GM Hy-wire: Probelauf

26.02.2003

Chassis und By-Wire-Technik erlauben einen transparenten Aufbau

Mit dem Hy-wire entwickelte General Motors das in Detroit und Genf 2002 gezeigte modulare AUTOnomy-Konzept weiter, das durch seine raumsparende Skateboard-Architektur und mit Brennstoffzellenantrieb flexibel mit unterschiedlichen Karosseriekonzepten bestückt werden kann. Mit diesem Folgeprojekt wollte man verdeutlichen, wie ernst die Vision von AUTOnomy gemeint war. Deshalb war es ein logischer Schritt, ein fahrfähiges Konzeptauto zu bauen. Die Zielrichtung ist klar: General Motors sucht einen Weg, Fahrzeuge zu entwickeln und zu vermarkten, die nicht von ausländischen Öllieferungen abhängig sind. AUTOnomy und damit auch Hy-wire stehen für diese Vision einer neuen Ära des Automobils.

Auch die Entwicklungszusammenarbeit der beteiligten Partner war ein Probelauf für ein zukünftiges globales Teamwork . Hy-wire ist ein rollendes Symbol für die Zusammenarbeit im 21. Jahrhundert. Denn die funktionsfähige Studie ist das Produkt einer engen transatlantischen Kooperation zwischen den Entwicklungsabteilungen und den Designstudios von General Motors (GM) in den USA und Opel in Europa. Unterstützt wurden sie zudem dabei von zwei unabhängigen Partnern: Der Aufbau der Karosserie erfolgte beim Bertone in Turin, die By-wire-Technologie steuerte der schwedische Zulieferer SKF mit seinen Labors in Italien und den Niederlanden bei.

Ingenieure und Designer in den amerikanischen GM-Forschungszentren in Honeyoe Falls (New York) und Warren (Michigan) entwickelten das Chassis und das Karosseriedesign, legten die technische Spezifikation fest und integrierten die Fahrzeugelektrik. Im 1997 gemeinsam von Opel und GM gegründeten Brennstoffzellen-Zentrum in Mainz-Kastel wurde dann der gleiche Brennstoffzellen-Antrieb eingebaut, der auch im Versuchsträger HydroGen3 zum Einsatz kommt. High-Tech-Satellitenverbindungen und VR-Designstudios (Virtuelle Realität) in den amerikanischen und deutschen GM-Entwicklungsabteilungen ermöglichten die reibungslose Kommunikation. Darüber hinaus standen den rund 500 Mitarbeitern der drei Brennstoffzellen-Zentren in den USA und Deutschland für gemeinsame Fachgespräche direkte Video-Konferenzschaltungen zur Verfügung. So konnte beispielsweise eine dreidimensionale Ansicht des Konzeptfahrzeugs gleichzeitig auf beiden Seiten des Atlantik angesehen und – wenn nötig – sofort geändert werden

Das 28cm hohe Skateboard weist nur eine einzige elektronische Steckverbindung zur Karosserie auf

Die Übertragung des Datensatzes zu Bertone, damit dort die Außenhaut und das Interieur so umgesetzt werden konnten, stellte eine besondere Herausforderung dar. Die enge Kooperation der drei Zentren zahlte sich aber nicht nur durch die kurze Entwicklungszeit dieses Projekts aus, sondern auch bei der Weiterentwicklung von Brennstoffzellen-Stacks und Benzin-Reformern. In den vergangenen vier Jahren wurden Größe und Gewicht der GM-Stacks bei gleicher Leistung um den Faktor 10 verringert, und die Kosten wurden auf ein Zehntel gesenkt. Deren Leistungsdichte erreicht heute 1,75 Kilowatt pro Liter, und das Startverhalten bei Minus-Temperaturen wurde wesentlich verbessert. In den drei Brennstoffzellen-Zentren arbeiten neben "klassischen” Automobilingenieuren auch zahlreiche Spezialisten aus scheinbar branchenfremden Disziplinen. Dort finden sich unter anderem Chemiker, Physiker, Software-Entwickler und Elektroingenieure mit der Brennstoffzellen- und der Wasserstofftechnik.. Infolge der dynamischen Entwicklungen geht GM davon aus, dass bis zum Jahr 2010 eine erhebliche Anzahl von Brennstoffzellen-Fahrzeugen auf die Straße gebracht werden

Das innovative Skateboard-Chassis, das den gesamten Antrieb, die Kraftübertragung, die Lenkung und das Bremssystem des Brennstoffzellen-Konzeptfahrzeugs enthält, ist das Kernstück der Limousinen-Studie Hy-wire. Die 28cm flache Chassis-Konstruktion erlaubt eine grosse Freiheit im Karosserie-Design, zusätzlich erlaubt das By-wire-System, mit nur einer einzigen elektrischen Verbindung zwischen dem Rahmen und der Karosserie auszukommen. Das ermöglicht neue Interpretationen der Innenraumgestaltung. Die Flexibilität des Fahrzeug-Unterbaus erlaubt zudem die Aufnahme vielfältiger, austauschbarer Karosserieformen, die, maßgeschneidert für den jeweiligen Lebensstil des Kunden, einfach aufgesetzt werden können.

Das Antriebssystem besteht aus dem Wasserstoff-Speicher, der Brennstoffzellen-Einheit und dem Elektromotor. Der Brennstoffzellen-Antrieb der Studie ist identisch mit dem des Versuchsträgers HydroGen3, der auf dem Opel Zafira basiert. Zwischen den Aluminium-Holmen des Skateboard-Fahrgestells haben die GM-Entwickler einen quer eingebauten Drehstrom-Elektromotor untergebracht. Dieser treibt die Vorderräder über ein einstufiges Planetengetriebe an. Das Aggregat leistet 60 kW und liefert ein Drehmoment von maximal 215 Nm. Seine Höchstdrehzahl beträgt 12.000 U/min, das entspricht bei der Getriebeübersetzung von 8,67:1 einem maximalen Drehmoment von 1.864 Nm an den Antriebsrädern. Der kompakte Brennstoffzellen-Stack besteht aus einem Block von 200 in Serie geschalteten Brennstoffzellen. Dieser Stapel arbeitet unter einem Druck von 1,5 bis 2,7 bar und weist eine Leistungsdichte von 1,60 kW/l auf. Er liefert eine Dauerleistung von 94 kW und eine Spitzenleistung von 129 kW.

Das By-wire-System ermöglicht eine auf wenige Elemente reduzierte Innenausstattung

Der Energiewandler erzeugt Gleichstrom mit einer Spannung zwischen 125 und 200 Volt, je nach Lastzustand. Diese Spannung wird von einem Gleichspannungswandler auf 250 bis 300 Volt hochgesetzt, in Wechselstrom umgerichtet und dem Elektromotor zugeführt. Das By-wire-System selbst arbeitet mit einer Spannung von 42 Volt. Das Ansprechverhalten der Brennstoffzelle ist so dynamisch, dass keine Pufferbatterie mehr benötigt wird, um Leistungsspitzen abzudecken. Der Stack befindet sich im Heck des Skateboard-Chassis und wird von einem herkömmlichen Kühler gekühlt. Den Wasserstoff zur Stromerzeugung bezieht die Brennstoffzelle aus drei zylindrischen Tanks, die in der Mitte des Skateboards montiert sind. Die Druckbehälter für komprimierten Wasserstoff bestehen aus Karbon-Verbundmaterial und wiegen nur 75 Kilogramm. Sie haben ein Fassungsvermögen von zwei Kilogramm gasförmigen Wasserstoffs, der bei 350 bar Druck gespeichert wird. Im nächsten Entwicklungsschritt wird der Tankdruck von 350 auf 700 bar erhöht. GM/Opel und QUANTUM Fuel Systems Technologies Worldwide haben bereits die Freigabe des TÜV für einen solchen 700-bar-Wasserstofftank. Mit diesem könnten Brennstoffzellen-Fahrzeuge, abhängig vom Tankvolumen, auch Reichweiten von 500 Kilometern erreichen.

Das By-wire-System steuert mit elektrischen Signalen alle wichtigen Fahrzeug-Funktionen. Zum Beschleunigen, Bremsen und Lenken braucht Hy-wire keine mechanischen Verbindungen oder hydraulischen Kraftübertragungen mehr, sondern nutzt elektrische Signale. Alle Hauptfunktionen der Fahrzeugsteuerung sind in einem elektronischen System zusammengefasst, das von der schwedischen SKF-Gruppe entwickelt wurde. Die Steuerung ist in einer flexiblen Kontrolleinheit untergebracht, die das gewohnte Lenkrad ersetzt. Nicht nur gelenkt wird von Hand, sondern der Fahrer kann mit der rechten oder linken Hand auch bremsen und beschleunigen. In einem konventionellen Fahrzeug übertragen mechanische Komponenten wie die Lenksäule die Bewegungen des Lenkrads zu den Rädern. Im Gegensatz dazu werden bei der By-wire-Technologie die Befehle des Fahrers von Sensoren erfasst und als digitale Signale an einen elektrischen Stellmotor weitergegeben, der das Lenkgetriebe wie gewünscht bewegt. Das Bremssystem des Hy-wire, zusammen mit dem italienischen Spezialisten Brembo entwickelt, arbeitet mit konventionellen Bremssätteln, spricht aber schneller an.

Zum Fahren übermittelt das By-wire-System ein elektronisches Signal an das Kontrollelement des Elektromotors, der die Vorderräder des Hy-wire antreibt. Die Software des Systems erlaubt es ferner, die Bedienungscharakteristik des Fahrzeugs individuell auszulegen, indem das Ansprechverhalten beim Lenken, Bremsen und Gasgeben dem jeweiligen Fahrstil angeglichen wird. Eine solche Anpassung vorzunehmen ist so einfach wie das Laden eines neuen Computerprogramms. Ein einzelner Verbindungsstecker sorgt für den elektrischen Kontakt zwischen dem Aluminiumchassis und der Fiberglas-Karosserie. Über dieses Nervenzentrum wird das elektrische System des Hy-wire so einfach angeschlossen wie über einen Stecker in der Steckdose. Größere Freiheiten gibt die By-wire-Technologie aber nicht nur den Designern, sondern sie erleichtert auch die Produktion von links- und rechtsgelenkten Fahrzeugen. Außerdem kann sie die Sicherheit im Fahrzeug erhöhen. Darüber hinaus spart der Verzicht auf mechanische und hydraulische Verbindungen Gewicht und vereinfacht die Instandhaltung, weil weniger mechanische Teile verschleißen können. Zudem ist ein solches System umweltverträglicher, da es kein Hydrauliköl benötigt.

Der Fahrer steuert und bedient das Fahrzeug mit Hilfe von zwei Griffen, die links und rechts der flexiblen Steuereinheit angeordnet sind. Diese sind beiderseits eines 5,8-Zoll-Farbmonitors angebracht, der den Fahrer mit allen wichtigen Informationen versorgt. Die Steuereinheit kann sowohl für den Links- als auch Rechtslenkerbetrieb eingesetzt werden und erhöht so die Flexibilität des Fahrzeugs. Fahrzeugfunktionen wie das Starten des Motors, das Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt und Leerlauf löst der Fahrer durch Tastendruck aus.

Durch die hinten angeschlagenen Hecktüren und die fehlende B-Säule ergibt sich ein bequemer Einstieg

Die Steuereinheit dockt an eine leicht und transparent wirkende Mittelkonsole an, die einen weiteren 5,8-Zoll-Farbbildschirm enthält. Über diesen werden Heizung, Lüftung und Klimaanlage sowie Audio- und Navigationssystem bedient und gesteuert. Besonderes Augenmerk richteten die Designer bei der Entwicklung des Innenraums auf die Sitze. Das fünfsitzige Fahrzeug hat vorn und hinten Schalensitze, der mittlere Sitz im Fond verwandelt sich durch Hochklappen in einen Tisch. Unterstrichen wird die Offenheit des Interieurs durch leichte Materialien, und das umweltschonende Gesamtkonzept der Studie soll seinen Ausdruck in natürlichen Farben finden.

Durch das flach bauende Skateboard-Chassis konnten die Designer völlig frei die unterschiedlichsten Karosserieformen und Innenräume entwerfen. Die Transparenz des Innenraums reflektiert die Reduktion der technischen Komponenten, die bei konventionellen Fahrzeugen für die Anbindung des Fahrers an die Steuerungssysteme sorgen: Front und Heck sind durchsichtig gestaltet und die Sitze haben fensterähnliche Aussparungen in den Rücklehnen. Durch diese Offenheit sitzen die Passagiere in einem betont lichten Abteil. Das Fehlen eines konventionellen Motors bedeutete, dass man keinen Kühlergrill braucht. Es stellte sich folglich die Frage was mit der offenen Frontpartie zu tun sei: Man entschloss sich letztendlich, die Öffnung mit Glas zu verkleiden. Das soll dem Fahrer einen freien Blick auf die Fahrbahn ermöglichen. Zudem besitzt Hy-wire große Fensterflächen in den Türen, und es gibt keine B-Säule, die den Blick verstellen können. Die Fondtüren sind hinten angeschlagen, die vier Türen öffnen sich daher wie Flügeltüren und erleichtern so den Ein- und Ausstieg. Klare Linien und kurze Überhänge prägen die Karosserie. Der Viertürer steht auf achtspeichigen Leichtmetallrädern mit 20-Zoll-Rädern vorn und 22-Zoll hinten. Kameras ersetzen zudem die Rückspiegel. Scheinwerfer und Rückleuchten bestehen aus Leuchtdioden, weil diese Technologie auch besonders platzsparend ist.

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(Text: Rainer Roßbach )
(Fotos: General Motors)

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