Das optimale Alltagsautomobil am Boden, die Gedanken eines Konzeptes
Hardware: Wie sieht ein optimales Alltagsauto konzeptionell aus?
Oft wird über Individualmobilität mit der selbstverständlichen Annahme diskutiert, man wisse von erwerbbaren Referenzen, wie der heute technologisch wirtschaftlich mögliche High-End Standard aussieht. Solche Referenzen zeichnen sich oft dadurch aus, dass sie folgendes realisieren: platzraubende Konzepte, sowie den absichtlich lauten Klappenauspuff mit zusätzlichen Lautsprechern, um dem Besitzer die Illusion zu geben, er wäre rennwagenschnell unterwegs. Dadurch wird wirksam kaschiert, dass es sich bei dem Produkt im Grunde um alte Technik handelt, die evtl. mit einem Touchscreen und wirksamen Werbefloskeln verkleidet wird. Denkt man vor dem weißen Blattpapier über das wirtschaftlich/technisch heute mögliche Hardware Konzept nach, erkennt man evtl. mehr. Im folgenden einige Gedanken:
Grundüberlegungen
Die grundlegende, primäre, erste Aufgabe, die ein Auto zu bewältigen hat, ist der Vortrieb. Der Vortrieb wird an der Auflagefläche des Autos erzeugt. Wir wählen als Auflagefläche vier Reifen, da vier Reifen bei zuverlässiger Stabilität, mit geringem technischem Aufwand/Kosten, mit hoher Endgeschwindigkeit, bei entsprechenden Verhältnissen, leicht und platzsparend sind, im Vergleich zu Kettensystemen, bionischen Beinen oder magnetschwebenden Techniken. Für optimalen Vortrieb muss an jedem der Auflage Punkte eine je nach Situation individuelle Kraft einstellbar sein. Allrad und Torquevectoring sind also Pflicht. Die Regelung soll dabei im Abtastbereich <=10ms das benötigte Drehmoment liefern.
Beim Antrieb kann man zur Zeit nur zwischen Verbrennungsmotor, Elektromotor und einem Hybriden Antrieb wählen. Es gilt sowohl Trägheitsmomente als auch Torsion zu minimieren. Der/die Motoren müssen also möglichst nah mit einfachen Getrieben an den Reifen liegen. Zudem muss der Antrieb einen generativen Betrieb erlauben, da ansonsten bei jedem Beschleunigen Energie vernichtet wird. Außerdem finden durch diese Maßnahme Bremsscheiben im rekuperativen Betrieb nur bei Notbremsungen Einsatz. Eine Kühlung der Bremsen durch offene Felgen ist also nicht nötig und eine aerodynamische Optimierung der Reifen kann vorgenommen werden. Des Weiteren muss der Antrieb bauraumtechnisch kompakt ausfallen, damit sowohl Front als auch Heck als Kofferraum nutzbar sein können bzw. eine größere Personenkabine bei gleichem Radstand bieten. Um autonome Fahrkonzepte je nach Zweck sinnvoll umsetzen zu können ist es nötig, dass das Fahrzeug sich prinzipiell in beide Richtungen gleichschnell fortbewegen kann, so dass eine Unterscheidung in Front und Heck, je nach angestrebten Fahrzeugkonzept nicht nötig ist. Allgemein muss der Powertrain bei all diesen Ansprüchen technisch einfach gehalten sein und bei entsprechender Fabrikationsskalierung günstig produzierbar sein. All diesen Anforderungen kann nur der Elektromotor gerecht werden. Der Verbrennungsmotor versagt allein schon beim Ansprechverhalten, Bauraum, schlechtem Wirkungsgerad, fehlendem generativen Betrieb, komplexes torsionsreiches Schaltgetriebe mit entsprechendem Trägheitsmoment, Lautstärke, Vibrationen, fehlendes Drehmoment im Alltag, mechanische Komplexität, Gewicht. Der Hybridantrieb versagt beim Bauraum und dem erhöhten Wartungsaufwand/Ausfallunsicherheit von gleich zwei Systemen bzw. der hohen Komplexität und dem Preis bei skalierter Produktion.
Um alle aufgeführten Eigenschaften zu garantieren wird an jedes Rad ein eigener kompakter Elektromotor mit stufenlosem Getriebe montiert.
Wie sieht das Speicherkonzept aus? Rein elektrisch oder Stromspeicherung durch Wasserstoff?
Die wichtigste Anforderung ist eine reale Reichweite von mindestens 400km und einfaches Tanken, dass zu Hause möglich ist und/oder maximal 10 Minuten dauert. Zudem muss hohe Energieeffizienz, Haltbarkeit, geringe Komplexität im Auto und in der Infrastruktur dadurch geringe Kosten in Betrieb incl. Wartung vorhanden sein.
Diesen Anforderungen kann eine Stromspeicherung durch Wasserstoff nicht genügen. Zwar bietet Wasserstoff eine höhere Energiedichte sowie zügigere Ladezeiten. Geht man von einem Wasserstoffprotolyse-Wirkungsgrad von 80% und einem Brennstoffzellen-Wirkungsgrad von 60% aus ist die Effizienz ~50% schlechter im Vergleich zur akkumulativen Speicherung. Auch eine sichere effiziente Lagerung ist nur teuer zu erreichen. Die explosive Knallgasreaktion, die Speicherung bei 800bar, die Neigung sich bei kleinsten Lecks zu verflüchtigen und die Wasserstoffversprödung, machen Infrastruktur und Technik teuer, fehleranfällig, wartungsaufwändig und schwer realisierbar bzgl. der Sicherheit.
Während bei der Wasserstoffspeicherung im ersten Schritt aus Elektrizität Wasserstoff gewonnen wird, gelangt der Strom bei der akkumulativen Speicherung direkt in die Hochvoltbatterie. Diese hat durch den modularen Aufbau im Vergleich zu Verbrenner und Wasserstoffauto den Vorteil, ihren Bauraum beliebig zu definieren zu können und so einen optimalen sehr niedrigen Schwerpunkt zu erreichen. Das Auto ist zudem an der normalen Steckdose zu Hause über Nacht aufladbar. Für kontinuierlichen Langstrecken-Betrieb etwa in LKW oder Fernstrecken-Wagen mit häufigen Laufleistungen >700km kann ein Akkuwechsel unter 10 min realisiert werden.
Auslegung für autonome so wie manuelle Steuerung
Will man zum autonomen Fahren in der 5. Stufe gelangen, ist allerhöchste Aktor und ECU Zuverlässigkeit durch redundante Entwicklung sowieso notwendig. Daher muss es bei einem ambitionierten, autonomen Entwicklungsziel möglich sein auf mechanische Verbindungen von Lenkrad zu Lenkung und Bremspedal zu Bremse zu verzichten ohne Sicherheit zu missen. Steering-by-wire, Brake-by-wire sowie eine symmetrische Allradlenkung müssen trotz noch fehlender rechtlicher Grundlage umsetzbar gemacht und realisiert werden. Dadurch schafft man es Material und Mechanik auf ein Minimum zu reduzieren und die Entwicklungskosten auf Software und Elektronik Entwicklung zu verlagern. Das führt langfristig zu niedrigeren Kosten im Endproduckt.
Interieur
Die Innengestaltung ist grundsätzlich Geschmackssache. Wendet man die gleiche Strategie auch im Interieur an, substituiert man möglichst alle mechanischen Knöpfe und Regler durch zwei identische Touchscreen-Displays an beiden Enden des Aufenthaltsraumes. Für ein autonomes Konzept kann man kleine Möbel z.B. einen Schreibtisch in Mitte der Kabine platzieren.
