BMWs Neue Klasse bekommt erstmals auch Asynchronmotoren

Die Neue Klasse von BMW startet bekanntlich dieses Jahr mit einem Mittelklasse-SUB. Bei einem Technik-Workshop erklärte der Hersteller nun das Antriebskonzept. Wichtigste Neuheit: Neben den bekannten elektrisch erregten Synchronmaschinen setzt BMW erstmals auch Asynchronmotoren (ASM) ein. Außerdem bestätigte BMW, dass die Plattform 1, 2, 3 und 4 Elektromotoren pro Fahrzeug unterstützt und mehr.

Wer sich das Ganze am liebsten aus der Originalquelle zu Gemüte führt, kann sich das oben eingebaute Video in englischer Sprache von BMWBlog ansehen. Zu sehen sind nach einem Interview mit Philipp Guerrero, dem Projektleiter für die Gen6-Batterien, die verschiedenen Technik-Vorträge.

Batterien

Schon bekannt war, dass BMW bei der neuen Klasse zylindrische Batteriezellen der Formfaktoren 4695 und 46120 (46 mm Durchmesser und 95 bzw. 120 mm Höhe) verwendet, und dass BMW die Konzepte Cell-to-Pack und Pack-to-open-Body verwendet. Cell-to-pack bedeutet, die Zellen werden direkt (ohne den Umweg über Module) zur Batterie zusammengestellt. 

Das Konzept Pack-to-open-Body dagegen gibt es wohl nur bei BMW. Guerrero erklärt es so: Die bisherigen BMW-Elektroautos basierten auf Verbrenner-Plattformen. Dabei wurde die Batterie einfach von unten an die Karosserie montiert. Zu den Nachteilen gehört, dass man nicht mehr an wichtige Teile wie das Batteriemanagement (BMS) herankommt.

Bei den Gen6-Batterien sind Akku und BMS in separaten Gehäusen untergebracht. Das BMS (im Bild rechts oben) sitzt als 'Penthouse' oben auf dem Akku und wird als Energy Master bezeichnet

Bild von: BMW

Bei den "Gen6"-Batterien der Neuen Klasse dagegen ist die Karosserie unten offen (daher open body); sie wird erst durch das Einfügen der Batterie von unten geschlossen. Der Boden der Kabine wird von der Batterie gebildet. So werden weniger hohe Karosserien möglich, was die Aerodynamik verbessert; zudem spart man Gewicht. Laut Autocar werden sogar die Sitze oben auf der Batterie festgeschraubt – ein Ansatz, den wir von Tesla Cybertruck kennen. So erspart man sich das umständliche Einsetzen der Möbel ins fertige Fahrzeug.

Zur Kühlung der Zellen (zum Beispiel durch ein sich zwischen den Zellen hindurchschlängelndes Kühlband oder eine Kühlplatte) wollte Guerrero noch nichts sagen. Zum Thema Zellen-Ersatz meinte er, die meisten Batterieprobleme bei Gen5 kommen nicht durch die Zellen zustande, sondern durch das BMS. Um an Letzteres heranzukommen, musste man bisher die ganze Batterie demontieren und das Akku-Gehäuse öffnen. Bei Gen6 dagegen sitzt das BMS in einem eigenen Gehäuse auf der Batterie und ist leicht erreichbar ist (vermutlich über einen Service-Zugang unter den Fondsitzen).

Sonst gab es nichts wesentlich Neues zu den Batterien. Zur Maximalreichweite hieß es erneut, sie erhöhe sich um 30 Prozent gegenüber Gen5-Fahrzeugen. Die Medienberichte über 900 km Reichweite sind offenbar errechnet auf Basis des reichweitenstärksten Gen5-Fahrzeugs, dem BMW iX xDrive60 (701 km). Die 800-Volt-Technik soll zu einer um 30 Prozent höheren Ladegeschwindigkeit führen. Das Laden mit 400 Volt wird durch eine Relaiskasten ermöglicht; Details dazu gab es keine. Doch wird künftig auch bidirektionales Laden serienmäßig angeboten.

Antriebe

Die Antriebe werden im zweiten Teil des obigen Videos erklärt durch Michael Salmensberger, den Projektleiter der Elektromotoren-Entwicklung. Beim Gen3-Antrieb des alten BMW i3 von 2013 verwendete BMW noch eine Permanentmagnetmaschine (PSM) an der Hinterachse. Dabei waren Inverter und Getriebe noch in separaten Gehäusen untergebracht.

Stromerregte Synchronmaschine für die Hinterachse  (Primärantrieb)

Bilder von: BMW

Asynchronmaschine für die Vorderachse (Sekundärantrieb)

Seit dem 2021 gestarteten iX3 setzt BMW stromerregte Synchronmaschinen (SSM, oft auch als elektrisch erregte Synchronmaschinen EESM bezeichnet) an der Hinterachse ein. Bei diesen Gen5-Antrieben werden Motor, Getriebe und Inverter in einem Gehäuse zusammengefasst. Diese Antriebe nutzen alle derzeitigen Elektro-BMWs vom iX1 mit einer SSM an der Hinterachse bis zum Rolls-Royce Spectre mit zwei SSMs. (Wogegen Mini PSMs von einem Zulieferer verwendet.) Es gibt drei Hardware-Varianten für die Vorderachse und drei für die Hinterachse, mit einer Leistungs-Bandbreite von 120 bis 360 kW.

Beim SSM wird das Magnetfeld im Rotor durch einen Elektromagneten erzeugt, nicht durch Permanentmagnete wie beim PSM. SSMs haben für den Einsatzzweck von BMW zwei Hauptvorteile, so Salmensberger. Erstens bleibt die Leistungsabgabe beim SSM auch bei hohen Drehzahlen konstant, während diese bei PSMs absinkt (weiße Kurven im Chart unten).

Chart zu den Vorteilen von SSM gegenüber PSM (Screenshot aus dem BMWBlog-Video)

Bild von: BMWBlog

Zweitens ist ein SSM im Teillastbereich effizienter als ein PSM (bunte Teile des Charts). Dieser Bereich niedrigen Drehmoments ist für den WLTP-Zyklus aber auch für den Alltag der Kundschaft relevanter, zum Beispiel auf der Autobahn bei konstantem, hohem Tempo. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Seltenen Erden für Permanentmagnete benötigt werden; allerdings ist die SSM-Produktion komplizierter.

Bei den GEn6-Allradantrieben wird an der Vorderachse erstmals ein Asynchronmotor (ASM) verwendet. Dabei wird das Magnetfeld im Rotor durch Induktion erzeugt. Außerdem ist die Bauweise wesentlich einfacher als beim SSM. Als Vorteile nennt Salmensberger zudem die Kompaktheit, die niedrigen Kosten und dass keine Seltenen Erden gebraucht werden. Es gibt zwei ASM-Varianten für die Vorderachse, mit 120 bzw. 180 kW. 

An der Hinterachse werden vier Varianten eines weiterentwickelten SSM mit 200 bis 400 kW verwendet. Das ist jedoch nur das Start-Angebot; Einstiegs- und Topversionen sollen folgen. Zu Letzteren zählen insbesondere Varianten mit drei und vier Antriebseinheiten (Electric Drive Units EDUs, jeweils mit Motor, Getriebe und Inverter). Vier Motoren sollen offenbar in M-Fahrzeugen eingesetzt werden wie dem elektrischen M3. 

Insgesamt soll es bei einem Allradmodell der Gen6 im Vergleich zu einem Gen5-Fahrzeug 40 Prozent weniger Energieverluste, 20 Prozent niedrigere Herstellungskosten und 10 Prozent weniger Gewicht geben. Die Gen6-Technologie leistet einen signifikanten Beitrag zur etwa 20-prozentigen Steigerung der Gesamtfahrzeugeffizienz gegenüber Gen5-Fahrzeugen.

Die SSMs wurden verbessert. Zunächst mussten sie an die höhere Spannungslage von 800 Volt angepasst, was Inverter, Rotor und Stator betraf. Außerdem wurde das Kühlsystem verbessert. Man hat nun zwei Kühlkreisläufe: Im efficient cycle kann die Ölpumpe für 60 Sekunden komplett abgeschaltet werden; dann wird das Getriebe passiv geschmiert, der Stator wird durch einen äußeren Kühlmantel mit Wasser gekühlt. Dann wird die Ölpumpe für fünf Sekunden wieder angeschaltet.

Im performance cycle läuft die Ölpumpe mit vollem Tempo; das Öl kühlt und schmiert das Getriebe. Der Rotor wird über die Rotorwelle gekühlt, der Stator über Ölkanäle an den Windungsenden; zusätzlich gibt es die Wassermantelkühlung. Außerdem wurden die Inverter von IGBT auf Siliciumcarbid-Technik (SiC) umgestellt, was zu geringeren Schaltverlusten führt. Die Elektronik wird auf eine Abdeckplatte montiert und dann kopfüber auf das Motorgehäuse gesetzt, was Gewicht spart. Der Inverter ist eine Eigenentwicklung und wird erstmals auch selbst produziert (im österreichischen Werk Steyr, wo auch die Motoren und die Getriebe entstehen).

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Unter dem Strich

Nach einem ersten Technikworkshop im Jahr 2022, bei dem vor allem die zylindrischen Zellen vorgestellt wurden, gab es nun alles zum neuen Antrieb. Dabei werden wie bisher stromerregte Synchronmotoren (SSMs) an der Hinterachse eingesetzt; diese sollen nun effizienter arbeiten. An der Vorderachse jedoch werden Asynchronmotoren (ASMs) verwendet. Als Gründe dafür wurden die kleinere Baugröße und die niedrigeren Kosten genannt. Wie beim gelifteten iX setzt BMW zudem SiC-Technik in den Invertern ein.