{"id":737,"date":"2019-08-04T13:39:35","date_gmt":"2019-08-04T13:39:35","guid":{"rendered":"https:\/\/evhnews.com\/?p=737"},"modified":"2019-12-17T14:32:50","modified_gmt":"2019-12-17T22:32:50","slug":"elektroantrieb-in-der-f1-ein-jahrzehnt-des-hybriderfolgs","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/evhnews.com\/de\/2019\/08\/04\/elektroantrieb-in-der-f1-ein-jahrzehnt-des-hybriderfolgs\/","title":{"rendered":"Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success"},"content":{"rendered":"

Elektroantrieb in der Formel 1: Ein Jahrzehnt Hybrid-Erfolg. Bildnachweis: Mercedes Motorsports Media<\/em><\/span><\/p>\n

Der Gro\u00dfe Preis von Ungarn 2019 markiert den 10. Jahrestag des ersten Hybrid-Sieges in der Formel 1<\/strong><\/p>\n

Vor zehn Jahren, beim Gro\u00dfen 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 gef\u00fchrt hat.<\/p>\n

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\"M207024\"Lewis Hamilton startete in die Formel-1-Saison 2009 in einem McLaren-Mercedes MP4-24. In dieser besonderen Saison gewann er den Gro\u00dfen Preis von Ungarn und den Gro\u00dfen Preis von Singapur. Bildnachweis: Mercedes Motorsports Media<\/em><\/span><\/p>\n

Warum war der Gro\u00dfe Preis von Ungarn 2009 der erste Hybrid-Sieg in der Formel 1?<\/strong><\/p>\n

Das Formel-1-Reglement von 2009 gab den Teams die M\u00f6glichkeit, ihre Antriebsstr\u00e4nge 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 f\u00fcr einen herk\u00f6mmlichen Motor. Mercedes-Benz hatte jedoch ein Hybridsystem entwickelt, das McLaren-Mercedes 2009 einsetzte. Als Lewis am 26. Juli den Gro\u00dfen Preis von Ungarn gewann, war dies der erste Sieg eines Hybridautos in der Formel 1. Tats\u00e4chlich spielte KERS in Lewis' Rennen eine entscheidende Rolle: Mit Hilfe von KERS gelang ihm das entscheidende \u00dcberholman\u00f6ver gegen Mark Webber, das ihn auf den zweiten Platz brachte. Als der F\u00fchrende Fernando Alonso einige Runden sp\u00e4ter ausfiel, \u00fcbernahm Lewis die F\u00fchrung und holte seinen 10.th<\/sup>\u00a0Grand-Prix-Sieg - und den ersten Hybrid-Sieg in der Geschichte des Sports.<\/p>\n

Wie funktioniert das heutige Hybridsystem?<\/strong><\/p>\n

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 zur\u00fcckgewinnen und diese in Form von zus\u00e4tzlicher Leistung abgeben. Da ist zum einen die Motor Generator Unit-Kinetic (MGU-K), die beim Bremsen kinetische Energie aus dem Fahrzeug zur\u00fcckgewinnt. Sie ist zwar fortschrittlicher und leistungsf\u00e4higer als das KERS von 2009, aber das Grundprinzip ist \u00e4hnlich. Die von der MGU-K zur\u00fcckgewonnene Energie kann dann f\u00fcr den Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden.<\/p>\n

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 Zylinderb\u00e4nken des Motors eingebettet ist.<\/p>\n

Der Turbolader selbst wird durch die Abgase des Motors angetrieben. Sobald der Kompressor jedoch hochgefahren ist, befindet sich im Abgasstrom \u00fcbersch\u00fcssige Energie, die von der MGU-H zur\u00fcckgewonnen 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.<\/p>\n

Beide Elektromaschinen sind \u00fcber ein Dreiphasenkabel mit Wechselrichtern verbunden, die die elektrische Energie in Gleichspannung f\u00fcr den Batteriesatz umwandeln, besser bekannt als Energiespeicher (ES), in dem die zur\u00fcckgewonnene 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.<\/p>\n

Das gesamte Hybridsystem, genauer gesagt, die gesamte Power Unit, wird von der Steuerelektronik (CE) gesteuert, die neben dem Energiespeicher in einem einzigen Geh\u00e4use untergebracht ist. Im Laufe eines Rennens f\u00fchrt 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, w\u00e4hrend sie gleichzeitig das ES \u00fcberwacht, um sicherzustellen, dass es f\u00fcr Spitzenleistungen optimiert ist.<\/p>\n

Wie hat sich das Hybridsystem im letzten Jahrzehnt entwickelt?<\/strong><\/p>\n

Die Anf\u00e4nge der Hybrid-\u00c4ra in der Formel 1 gehen bis ins Jahr 2007 zur\u00fcck, als ein Energier\u00fcckgewinnungssystem bei Entwicklungstests eingesetzt wurde.<\/p>\n

Das Batteriepaket wog 107 Kilogramm und erreichte einen Wirkungsgrad von 39 Prozent, die wassergek\u00fchlte Leistungselektronik war in einem klobigen Kasten untergebracht, der viel Platz im Auto beanspruchte.<\/p>\n

Zwei Jahre sp\u00e4ter, als KERS erstmals in einem Rennen eingesetzt wurde, wog das System deutlich weniger. Der Energiespeicher von 2009 wog 25,3 Kilogramm - \u00fcber 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 gek\u00fchlt und ist in einem wesentlich kleineren Kohlefasergeh\u00e4use untergebracht.<\/p>\n

Der n\u00e4chste gro\u00dfe Schritt war das Power-Unit-Reglement 2014, das die Einf\u00fchrung von aufgeladenen 1,6-Liter-V6-Motoren mit einem hochleistungsf\u00e4higen Hybridsystem vorsah. Zus\u00e4tzlich zur R\u00fcckgewinnung der kinetischen Energie beim Bremsen mit Hilfe der MGU-K durften die Teams die Energie \u00fcber 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 Zw\u00f6lffache erh\u00f6ht und der Energiespeicher erreicht nun einen Wirkungsgrad von 96 Prozent.<\/p>\n

Warum ist Effizienz in der Formel 1 so wichtig?<\/strong><\/p>\n

Der Wirkungsgrad des Triebwerks wirkt sich auf die Leistung des Fahrzeugs auf der Rennstrecke aus, sowohl in Bezug auf die Leistungsabgabe als auch auf die Gewichtseinsparung. Die Leistungsabgabe des Motors wird von zwei Faktoren bestimmt - dem Kraftstoffdurchsatz und dem Wirkungsgrad des Motors. In der Formel 1 ist der Kraftstoffdurchsatz auf maximal 100 kg pro Stunde begrenzt, so dass der einzige Faktor, den die Teams beeinflussen k\u00f6nnen, der Wirkungsgrad des Motors ist. Ein effizienterer Motor bedeutet also mehr Leistung und damit eine bessere Performance auf der Rennstrecke.<\/p>\n

Ein weiterer Aspekt ist die Gewichtseinsparung: Laut Reglement d\u00fcrfen 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 H\u00f6chstmenge ben\u00f6tigen, k\u00f6nnen Sie das Rennen mit einem leichteren Auto beginnen. Das schl\u00e4gt sich direkt in schnelleren Rundenzeiten nieder: Pro f\u00fcnf Kilogramm Gewichtsersparnis ist das Auto etwa zwei Zehntel pro Runde schneller.<\/p>\n

Wie stellen die Teams sicher, dass sie den gr\u00f6\u00dftm\u00f6glichen Nutzen aus dem Hybridsystem ziehen?<\/strong><\/p>\n

Die Verbindung zwischen dem ERS und dem Motor ist eine der wichtigsten Voraussetzungen daf\u00fcr, 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 zur\u00fcckgewonnen werden kann.<\/p>\n

Vor einem Rennwochenende werden Simulationen durchgef\u00fchrt, 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 f\u00fcr die jeweilige Strecke zu erstellen. Auf jeder Rennstrecke muss das ERS-System auf unterschiedliche Weise Energie zur\u00fcckgewinnen und einsetzen, so dass der DiL ein guter erster Schritt ist, um zu verstehen, wie die Computerergebnisse funktionieren.<\/p>\n

Das auf dem DiL erstellte Profil wird dann auf den Pr\u00fcfstand gebracht, wo die Hardware wirklich auf Herz und Nieren gepr\u00fcft wird. In diesem Schritt geht es vor allem darum, zu sehen, was die Hardware leisten kann. Sobald die Arbeit auf dem Pr\u00fcfstand abgeschlossen ist, geht es weiter auf die Rennstrecke, um die Realit\u00e4t zu sehen und zu verstehen. Die Vorbereitung des ERS f\u00fcr jede Strecke h\u00e4ngt von der Bremsleistung und dem Kurvenverhalten des Fahrzeugs ab, um herauszufinden, wie lange eine Runde bei Vollgas dauert - denn davon h\u00e4ngt 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.<\/p>\n

Die Erkenntnisse aus den Trainingsl\u00e4ufen am Freitag werden \u00fcber Nacht verarbeitet, bevor sie dann am Samstag im Qualifying eingesetzt werden, wo die Batterie vollst\u00e4ndig entladen werden kann. W\u00e4hrend des Rennens bleibt die Batterie auf dem gleichen Ladezustand. Denn anders als bei einem Elektroauto, bei dem man die Batterie f\u00fcllt und entleert, holt das ERS zur\u00fcck, was es kann, speichert es kurz in der Runde und setzt es zum besten Zeitpunkt ein.<\/p>\n

Wie stra\u00dfenrelevant ist die KERS- und ERS-Technologie?<\/strong><\/p>\n

KERS, ERS, MGU-H und MGU-K - wir lieben gute technische Akronyme in der Formel 1. Es \u00fcberrascht nicht, dass diese Buchstaben au\u00dferhalb der Formel 1 keine gro\u00dfe Bedeutung haben; die Technologien, die sich hinter diesen Akronymen verbergen, sind jedoch sehr wichtig. In der Welt der Stra\u00dfenautos ist ein System wie KERS oder MGU-K bekannt als\u00a0regeneratives Bremssystem<\/em>.<\/p>\n

Beim Bremsen gewinnt das Auto einen Teil der kinetischen Energie zur\u00fcck 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\u00a0e-booster<\/em>. Ein weiterer Bereich, in dem \u00e4hnliche Entwicklungen in der Welt der Stra\u00dfenfahrzeuge und der Formel 1 zu beobachten sind, ist die Einf\u00fchrung von Hochspannungsanlagen.<\/p>\n

Warum? In einem elektrischen System \u00e4u\u00dfert sich der Energieverlust in Form von W\u00e4rme, was in einem Auto nicht gerne gesehen wird. Die Verluste k\u00f6nnen durch eine Reduzierung des Stroms verringert werden. Um den Strom bei gleichbleibender Leistung zu reduzieren, muss man die Spannung erh\u00f6hen. In der Formel 1 liegen wir mit der ERS-Batterie bereits nahe an 1.000 Volt. Moderne Elektroautos f\u00fcr den Stra\u00dfenverkehr arbeiten in der Regel mit Systemen von bis zu 400 Volt, aber die Spannung wird in Zukunft steigen und n\u00e4her an der Spannung liegen, die heute in der Formel 1 verwendet wird.<\/p>\n

Der Entwicklungsweg in der Formel 1 und in der Automobilindustrie ist zwar sehr \u00e4hnlich, aber es gibt einen Unterschied. In der Formel 1 werden diese Technologien eingesetzt, um die Autos schneller zu machen. In der Welt der Stra\u00dfenfahrzeuge werden sie eingesetzt, um mit der gleichen Menge an Energie weiter zu kommen.<\/p>\n

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