Die Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL: Erstes Elektroauto mit voller Alltagstauglichkeit und der Fahrdynamik eines Zweiliter-Benziners

Im Frühjahr nächsten Jahres werden die ersten der rund 200 Fahrzeuge an Kunden in Europa und den USA ausgeliefert. Herzstück der B-Klasse F-CELL ist die neue Generation des Elektroantriebs mit Brennstoffzelle, der kompakt, leistungsfähig, sicher und voll alltagstauglich ist. Die Brennstoffzelle erzeugt den Fahrstrom an Bord, wobei keine Schadstoffemissionen, sondern lediglich reines Wasser entsteht.

Im Frühjahr 2010 kommen die ersten F-Cell B-Klassen von Mercedes auf die Straßen (Foto: Daimler)
Im Frühjahr 2010 kommen die ersten F-Cell B-Klassen von Mercedes auf die Straßen (Foto: Daimler)

Die wesentlichen Antriebskomponenten liegen geschützt und Platz sparend im Sandwichboden, sodass Innen- und Kofferraum vollständig nutzbar sind. Dank seiner großen Reichweite von rund 400 Kilometern und kurzer Betankungszeiten verbindet die B-Klasse F-CELL lokal emissionsfreie Mobilität mit Langstreckentauglichkeit und überzeugenden Fahrleistungen. Für Fahrspaß und -dynamik auf dem Niveau eines 2,0-Liter-Benziners sorgt der 100 kW/136 PS starke Elektromotor, der ein souveränes Drehmoment von 290 Nm entwickelt. Dabei erzielt die B-Klasse F-CELL einen NEFZ-Verbrauch (Neuer Europäischer Fahrzyklus) von umgerechnet nur 3,3 Litern Kraftstoff (Diesel-Äquivalent) je 100 Kilometer.

Die technische Basis des Antriebs für die B-Klasse F-CELL bildet das optimierte Brennstoffzellensystem der neuesten Generation. Es ist rund 40 Prozent kleiner als das System in der A-Klasse F-CELL von 2004, entwickelt aber 30 Prozent mehr Leistung bei 30 Prozent weniger Verbrauch. Hauptkomponenten des Antriebs sind:

  • der kompakte Brennstoffzellenstack
  • die leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterie
  • drei Drucktanks für den auf 700 bar komprimierten Wasserstoff
  • sowie der kompakte und leichte Antriebsmotor an der Vorderachse.

Kaltstartfähig bis minus 25 Grad Celsius

Das Brennstoffzellenmodul der B-Klasse F-CELL, der Stack, zeichnet sich durch eine sehr gute Kaltstartfähigkeit bis minus 25 Grad Celsius aus. Das System verfügt über ein neues Befeuchtungssystem aus Hohlfasern. Dadurch kann, anders als bei den ersten Generationen der Brennstoffzelle, im Stack kein Wasser mehr gefrieren und so den Kaltstart erschweren. Selbst bei minus 15 Grad Celsius ist die Startzeit der B-Klasse F-CELL ähnlich kurz wie bei einem Fahrzeug mit modernem Dieselmotor. Durch eine spezielle Betriebsstrategie wird gewährleistet, dass der Brennstoffzellenstack nach jedem Fahrzeugstart schnellstmöglich seine optimale Betriebstemperatur von etwa 80 Grad Celsius erreicht. Dank des leitungsfähigen Kühlsystems und des intelligenten Temperaturmanagements wird diese „Wohlfühl-Temperatur“ unter allen Betriebsbedingungen konstant gehalten.

Rund 400 Kilometer Reichweite mit einer Tankfüllung

Der Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle wird mit 700 bar Druck in den drei Fahrzeugtanks gespeichert. Sie können knapp 4 Kilogramm des gasfömigen Kraftstoffs aufnehmen. Die Tanks sind nach außen hermetisch dicht, so dass auch bei längeren Standzeiten des Fahrzeugs kein Wasserstoff in die Umgebung entweicht. Durch den hohen Kompressionsgrad kann die B-Klasse F-CELL große Reichweiten von bis zu 400 Kilometern pro Tankfüllung erreichen, über zwei Mal mehr als die A-Klasse F-CELL. Sind die Tanks leer, können sie dank eines standardisierten Betankungssystems einfach und schnell in weniger als drei Minuten aufgefüllt werden.

Umgerechnet nur 3,3 Liter Dieselverbrauch pro 100 Kilometer

Der Elektromotor, eine permanent erregte Synchronmaschine, entwickelt eine Spitzenleistung von 100 kW/136 PS und ein – E-Motor-typisch hohes – maximales Drehmoment von 290 Newtonmetern, das bereits von der ersten Umdrehung an zur Verfügung steht. Damit tritt die B-Klasse F-CELL ausgesprochen souverän an und erfüllt hohe fahrdynamische Anforderungen, die zum Teil deutlich über dem Niveau eines Zweiliter-Benziners liegen. Dennoch verbraucht der lokal emissionsfreie Elektroantrieb mit Brennstoffzelle umgerechnet nur 3,3 Liter Kraftstoff (Diesel-Äquivalent) je 100 Kilometer im NEFZ.

Kompakte Lithium-Ionen-Batterie mit großer Speicherkapazität

Als Stromspeicher kommt eine leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterie mit Hochvolt-Technik zum Einsatz. Sie verfügt über einen Energieinhalt von 1,4 kWh und wird über den Kreislauf der Klimaanlage gekühlt. Mercedes-Benz konnte bei der Batterie der B-Klasse F-CELL auf die Erfahrungen mit der Lithium-Ionen-Technologie zurückgreifen, die für den S 400 HYBRID entwickelt wurde. Vorteile der Lithium-Ionen-Batterie sind ihre kompakten Abmessungen und die deutlich höhere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH). Die Energiedichte übertrifft die der NiMH-Technologie um 30 Prozent, die Leistungsdichte um 50 Prozent. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch einen hohen Ladewirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aus.

Intelligentes Antriebsmanagement für höchste Effizienz

Für die B-Klasse F-CELL hat Mercedes-Benz die Betriebsstrategie des Elektroantriebs mit Brennstoffzelle perfektioniert. Bei besonders tiefen Außentemperaturen erhält der Elektromotor beim Kaltstart seine elektrische Energie sowohl aus der Lithium-Ionen-Batterie als auch aus dem „hochfahrenden“ Brennstoffzellensystem. Bei wärmeren Außentemperaturen genügt der Batteriestrom, die Brennstoffzelle wird dann – je nach Leistungsbedarf – später zugeschaltet. Im Fahrbetrieb hält das Energiemanagement das F-CELL-System immer im optimalen Arbeitsbereich. Die Lithium-Ionen-Batterie gleicht Differenzen zur erforderlichen elektrischen Leistung im momentanen Fahrzustand dynamisch aus.

Bei jedem Bremsvorgang und bereits wenn man den Fuß vom Gas nimmt wandelt der Elektromotor Bewegungsenergie durch Rekuperation in elektrische Energie um, die in der Batterie gespeichert wird. Beim Rangieren oder kurzen Fahrstrecken arbeitet der elektrische Antriebsmotor mit Batteriestrom. Reicht die Kapazität des Energiespeichers nicht aus, schaltet sich die Brennstoffzelle automatisch zu. Ob die elektrische Energie aus der Lithium-Ionen-Batterie, aus der Brennstoffzelle oder aus beiden Systemen zusammen genutzt wird, entscheidet das intelligente Antriebsmanagement jeweils im Hinblick auf höchste Effizienz und Kundennutzen.

Voll alltagstauglich dank Sandwichboden

Vier vollwertige Sitzplätze und ein Kofferraumvolumen von 416 Litern machen die B-Klasse F-CELL zu einem voll alltags- und familientauglichen Automobil. Realisiert wurde das F-CELL-Konzept auf Basis der einzigartigen Sandwichboden-Architektur, die Mercedes-Benz bereits vor zehn Jahren auch mit Blick auf die Integration alternativer Antriebe bei der ersten A-Klasse Generation eingeführt und seither konsequent weiterentwickelt hat. Die wesentlichen Komponenten des Elektroantriebs mit Brennstoffzelle sind schwerpunktgünstig, platzsparend und bestmöglich geschützt im Unterboden des Fahrzeugs eingebaut.

Die Vorteile der Konstruktion:

  • Das großzügige Raumangebot der B-Klasse bleibt vollständig erhalten. Durch die Integration des kompletten Brennstoffzellensystems im geräumigen Sandwichboden müssen keine Kompromisse bei Fahrgast-, Kofferraum und Variabilität eingegangen werden.
  • Die im Sandwichboden eingebaute Antriebstechnik sorgt für einen niedrigen Schwerpunkt. Daraus resultiert ein besonders sicheres und agiles Fahrverhalten.
  • Die Crashsicherheit liegt dank des Sandwichkonzeptes und der Unterbringung wesentlicher Antriebskomponenten sowie der Wasserstofftanks zwischen den Achsen auf Mercedes-typisch höchstem Niveau.

Die B-Klasse F-CELL bietet vollen Fahrspaß und volle Alltagstauglichkeit – und das ohne lokale Emissionen. Auch in punkto Ausstattung hat das innovative Elektroauto viel zu bieten, zum Beispiel die Sonderlackierung in Bonamitsilber sowie exklusive Leichtmetallräder im 10-Speichen Design. Im Innenraum sorgen Leder­ausstattung, Sitzheizung, Klimaautomatik und COMAND-System sowie weitere Ausstattungsfeatures für hohen Komfort. Über eine dynamische Energiefluss-Anzeige auf dem Display des COMAND-Systems wird der Fahrer jederzeit über Ladezustand der Batterie, Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems sowie über die im Umkreis verfügbaren Wasserstofftankstellen informiert.

Safety first: Höchste Sicherheitsstandards

Mercedes-Benz legt bei der B-Klasse F-CELL die gleichen hohen Sicherheitsmaßstäbe an wie bei allen anderen Serienfahrzeugen der Marke. Ausgangspunkt bildet die sehr hohe Crashsicherheit der Mercedes-Benz B-Klasse, die im europäischen NCAP-Rating (New Car Assessment Programme) mit der Höchstzahl von fünf Sternen ausgezeichnet wurde. Das integrierte Sicherheitskonzept der B-Klasse F-CELL trägt den spezifischen Eigenschaften des innovativen Antriebssystems Rechnung. Dabei flossen unter anderem die langjährigen Erfahrungen von Mercedes-Benz mit dem Elektroantrieb mit Brennstoffzelle aus der A-Klasse F-CELL sowie der Hochvolt-Technologie mit Lithium-Ionen-Batterie aus dem S 400 HYBRID ein.

Die Sicherheit der antriebsspezifischen Komponenten inklusive Wasserstofftank in der B-Klasse F-CELL haben die Mercedes-Ingenieure durch mehr als 30 Crashtests geprüft. Die Wasserstofftanks liegen aufprallgeschützt im Sandwichboden. Sie nehmen den auf 700 bar komprimierten Wasserstoff auf und sind für alle denkbaren Belastungen ausgelegt. Bei einem Crash schließen Sicherheitsventile die Wasserstoff-Versorgungslei­tungen zur Brennstoffzelle und entkoppeln die Tanks von den übrigen Systemkomponenten. Auch nach einem sehr starken Aufprall kann somit keine Gefährdung durch Wasserstoff entstehen. Im Falle einer übermäßigen Hitzeeinwirkung in Folge eines Brandes wird über ein temperaturgesteuertes Ventil der Tankinhalt kontrolliert abgelassen.

Lithium-Ionen-Batterie und Hochvoltsystem der B-Klasse F-CELL sind – den Erfahrungen mit der Hybridtechnologie des S 400 HYBRID folgend – mit einem umfangreichen, siebenfachen Sicherheitskonzept ausgerüstet.

  • Alle Kabel sind farblich unverwechselbar gekennzeichnet und mit entsprechenden Sicherheitshinweisen versehen. Dies verhindert unbeabsichtigte Fehlmontagen in der Produktion und erleichtert Inspektionskontrollen.
  • Lückenloser Berührschutz des gesamten Systems durch großzügig dimensionierte Isolierungen und Spezialstecker.
  • Die Lithium-Ionen-Batterie ist in einem hochfesten Stahl-Gehäuse untergebracht. Weitere Sicherheitsmerkmale: Abblasöffnung mit Berstscheibe und separatem Kühlkreislauf. Ein interner elektronischer Controller überwacht permanent die Sicherheitsanforderungen und signalisiert eventuelle Fehlfunktionen sofort.
  • Alle Hochvoltkomponenten sind durch eine elektrische Schleife miteinander verbunden. Bei einer Fehlfunktion wird das Hochvoltsystem automatisch abgeschaltet.
  • Sobald die Zündung auf „aus“ geschaltet wird oder bei möglichen Störungen wird das Hochvoltsystem aktiv entladen.
  • Bei einem Unfall wird das Hochvoltsystem in Sekundenbruchteilen komplett abgeschaltet.
  • Permanente Überwachung des Systems auf Kurzschlüsse.

Aufgrund des hohen Sicherheitsniveaus gibt es für Brennstoffzellenfahrzeuge von Mercedes-Benz keinerlei Beschränkungen bezüglich der Einfahrt in Tiefgaragen, Parkhäuser oder Tunnels.

F-CELL – auf dem Weg zur Industrialisierung der Brennstoffzelle

Bei der B-Klasse F-CELL wendet Mercedes-Benz erstmals alle Entwicklungs- und Produktionsstandards der Serienproduktion auf ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle an. Alle F-CELL-Komponenten erfüllen die bekannt hohen Kriterien an Qualität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Mercedes-Benz. Damit sind wesentliche Voraussetzungen für die Effizienz steigernde und Kosten senkende Industrialisierung des Elektroantriebs mit Brennstoffzelle inklusive Batterie geschaffen. Ab 2012 will das Unternehmen seine Fahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien aus eigener Produktion bei der Deutschen Accumotive GmbH ausrüsten.

Modularer Systembaukasten für die Elektroautos von morgen

Analog zur Strategie für die Hybridentwicklung haben die Mercedes-Ingenieure auch für Elektrofahrzeuge mit Batterien und Brennstoffzellen einen modularen Systembaukasten entwickelt. Dieser ermöglicht unter anderem den effizienten Einsatz von Gleichteilen in allen Elektrofahrzeugen. Für die Modularisierung eignen sich alle wesentlichen Komponenten von Elektrofahrzeugen: vom Elektromotor und dem Getriebe über die Batterie und das Hochvolt-Sicherheitskonzept bis hin zu Hochvoltverkabelung und Software-Modulen. Bei F-CELL-Fahrzeugen lassen sich spezifische Komponenten, zum Beispiel Stacks und Wasserstofftanks, einheitlich für ganz unterschiedliche Fahrzeuge nutzen. Zum Beispiel, indem man die Anzahl je nach Bedarf variiert: So fährt etwas der Mercedes-Benz Brennstoffzellenbus mit zwei Pkw-Systemen desselben Typs, der auch in einer B-Klasse F-CELL verwendet wird.

Produktion der B-Klasse F-Cell in Rastatt (Foto: Daimler)
Produktion der B-Klasse F-Cell in Rastatt (Foto: Daimler)

Wie das Unternehmen den Modulgedanken bei künftigen Elektrofahrzeugen mit Batterie und Brennstoffzellen umsetzt, zeigt das seriennahe Concept BlueZERO. Analog zur B-Klasse F-CELL sind auch beim Concept BlueZERO die wesentlichen Antriebskomponenten crashsicher im Sandwichboden untergebracht. Das variable Konzept ermöglicht auf Basis einer Fahrzeugarchitektur drei Varianten mit unterschiedlichen Antriebskonfigurationen, die alle Kundenanforderungen an nachhaltige Mobilität erfüllen können – auch und insbesondere im Hinblick auf zentrale Aspekte wie Sicherheit und Reichweite:

  • Der BlueZERO E-CELL mit rein batterieelektrischem Antrieb erzielt eine Reichweite von bis zu 200 Kilometern
  • Der BlueZERO F-CELL mit Brennstoffzelle ermöglicht dank einer elektrischen Reichweite von deutlich über 400 Kilometern auch Langstreckenfahrten
  • Der BlueZERO E-CELL PLUS mit Elektroantrieb und zusätzlichem Verbrennungsmotor als Stromgenerator („Range Extender“) erzielt eine Gesamtreichweite von bis zu 600 Kilometern und fährt rein elektrisch bis zu 100 Kilometer weit.

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