Das PPV als innovative Lösung für den Automobiltrend „Carsharing"

Die Shared Mobility gilt aktuell als eines der wichtigsten Trendthemen in der Automobilindustrie. Wie alle urbanen Mobilitätskonzepte der Zukunft erfordert sie eine enge Anbindung an die gesellschaftliche Zukunftsforschung. Hinsichtlich neuer Fahrzeugkonzepte des Carsharings ergibt sich daraus die Aufgabe, sämtliche kostenverursachende Faktoren zu erfassen und sie bezüglich ihres Einflusses auf die Wirtschaftlichkeit und Fahrzeugkonstruktion zu analysieren. FEV, share2drive und die FH Aachen arbeiten gemeinsam an der zukünftigen Fahrzeugklasse der Personal Public Vehicles (PPV) als Beförderungsmittel und Schnittstelle zwischen öffentlichem und individuellem Verkehr.

>> BIS 2030 WERDEN MINDESTENS ZEHN PROZENT DER FAHRZEUGE WELTWEIT IN MOBILITÄTSDIENSTEN GENUTZT

Wenn es im Kontext der Shared Mobility darum geht, relevante Formen von städtischen Mobilitätsdienstleistungen aus Sicht des individuellen Mobilitätsbedürfnisses zu beschreiben und Geschäftsmodelle mit speziellen Fahrzeugkonzepten zu bewerten, kommt das sogenannte Urban Mobility Trait (UMT) zum Einsatz (Abbildung 1).

Hieraus erschließt sich etwa, dass die Mobilitätsdienstleistung beim Free-Floa­ting-Carsharing aus dem Teilen von Fahrzeugen besteht, die von Unternehmen für ihre Kunden bereitgestellt werden. Letztere wiederum fungieren dabei als Fahrzeugführer. Generell wird beim Free-Floating Carsharing nur eine geringe Anzahl an Personen befördert und die Fahrstrecke liegt meist bei weniger als acht Kilometern. Anders sieht es beim sogenannten Ride Selling aus, zu dem beispielsweise die Unternehmen Uber oder Lyft zählen. Hierbei bieten Privatpersonen mit ihren eigenen Fahrzeugen Chauffeurdienstleistungen an. Letztlich entscheiden die Nutzungsbedürfnisse der Kunden darüber, welche Mobilitätsdienstleistung sie in Anspruch nehmen. Relevant ist hierbei neben den Kosten der Fahrt auch die Zeit die benötigt wird, bis Nutzer ihr Ziel erreichen können. Ebenfalls von Bedeutung sind die Einfachheit der Dienstleistung gepaart mit Komfort und potenziellem Zusatznutzen, den die Nutzer durch sie erfahren – beispielsweise, die Fahrtzeit für private oder berufliche Aufgaben nutzen zu können (Abbildung 2).

Es sind also neue Ansätze bei der Transportdienstleistung gefragt. Die share2drive GmbH mit Sitz in Aachen folgt genau diesem innovativen Ansatz. Sie ist ein junges Unternehmen, das als Spin-off aus der FH Aachen hervorging. Der Unternehmenszweck ist die Bereitstellung fortschrittlicher Mobilitätskonzepte im Umfeld des Carsharings. Einer der wesentlichen Bestandteile des Geschäftsmodells ist dabei das PPV – ein Fahrzeug, das in Kooperation mit FEV und ihren Tochterunternehmen speziell für die Nutzung im Carsharing entwickelt wird.

Marktfähige Fahrzeuge für die Shared Mobility

Neue Mobilitätsdienstleistungen im Kontext des UMT haben einen disruptiven Einfluss auf die bestehende Wertschöpfungsstruktur innerhalb des Automobilsektors, da Akteure aus der IKT- und Energiebranche neben etablierten Mobilitätsdienstleistern verstärkt mit neuen Geschäftsmodellen auf den Mobilitätsmarkt drängen. Gleichzeitig orientieren sich insbesondere die großen Tier 1 Supplier in der Automobilzulieferindustrie neu, um auf Marktveränderungen, etwa durch neu erscheinende Fahrzeughersteller, zu reagieren. Was neben der weiteren Diversifizierung von Fahrzeugmodellen für Endkunden außerdem erwartet werden kann ist, dass verstärkt auch Fahrzeuge für Mobilitätsdienstleister in den Fokus der OEMs rücken [1]. So prognostizieren diverse Studien, dass bis 2030 mindestens zehn Prozent der Fahrzeuge weltweit in Mobilitätsdiensten genutzt werden [2].
Der Wettlauf um Fahrzeugmodelle für diesen Sektor hat also begonnen. Und damit auch die mit dem UMT einhergehende Differenzierung, ob sogenannte Purpose Vehicles im Sinne von „Sharing a Vehicle“ oder in der Bedeutung von „Sharing a Ride“ sowie „Driver on Board“ oder „Be the Driver“ konzipiert werden. Denn nur solche Fahrzeugkonzepte sind marktfähig, die einer soliden Marktdurchdringung bei gleichzeitig attraktiver Total-Cost-for-Ride-Betrachtung entsprechen. Für ein neues Fahrzeugkonzept bedeutet dies, dass alle kostenverursachenden Faktoren erfasst und analysiert werden müssen. Dazu zählen unter anderem die Fahrzeuge, deren Wartung, die Aufwendungen für Infrastruktur und IKT sowie der eigentliche Betrieb. Diese Kosten müssen sich in einem wirtschaftlichen Geschäftsmodell abbilden und es gilt, den Einfluss der Fahrzeugkonstruktion für jeden der genannten Faktoren zu berücksichtigen.

Das PPV als neuer Ansatz bei Shared Cars

Die bislang in städtischen Mobilitätsdienstleistungen genutzten (Elektro-) Fahrzeuge erfüllen nur bedingt ihren Einsatzzweck, da sie originär auf eine Endkundennutzung ausgelegt sind. Dabei werden von den Flottenbetreibern nur geringfügige Modifikationen, insbesondere im Bereich der Zugangsmöglichkeiten, an den Fahrzeugen selbst vorgenommen. Im Zuge der Verwendung in einem urbanen, auf dem Teilen beruhenden Mobilitätskonzept rücken jedoch sehr spezielle Anforderungen der Betreiber als auch der Fahrzeugnutzer zunehmend in den Fokus. Gleichzeitig müssen Fahrzeuge in neuen Mobilitätsdienstleistungen und in einer multimodalen Welt als „Rolling Devices“ verstanden werden. Daraus folgt, das Anforderungsprofil eines „perfekten“ Sharing-Fahrzeugs nicht wie sonst üblich über eine konventionelle Kundenanalyse, sondern aus dem Mobilitätskonzept sowie einem Geschäftsmodell zu entwickeln. Entsprechende Anforderungen aus dem Carsharing-Betrieb sind in gemeinsamer Forschung der FH Aachen und Cambio Aachen sowie aus Veröffentlichungen des Bundesverbands CarSharing e. V. entstanden (Abbildung 3).

Der Gedanke bei der Konzeption des PPV ist es, ein realistisches Fahrzeug zu entwickeln, das nicht dem aktuellen Trend „schwereloser“ Showcars folgt, sondern sich als eine zeitnahe Antwort auf Shared-Mobility-Anforderungen der Zukunft versteht. Das für das PPV 1.0 erstellte Fahrzeuglastenheft adressiert eine europäische Homologation. Der Entwicklungsprozess folgt im Package-Engineering einer einheitlichen Darstellung der Package-Informationen gemäß der ECIE-Norm (European Car Manufacturers Information Exchange Group).
Dies ermöglicht einen herstellerübergreifenden Vergleich des ergonomischen und technischen Fahrzeug-Packages. Während der Konzeptentwicklung wird zusätzlich in Hardware eine modulare, leicht änderbare Innenraum-Sitzkiste für die Verifizierung der anspruchsvollen Innenraumvorgaben verwendet. Die Absicherung der funktionalen Ziele (zum Beispiel für den Crashfall) erfolgt durch entsprechende Simulation nach der Finite-Elemente-Methode mit dem Programm LS-Dyna.

Maße und Aufbau: Die größte Herausforderung stellt sich durch die Mobilitätsvorgabe, ein Fahrzeug in der M1-Klasse zu konzipieren. In dieser Klasse sind nur Fahrzeuglängen von unter 2,5 m (Quereinparken erlaubt) und einer Breite von circa 1,7 m zulässig. Gleichzeitig müssen, um 95 Prozent aller denkbaren Fahrten zu bedienen, drei Personen im PPV 1.0 Platz finden. Die Vorgabe, dass der Innenraum ein freundliches, großzügiges Innenraum­angebot bieten soll, erschwert die Konzeption zusätzlich. Das PPV schafft diesen Spagat mit einem One-Box-Design mit Dreier-Sitzbelegung (1+2-Sitzer) in einer Reihe. Der Antriebsstrang wird hochintegrativ und package-effizient mit der Bodengruppe abgestimmt. Ein neuartiges Rohbaukonzept erlaubt eine weit nach vorne platzierte Windschutzscheibe. Ein wichtiges Konzeptmerkmal ist hierfür die zurückversetzte A-Säule und sehr große Glasflächen. Ein weiterer Bestandteil des Aufbaukonzepts stellt die Fahrertür dar. Ein neuartiges Schwenk-Schiebetür-Konzept gewährleistet eine Best-in-Class-Türöffnung selbst in engen Parklücken, ohne dabei im geöffneten Zustand über das sehr kurze Fahrzeug hinauszuragen.

Designentstehung: Vor der eigentlichen Designentwicklung wird in einer interdisziplinären Entwicklungsgruppe eine Design-DNA des PPV 1.0 definiert. Hierfür werden zunächst sehr unterschiedliche urbane Assoziationswelten geschaffen und auf deren Grundlage circa 250 Designentwürfe entwickelt.

Die Entwürfe, die im nächsten Schritt auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Konzepte des bevorzugten Assozia­tionsraums verdichtet werden, führen anschließend zur finalen Konzeptentscheidung. Ab dieser Stufe folgt die Designentwicklung in einem typischen digitalen CAS-Prozess (Computer-aided-Styling), ehe die anvisierte Design-DNA im finalen Design umgesetzt werden kann. Zusammengefasst lässt sich der PPV als der kleinste Selbstfahrerbus der Welt bezeichnen.
Das Interieurkonzept unterscheidet sich in der Designsprache deutlich vom Exterieur und nimmt sehr stark die reduzierte Kommunikations-DNA aus dem Busbau und der IT-Welt auf. Die Anzahl der Bedien­elemente hat man beim PPV 1.0 auf ein absolutes Minimum reduziert und die intuitive Bedienung in den Vordergrund gestellt. Der Fahrerplatz zeichnet sich durch eine moderne, digitale Benutzeroberfläche aus, das Klimatisierungskonzept orientiert sich eher an der Denkweise urbaner Räume und nicht am klassischen Fahrzeugbau. Ein auf die Kosten einer jeden Fahrt optimiertes Reinigungskonzept des Innenraums, sinnvolle Variabilitäten durch die Zweier-Sitzbank, Weglassen verdreckender Fugen, Oberflächen aus dem Bootsbau, ein Sprühboden aus dem Schienenfahrzeugbau sowie der konsequente Wegfall „überflüssiger“ Ablageflächen charakterisieren den Innenraum als echten Carsharing-Nutzraum.

>> DAS KONZEPT HINTER DEM PPV IST, EIN REALISTISCHES FAHRZEUG ZU ENTWICKELN, DAS EINE ZEITNAHE ANTWORT AUF SHARED-MOBILITY-ANFORDERUNGEN DARSTELLT

Der Antrieb: Das Antriebskonzept des PPV 1.0 setzt im Wesentlichen auf die 400-V-Technik, die einerseits sehr gut entwickelt und für ein elektrisch betriebenes, urbanes Stadtfahrzeug absolut geeignet ist. Die technischen Daten sind mit 45 kW Antriebsleistung in der Front, einer maximalen Geschwindigkeit von 120 km/h und einem Batteriepack von knapp 20 kW/h absolut konkurrenzfähig. Die Reichweite liegt – selbst unter extremen Bedingungen – bei 80 km und ist auf einen speziell entwickelten Carsharing-Zyklus verifiziert. Gemäß dem share2drive-Geschäftsmodell werden damit die täglich geforderten circa zwei Stunden Betrieb zuverlässig erreicht. Zudem ist die Sicherstellung der kabellosen Ladevorgänge im sogenannten Flex – Share von share2drive gewährleistet. Die Konzeptentscheidung einer Tandem-Elektromotor-Anordnung mit zwei, im Durchmesser kleinen elektrischen Maschinen im Vorderwagen, beruht auf den Vorteilen in der Crashauslegung sowie dem Anspruch, ein agiles Stadtfahrzeug zu liefern.

Sicherheitsanspruch: Neben einer Vielzahl an Maßnahmen zur Unfallvermeidung zeichnet sich das PPV 1.0 durch eine hohe Crashsicherheit aus (Abbildung 3).
Die besondere Herausforderung liegt bei der Konzeptentwicklung vor allem in der Auslegung der Frontalcrash-Anforderungen. Der sehr kurze Vorderwagen zwingt die Entwicklung in eine radikale Strukturauslegung mit vier Lastpfadebenen und sehr kontrolliertem Deformationsverhalten. Bei einer Gesamtverformung von circa 350 mm wird ein mittlerer Crashimpuls von 31 g bei circa 60 mm Spritzwandeindringung erreicht. Beim Seitenaufprall werden die Deformationen von der zentral angeordneten Batteriestruktur ferngehalten. Für den Dacheindrücktest gemäß der FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards) 216 wird die Crashfestigkeit mit knapp 60 kN erfüllt.

>> DIE HOHE RESONANZ AUF DAS PPV 1.0, DAS EINE ANTWORT AUF ZUKÜNFTIGE MOBILITÄTSBEDÜRFNISSE IN EINER SHARED ECONOMY BIS 2020 DARSTELLT, HAT BEREITS DAS PPV 2.0 „SVEN“ INS LEBEN GERUFEN

Produktionsvorteile: Beim Rohbau handelt es sich um den sogenannten FlexBody, einen Karosseriebaukasten, der den Bau von profillastigen Leichtbaukarosserien in Mischbauweise für Fahrzeugprojekte mit weniger als 10.000 Fahrzeugen pro Jahr ermöglicht. Durch einen standardisierten Prozess sowie die stringente Aufteilung der Profile und Knoten können mit dem FlexBody Karosseriestrukturen in sehr kurzer Zeit entwickelt und für die Produktion vorbereitet werden (Abbildung 4).

Der größte Vorteil liegt in den sehr geringen Investitionen. Beim FlexBody des PPV 1.0 werden in der Bodengruppe vorrangig Bauweisen mit stahlintensiven, hoch- und höchstfesten Werkstoffen eingesetzt. Im Vorderwagen und im Aufbau dominieren vorrangig Aluminiumlösungen. Ein sogenannter Ladder-integrated Frame nimmt die zentral angeordnete Batterie schützend auf. Die statische Torsionssteifigkeit der 140 kg schweren Karosserie ist mit einer Leichtbaugüte von circa drei auf hohem Niveau. Die Fertigung des Rohbaus erfolgt in sogenannten „Innofix Single-shot Fixtures“ und ist auf den Einsatz eines neuentwickelten Injektionsklebverfahrens ausgelegt. Die Fertigung der jährlich 7.000 geplanten PPVs erfolgt im Zweischichtbetrieb.

Das PPV als Lösung für die Mobilität von morgen

Die Marktentwicklung zu neuen Mobilitätslösungen bietet ein interessantes Potenzial für Konzepte, bei denen Mobilitätsbedürfnisse, neue Geschäftsmodelle und der Fahrzeugbau zusammenwachsen. Die hohe Resonanz auf das PPV 1.0, das als spezielle Fahrzeuglösung eine Antwort auf zukünftige Mobilitätsbedürfnisse in einer Shared Economy bis 2020 bietet, hat bereits das PPV 2.0 „SVEN“ ins Leben gerufen.

Im klassischen Fahrzeugbau punktet die rasant fortschreitende Entwicklung des autonomen Fahrens mit den Kundenvorteilen Komfort und Sicherheit. In einer Shared-Mobility-Welt hingegen verstehen sich autonome Fahrfunktionen weit darüber hinaus. Sie ermöglichen im städtischen Raum die Mobilität der Bevölkerung und ihre logistische Umsetzbarkeit.

LITERATURHINWEISE
[1] Kaas, H.W.; et al.: Automotive Revolution – Perspective Towards 2030. How the Convergence of Disruptive Technology Driven Trends Could Transform the Auto Industry. McKinsey & Company, 2017
[2] McKinsey & Company: Carsharing & Co.: 2030 über zwei Billionen Dollar Umsatzpotenzial. Pressemitteilung vom 09.03.2017
[3] Anthrakidis, A.; Jahn, R.; Ritz, T.; et al.: Urbanes eCarSharing in einer vernetzten Welt. Steinbeis Edition, 2013

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