniklé při výrobě dílů CFRP, vrátit do výrobního procesu. Opětovným přetvořením lze tento materiál použít pro primární tkaninu. Recyklace a opětovné využití odpadu jsou přínosem nejen pro životní prostředí, ale také pro spotřebu nové suroviny.
„Naším cílem bylo znovupoužití odřezků vznikajících při výrobě opět v našich vlastních produktech.“ (Andreas Reinhardt)
Je samozřejmé, že výroba dílů CFRP u BMW Group je ekologicky odpovědná nejen způsobem recyklace, ale také svým celým provozem. Tak například společný podnik BMW Group a SGL ACF (Automotive Carbon Fibers) v americkém Moses Lake používá ke své činnosti výhradně energii z obnovitelných zdrojů. Továrna tak stanovuje nové standardy též pro energetickou úspornost.
Od počátku do konce – optimální řešení.
Vývojoví pracovníci a experti na kompozity po deset let neustále postupně zdokonalovali výrobní procesy, použité materiály, nástroje a vybavení tak, aby mohla být spuštěna velkosériová výroba. Zdokonalení se dotkla všech jednotlivých procesů v řetězci. Společnost BMW Group je tak nyní v unikátní pozici, díky níž je vlastními silami schopná ovlivnit celý proces výroby kompozitních materiálů CFRP od přípravy samotného uhlíkového vlákna až po výrobu a recyklaci. To znamená, že jednotlivá dílčí zdokonalení v různých oblastech velmi rychle ovlivní celý řetězec.
Cílem byla vždy velkosériová výroba.
Neustále se stupňující vývoj a inovace zajistily, že si BMW Group vytvořila mimořádnou zásobu vlastního technologického know-how. To platí nejen pro samotné technologie, ale například také pro pracovní sílu, která je vyškolena a připravena na novou éru. Cíl byl v tomto směru jediný – a sice velkosériová produkce kompozitních dílů CFRP. BMW Group totiž tento materiál nechtěla používat pouze jako doplněk pro speciální modely vyráběné v malých sériích, ale považuje jej za materiál nové generace automobilů, v níž ovlivní mnoho základních konstrukčních řešení. Právě to je důvodem, proč společnost intenzivně investovala do postupného vývoje celého řetězce vývoje a výroby těchto materiálů od základu. Tento „soběstačný“ přístup současně zajistí, že BMW Group zůstane i nadále společností nezávislou na omezeních externích dodavatelů.
„Základním atributem úspěšné velkosériové výroby kompozitních dílů CFRP je zaměření na vytvoření kvalitních dílčích řešení celého systému, než na pouhou aplikaci v konečné fázi produktu.“ (Jochen Töpker)

PR