Едно технологично сравнение на базираните върху платформата CLAR електрически BMW i4 M50 и BMW M4 Competition с ДВГ.

Платформата CLAR в момента е сърцевината на по-голямата част от моделите на BMW. Тя позволява интегриране на различни видове задвижвания благодарение на гъвкавите възможности на каросерията и нейното производство.

Вкопчил съм се във волана на автомобила, а адреналинът бързо нахлува във вените ми. Предизвикателството не би трябвало да толкова голямо – все пак става дума за стандартно паралелно ускоряване на два автомобила. Само че участъкът върху мокрия асфалт в словенския курорт Поклюка не е особено дълъг и трябва добре да бъде балансирано всяко действие, защото прекомерното ускоряване с късно спиране би ме отвело право в пясъчните купчини отвъд изчистения участък.

Светофарът светва в зелено и бруталният тласък на автомобила ме понася напред. Все пак съм зад волана на BMW M4 Competition, макар и в малко по-тежката му версия кабриолет. И какво да видя Автомобилът до мен буквално се катапултира и стремително ускорява напред. Стартът на позиционираното в съседната полоса BMW i4 M50 е просто феноменален. Каквото и да направиш в рамките на тези 30-40 метра, няма как да го настигнеш.

До много скоро подобно сравнение не беше възможно. Ако споменем нещо за тягата на електрическия мотор, вече ще навлезем в сферата на клишетата и с нищо няма да обогатим знанията ви. Само че този случай е малко по-специален. Става дума за два автомобила, базирани на една и съща конструктивна система, а директното им сравнение със своята конкретика се превръща в интересен фундаментален въпрос.

Проста и сложна физика

Оборотите на мотора на автомобила са пряко свързани със скоростта на последния, а мощността е произведение от оборотите и въртящия момент (разделени на определено число, което зависи от мерните единици). При автомобилите с ДВГ първите зависят и от активираната предавка, а при електрическите (засега) те остават директно зависими поради едностепенната трансмисия. Такъв е случаят и тук. Благодарение на взаимодействието на магнитните полета още при нулеви обороти електромоторите на i4 (с мощност от съответно 258 и 313 к.с.) създават въртящ момент от респективно 430 Нм и 365 Нм. Интересно е да се отбележи, че по-мощният електромотор е настроен така, че да има по-малък въртящ момент в максималния му диапазон (и в двата случая 0–5000 об./мин), но кривата му на спадане след това не e толкова стръмна. Това в известна степен се компенсира от по-късото предавателно число на по-мощния (9,3741 срещу 8,7741). Така сумарният въртящ момент от невероятните 795 Нм се стоварва през едностепенните им трансмисии към колелата. И при двата електрически мотора максималната мощност се постига при 8000 об./мин в диапазон, в който въртящият момент вече драстично е спаднал. Тъй като последният продължава да се понижава, въпросната мощност не се увеличава, а остава постоянна чак до 17 000 об./мин. Принос за бързата реакция в случая обаче има и комбинацията от електромотор и трансмисия. През последното десетилетие и половина BMW натрупа значителен опит в тази област като един от пионерите в електрическото задвижване след прототипите Mini E, Active E, MCV (i3), i8 и множеството хибридни и plug-in хибридни модели. Новото пето поколение електрическа система BMW eDrive вече не използва технологията на „хибридния“ синхронен електромотор на i3, при който в ротора се съчетават постоянни магнити и магнитопоточен принцип (релуктантност) на взаимодействие със статора. Сега електромоторите, създадени и произвеждани от BMW, са с ротор с електрическо възбуждане, благодарение на който се избягва използването на скъпи редкоземни материали и взаимодействащите магнитните полета се управляват по-гъвкаво в зависимост от условията. Според BMW новата интеграция между силова  електроника, мотор и трансмисия е позволила повишаване с 50 процента на плътността на мощността спрямо варианта на задвижването на i3 от 2020 година. Въпреки необходимостта от електричество за създаване на магнитно поле в ротора, което води до допълнителен разход на енергия, инженерите на BMW са съумели да постигнат коефициент на полезно действие на електромоторите от 93 процента.

Шест топли срещу два студени цилиндъра 

За подобни стойности дори високотехнологичната машина на M4 Competition може само да мечтае. А за да достигне максималния си въртящ момент от 650 Нм, двигателят на спортния модел трябва да се върти с 2750 об./мин. За да разберете нагледно за какво става дума, си представете нещо като състезание със строителни колички – от тези с едно колело отпред. Ако единият „състезател“ упражни статична сила напред върху фиксираната количка и тя бъде освободена при сигнала за старт, той ще може да ускори много по-бързо, отколкото този, който започва да ускорява в момента на старта. Освен това при автомобила моментната мощност, прилагана върху колелата, се увеличава с увеличаване на скоростта, респективно на оборотите. Това например означава, че при скорост от 40 км/ч на втора предавка и 60 км/ч на същата и прилагане на един и същ максимален въртящ момент прилаганата мощност и динамиката на ускоряване са се увеличили. 

За да създаде максимални условия за бързо ускоряване (напречната динамика на двата автомобила не е предмет на този материал), M4 вече използва осемстепенна трансмисия на ZF  8HP76 с първа предавка с предавателно отношение 5,001 и главно предаване 3,1541. Така общото предавателно отношение става 15,771, а на втора то е 10,091. Към това в уравнението трябва да се добави и увеличаването на въртящия момент от преобразувателя в трансмисията. Въпреки тези стойности поради гореспоменатите факти в първите десетки метри i4 M50 изпреварва значително M4 Competition. Когато обаче високотехнологичният S58 B30 T0 с два едноструйни турбокомпресора, директно впръскване с налягане 350 бара, система за контрол на хода на клапаните Valvetronic и на фазите им Double Vanos и максимална мощност от 510 к.с. успее за задейства цялата поредица от механизми и хидравлични, електрически и мехатронни системи и предаде мощността си през осемстепенната трансмисия и масивната система за задвижване на четирите колела (на фона на начина, по който е реализирано двойното предаване при i4), автомобилът се устремява напред, достигайки 100 км/ч за 3,7 секунди и изпреварвайки с 0,2 секунди i4 M50 с неговите 3,9 секунди. Ако си поиграем още малко с изчисления, отчитайки размера на гумите и предавателните отношения, ще открием, че при умерено шофиране с въпросните 100 км/ч на седма предавка M4 ще може да се движи с малко над 2000 об./мин, докато поради фиксираното предавателно отношение задният електромотор на BMW i4 вече ще достига 7350 об./мин. Това е равносилно на постоянно движение на втора предавка на автоматичната трансмисия (първа тук е много къса), а в този момент той вече е напуснал зоната си на максимален въртящ момент и максимална ефективност, при това създавайки при ускоряване и спиране субективно усещане, доста различно от това на автомобил с ДВГ. Всичко това е било във фокуса на работата на инженерите от BMW в стремежа им да създадат електрически мотор, който да запазва ефективността си при колкото е възможно по-високи обороти без необходимост от многостепенна трансмисия. И все пак, въпреки че успява да достигне максимална скорост от цели 225 км/ч, i4 не харесва толкова високи скорости, а разходът на енергия значително нараства. Тук обаче това не става в степента, в която се случва при много други електрически автомобили. В таблиците с данни на i4 можете да откриете факта, че скоростта от 225 км/ч е „електронно ограничена“, но всъщност тя трудно може да бъде по-голяма – при тази скорост електрическите мотори достигат оборотни режими от над 16 500 об./мин, тоест предела си при това конструктивно решение. В цялото това уравнение трябва да имаме предвид и обстоятелството, че собственото тегло на i4 M 50 по DIN е 2215 кг, а на BMW M4 Competition Convertible с M xDrive e 1920 кг, тоест дори кабриолетът е с почти 300 кг по-лек. А също и факта, че максималните стойности на мощност и въртящ момент на електромоторите в голяма степен зависят от моментното състояние на електрическата система, включващо освен всичко други и температурните параметри на електромоторите, силовата електроника и изходната мощност на батерията, респ. нейното състояние на заряд, температура и т.н. Но това вече е друга тема…

Стоманената решетка 

Цялото това тегло трябва да бъде поето от модифицираната Evo версия на платформата CLAR, появила се за първи в път в Серия 7 (G11) през 2015 година. Въпреки че инвестира огромни суми в разработването на специално проектирана платформа с алуминиева носеща рама и карбонова каросерия за i3, BMW наскоро прекрати производството му и няма да продължава да развива тази иначе прогресивна конструктивна архитектура. Интересно е как щеше да изглежда днес i4, ако беше реализиран по този начин. Въпросната технология обаче е скъпа за BMW с техните автомобили в малки серии, поради което при проектирането на CLAR тя беше създадена така, че подовата ѝ конструкция да може да бъде модифицирана – с монтиране на по-плоска дънна вана, под която да се фиксира батерията, която от своя страна също се превръща в интегрален и усилващ елемент на конструкцията. Ако се вгледате внимателно в каросерията обаче, ще откриете, че преградната стена между предната част и клетката за пътниците все пак има характерния контур за помещаване на трансмисия, изразяващ факта, че каросерията е универсална. От друга страна, именно този тип каросерия позволява монтажа на по-сложно задно окачване (с адаптирани при електрическия модел втулки и пружини), което е ограничено при автомобилите със „скейтборд“ системи, като MEB на Volkswagen. При iX степента на модификация вече достига такива размери, че BMW говори за напълно нова платформа. Универсалното решение позволява на BMW да намали себестойността на производството и да може да произвежда моделите на същите поточни линии – i4 например напуска конвейерите на завода в Мюнхен. Въпреки това в момента компанията разработва платформата Neue Klasse, която също трябва да може да помещава всякакъв вид задвижване и ще замени постепенно както CLAR, така и по-малката UKL. Тя ще бъде далеч по-адаптирана към спецификите на електрическите автомобили.

Забележка: Част от графиките са на новото BMW Серия 5 заради възможността за директно сравнение на задвижващата архитектура.   

Текст Георги Колев
Снимки BMW