Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success

Elektroantrieb in der Formel 1: Ein Jahrzehnt Hybrid-Erfolg. Bildnachweis: Mercedes Motorsports Media

Der Große Preis von Ungarn 2019 markiert den 10. Jahrestag des ersten Hybrid-Sieges in der Formel 1

Vor zehn Jahren, beim Großen Preis von Ungarn 2009, war Lewis Hamilton der erste Fahrer in der Formel 1, der ein Rennen mit einem Hybridmotor gewann. Das Kinetic Energy Recovery System (KERS) war der erste Schritt zur Elektrifizierung der Power Units in der Formel 1. Heute werfen wir einen Blick auf die F1-Hybrid-Power-Unit und die Entwicklungsgeschichte, die zu einem der effizientesten Verbrennungsmotoren aller Zeiten geführt hat.

Lewis Hamilton startete in die Formel-1-Saison 2009 in einem McLaren-Mercedes MP4-24. In dieser besonderen Saison gewann er den Großen Preis von Ungarn und den Großen Preis von Singapur. Bildnachweis: Mercedes Motorsports Media

Warum war der Große Preis von Ungarn 2009 der erste Hybrid-Sieg in der Formel 1?

Das Formel-1-Reglement von 2009 gab den Teams die Möglichkeit, ihre Antriebsstränge mit einer Hybridkomponente auszustatten - dem Kinetic Energy Recovery System, kurz KERS genannt. Das heutige Reglement schreibt eine Hybrid-Power-Unit zwingend vor. 2009 war es den Teams jedoch freigestellt, ob sie KERS einsetzen wollten. Sowohl Brawn als auch Red Bull, die beiden Teams, die die ersten Rennen des Jahres 2009 gewonnen hatten, entschieden sich für einen herkömmlichen Motor. Mercedes-Benz hatte jedoch ein Hybridsystem entwickelt, das McLaren-Mercedes 2009 einsetzte. Als Lewis am 26. Juli den Großen Preis von Ungarn gewann, war dies der erste Sieg eines Hybridautos in der Formel 1. Tatsächlich spielte KERS in Lewis' Rennen eine entscheidende Rolle: Mit Hilfe von KERS gelang ihm das entscheidende Überholmanöver gegen Mark Webber, das ihn auf den zweiten Platz brachte. Als der Führende Fernando Alonso einige Runden später ausfiel, übernahm Lewis die Führung und holte seinen 10.^th Grand-Prix-Sieg - und den ersten Hybrid-Sieg in der Geschichte des Sports.

Wie funktioniert das heutige Hybridsystem?

Die FIA unterscheidet zwischen sechs Komponenten in einer Formel-1-Power-Unit, von denen vier das Hybridsystem bilden, das offiziell als Energy Recovery System (ERS) bezeichnet wird. Zwei dieser ERS-Elemente sind elektrische Maschinen, die Energie zurückgewinnen und diese in Form von zusätzlicher Leistung abgeben. Da ist zum einen die Motor Generator Unit-Kinetic (MGU-K), die beim Bremsen kinetische Energie aus dem Fahrzeug zurückgewinnt. Sie ist zwar fortschrittlicher und leistungsfähiger als das KERS von 2009, aber das Grundprinzip ist ähnlich. Die von der MGU-K zurückgewonnene Energie kann dann für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden.

Die zweite elektrische Maschine ist die Motor Generator Unit-Heat (MGU-H), die zwischen dem Verdichter und der Turbine des Turboladers sitzt und bei Mercedes zwischen den beiden Zylinderbänken des Motors eingebettet ist.

Der Turbolader selbst wird durch die Abgase des Motors angetrieben. Sobald der Kompressor jedoch hochgefahren ist, befindet sich im Abgasstrom überschüssige Energie, die von der MGU-H zurückgewonnen werden kann. Diese elektrische Energie kann dann genutzt werden, um den Kompressor beim Bremsen weiterlaufen zu lassen, so dass es kein Turboloch gibt, wenn der Fahrer wieder auf das Gaspedal tritt.

Beide Elektromaschinen sind über ein Dreiphasenkabel mit Wechselrichtern verbunden, die die elektrische Energie in Gleichspannung für den Batteriesatz umwandeln, besser bekannt als Energiespeicher (ES), in dem die zurückgewonnene Energie chemisch in Lithium-Ionen-Zellen gespeichert wird. Auf dem Weg der Energie wandeln die Maschinen Rotationsenergie in elektrische Energie um, die dann als chemische Energie gespeichert wird.

Das gesamte Hybridsystem, genauer gesagt, die gesamte Power Unit, wird von der Steuerelektronik (CE) gesteuert, die neben dem Energiespeicher in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist. Im Laufe eines Rennens führt die CE im Durchschnitt mehr als 43 Billionen Berechnungen durch - unter anderem, mit welcher Geschwindigkeit die Elektromotoren laufen und wie viel Leistung eingesetzt werden soll, während sie gleichzeitig das ES überwacht, um sicherzustellen, dass es für Spitzenleistungen optimiert ist.

Wie hat sich das Hybridsystem im letzten Jahrzehnt entwickelt?

Die Anfänge der Hybrid-Ära in der Formel 1 gehen bis ins Jahr 2007 zurück, als ein Energierückgewinnungssystem bei Entwicklungstests eingesetzt wurde.

Das Batteriepaket wog 107 Kilogramm und erreichte einen Wirkungsgrad von 39 Prozent, die wassergekühlte Leistungselektronik war in einem klobigen Kasten untergebracht, der viel Platz im Auto beanspruchte.

Zwei Jahre später, als KERS erstmals in einem Rennen eingesetzt wurde, wog das System deutlich weniger. Der Energiespeicher von 2009 wog 25,3 Kilogramm - über 75 Prozent weniger als das Batteriepaket zwei Jahre zuvor. Gleichzeitig konnte der Wirkungsgrad auf 70 Prozent gesteigert werden. Die Leistungselektronik wird mit Luft statt mit Wasser gekühlt und ist in einem wesentlich kleineren Kohlefasergehäuse untergebracht.

Der nächste große Schritt war das Power-Unit-Reglement 2014, das die Einführung von aufgeladenen 1,6-Liter-V6-Motoren mit einem hochleistungsfähigen Hybridsystem vorsah. Zusätzlich zur Rückgewinnung der kinetischen Energie beim Bremsen mit Hilfe der MGU-K durften die Teams die Energie über die MGU-H gewinnen. Seit den ersten Hybridschritten im Jahr 2007 konnte das Gewicht der Batterien um 81 Prozent auf das vorgeschriebene Limit von 20 kg reduziert werden. Die Leistungsdichte in den Batteriezellen wurde um das Zwölffache erhöht und der Energiespeicher erreicht nun einen Wirkungsgrad von 96 Prozent.

Warum ist Effizienz in der Formel 1 so wichtig?

The efficiency of the Power Unit has an impact on the on-track performance of the car, both in terms of the power output and weight saving. The power output of the engine is determined by two factors – the fuel flow rate and the efficiency of the engine. In F1, the fuel flow rate is limited to a maximum of 100 kg per hour, so the only factor the teams can influence is the efficiency of the engine. A more efficient engine therefore means more power output and thus better on-track performance.

Ein weiterer Aspekt ist die Gewichtseinsparung: Laut Reglement dürfen die Teams maximal 110 kg Kraftstoff pro Rennen verbrauchen. Das Gewicht des Kraftstoffs ist jedoch nicht Teil des vorgeschriebenen Mindestgewichts des Autos. Wenn Sie also weniger Kraftstoff als die Höchstmenge benötigen, können Sie das Rennen mit einem leichteren Auto beginnen. Das schlägt sich direkt in schnelleren Rundenzeiten nieder: Pro fünf Kilogramm Gewichtsersparnis ist das Auto etwa zwei Zehntel pro Runde schneller.

Wie stellen die Teams sicher, dass sie den größtmöglichen Nutzen aus dem Hybridsystem ziehen?

Die Verbindung zwischen dem ERS und dem Motor ist eine der wichtigsten Voraussetzungen dafür, dass eine Power Unit optimal funktioniert, und darauf konzentrieren sich die Teams an jedem Rennwochenende. Es geht darum, herauszufinden, wie die Energie optimal abgegeben und zurückgewonnen werden kann.

Vor einem Rennwochenende werden Simulationen durchgeführt, bei denen der Computer die idealen Einstellungen und Szenarien ausarbeitet. Diese werden dann zum ersten Mal im Driver in Loop (DiL)-Simulator getestet, um ein Profil für die jeweilige Strecke zu erstellen. Auf jeder Rennstrecke muss das ERS-System auf unterschiedliche Weise Energie zurückgewinnen und einsetzen, so dass der DiL ein guter erster Schritt ist, um zu verstehen, wie die Computerergebnisse funktionieren.

Das auf dem DiL erstellte Profil wird dann auf den Prüfstand gebracht, wo die Hardware wirklich auf Herz und Nieren geprüft wird. In diesem Schritt geht es vor allem darum, zu sehen, was die Hardware leisten kann. Sobald die Arbeit auf dem Prüfstand abgeschlossen ist, geht es weiter auf die Rennstrecke, um die Realität zu sehen und zu verstehen. Die Vorbereitung des ERS für jede Strecke hängt von der Bremsleistung und dem Kurvenverhalten des Fahrzeugs ab, um herauszufinden, wie lange eine Runde bei Vollgas dauert - denn davon hängt ab, wie lange die MGU-K laufen muss, wie viel Energie aus der Batterie entnommen werden muss und wie lange die MGU-H Energie aufnimmt und wie viel Energie sie in die Batterie stecken kann.

Die Erkenntnisse aus den Trainingsläufen am Freitag werden über Nacht verarbeitet, bevor sie dann am Samstag im Qualifying eingesetzt werden, wo die Batterie vollständig entladen werden kann. Während des Rennens bleibt die Batterie auf dem gleichen Ladezustand. Denn anders als bei einem Elektroauto, bei dem man die Batterie füllt und entleert, holt das ERS zurück, was es kann, speichert es kurz in der Runde und setzt es zum besten Zeitpunkt ein.

Wie straßenrelevant ist die KERS- und ERS-Technologie?

KERS, ERS, MGU-H und MGU-K - wir lieben gute technische Akronyme in der Formel 1. Es überrascht nicht, dass diese Buchstaben außerhalb der Formel 1 keine große Bedeutung haben; die Technologien, die sich hinter diesen Akronymen verbergen, sind jedoch sehr wichtig. In der Welt der Straßenautos ist ein System wie KERS oder MGU-K bekannt als regeneratives Bremssystem.

Beim Bremsen gewinnt das Auto einen Teil der kinetischen Energie zurück und nutzt sie, um eine Batterie aufzuladen, mit der das Auto dann wieder angetrieben werden kann. Die Technologie, die hinter der MGU-H steckt, ist besser bekannt als elektrischer Booster-Kompressor oder e-booster. Ein weiterer Bereich, in dem ähnliche Entwicklungen in der Welt der Straßenfahrzeuge und der Formel 1 zu beobachten sind, ist die Einführung von Hochspannungsanlagen.

Warum? In einem elektrischen System äußert sich der Energieverlust in Form von Wärme, was in einem Auto nicht gerne gesehen wird. Die Verluste können durch eine Reduzierung des Stroms verringert werden. Um den Strom bei gleichbleibender Leistung zu reduzieren, muss man die Spannung erhöhen. In der Formel 1 liegen wir mit der ERS-Batterie bereits nahe an 1.000 Volt. Moderne Elektroautos für den Straßenverkehr arbeiten in der Regel mit Systemen von bis zu 400 Volt, aber die Spannung wird in Zukunft steigen und näher an der Spannung liegen, die heute in der Formel 1 verwendet wird.

Der Entwicklungsweg in der Formel 1 und in der Automobilindustrie ist zwar sehr ähnlich, aber es gibt einen Unterschied. In der Formel 1 werden diese Technologien eingesetzt, um die Autos schneller zu machen. In der Welt der Straßenfahrzeuge werden sie eingesetzt, um mit der gleichen Menge an Energie weiter zu kommen.