Der Autorennsport war immer schon ein Bereich, in dem sich technische Innovationen nach vorn drängten, die schließlich auch in normalen Straßenfahrzeugen Anwendung fanden.
Gelegentlich kehrt sich dieser Vorgang aber auch um. Neue Technologie beginnt im kommerziellen Raum und wird erst danach vom Rennsport übernommen. Dieser umgekehrte Prozess findet derzeit in der neuen Formel E-Rennserie statt, in der zum ersten Mal vollständig elektrisch betriebene Fahrzeuge Grand Prix-Rennen fahren.
Abbildung 1: Das Formel E-Fahrzeug von DS Virgin Racing (Quelle: DS Virgin Racing)
In der ersten Saison 2015 fanden elf Rennen in großen Städten in aller Welt statt (jedes Rennen wird als „ePrix“ bezeichnet); zehn Teams nahmen daran teil, darunter DS Virgin Racing, in Partnerschaft mit Arrow Electronics. Um einen problemlosen Start der Rennserie zu gewährleisten, verwendeten alle Teams das gleiche Fahrzeugmodell, einen Spark-Renault SRT-01E, und durften keinerlei Änderungen daran vornehmen.
Ab der zweiten Saison erlebt die Formel E jedoch große Veränderungen. Sie wird zu einer offenen Klasse, und die Regulierungen werden Jahr für Jahr geändert, um mehr Raum für Innovationen zu schaffen. Das Ziel besteht darin, neue Entwicklungen bei der Elektrofahrzeugtechnologie zu ermöglichen, die von hier aus auch im kommerziellen Bereich übernommen werden können.
In diesem Jahr können genehmigte Hersteller ihre eigenen elektrischen Antriebsstränge (Motoren, Umrichter und Getriebe) entwickeln, und die am Renntag zulässige Leistung wurde von 150 auf 170 kW erhöht. Die Renntrams können zu einem neuen Antriebsstrang wechseln oder ihren aktualisierten Antriebsstrang aus der ersten Saison beibehalten.
In der Zukunft soll das Reglement noch weiter geöffnet werden, so dass Hersteller auch nach Wunsch die Batterietechnologie wechseln können.
Der Formel E-Rennwagen
Abbildung 2: Der Formel E-Rennwagen (Quelle: MMDI )
Wie Abbildung 2 zeigt, sieht ein Forme E-Rennwagen äußerlich nicht anders als ein Formel 1-Wagen oder ein anderes Rennfahrzeug aus, es gibt jedoch einige entscheidende Unterschiede.
Die Karosserie (1) stammt von dem französischen Unternehmen Spark Racing Technology, das 42 identische Fahrzeuge für die erste Saison baute. McLaren Applied Technology lieferte den Antriebsstrang (2) und die Elektronik für die erste Saison, mit Systemintegration (3) von Renault, in der zweiten Saison werden jedoch neue Einheiten von acht verschiedenen Herstellern eingesetzt werden – Motor, Umrichter, Getriebe und Kühlsystem können sämtlich verändert werden.
Die Batterie (4) kommt von Williams Advanced Engineering und liefert maximal 200 kW Leistung. Das italienische Unternehmen Dallara baut den Schalenrumpf (5), der den selben FIA-Crashtests unterzogen wird, die auch in der Formel 1 zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zur Formel 1 hat ein Forme- E-Wagen nur ein einziges Reifendesign (6), von Michelin, das auf trockener und nasser Fahrbahn eingesetzt werden muss.
Übersicht über den Antriebsstrang
Der größte Unterschied zwischen der Formel E und anderen Rennsportklassen liegt natürlich beim Antriebsstrang.
Ein Formel 1-Wagen des Jahres 2015 verwendet einen 1,6 l-V 6-Motor mit einem einzelnen Turbolader, der mit bis zu 15.000 U/Min. läuft, etwa 600 PS produziert und etwa 56 l auf 100 km verbraucht. Dagegen verwendet ein Formel E-Wagen einen synchronen Elektromotor mit 17.000 U/Min. und etwa 275 PS, bei nur 26 kg Gewicht.
Mit weniger als der Hälfte der Leistung entspricht die Formel E sicher nicht den von der Formel 1 gewohnten Standards, Formel E-Rennwagen können aber dennoch in drei Sekunden auf 100 km/h beschleunigen und Höchstgeschwindigkeiten von 225 km/h erreichen.
Was ist für einen elektrischen Antriebsstrang nötig, der sich für Rennwagen eignet? Abbildung 3 zeigt eine Übersicht über das in der ersten Saison verwendete Formel-E-System.
Abbildung 3: Der Formel E-Antriebsstrang (Quelle: Sporting Savvy)
Das Batteriepaket (1), von Williams Advanced Engineering, besteht aus mehr als 150 handelsüblichen Li-Ionen-Polymerzellen in einem Kohlenstofffaser-Kompositgehäuse. Die gesamte Einheit wiegt 320 kg, was einen erheblichen Anteil des erlaubten Mindestgewichts (Fahrzeug plus Fahrer) von 896 kg darstellt; das Design nutzt die Erfahrungen von Williams mit dem KERS (Kinetic Energy Recovery System) aus der Formel 1.
Die Batteriebaugruppe bildet eine strukturelle Komponente des Fahrzeugs und muss daher den hohen Belastungen und Kräften, denen das Fahrzeug durch seine Interaktion mit der Straße ausgesetzt ist, widerstehen können. Obwohl die Batterien bis maximal 200 kW Leistung erbringen können, wird die durchschnittliche Leistung während eines Rennens 25 Minuten lang erbracht, wonach die Fahrer zu einem neuen Fahrzeug wechseln. In der ersten Saison war bei 440 Rennstarts nur ein einziger Batterieausfall zu verzeichnen. Dieses beeindruckende Ergebnis brachte Williams die angesehene Simms-Medaille des Royal Automobile Clubs ein.
In der Leistungselektronik ist die Wärmeentwicklung stets ein Problem, und eine der größten Herausforderungen beim Design ist das Wärmemanagement. Die Formel E-Fahrzeuge verwenden ein Flüssigkeitskühlsystem (2). Das Kühlmittel strömt durch zwei Radiatoren, jeweils einen in jedem Seitenflügel. Ein Schlauchsystem führt das nichtleitende dielektrische Kühlmittel durch alle Teile der Batterie und der Elektronik.
McLaren konstruierte den eMotor (3) und den 800-V-Umrichter (5) für sein P1-Hybrid-Supercar und passte diese für die Verwendung in der Formel E an. Die Maximalleistung von 200 kW ist für Training und Qualifying reserviert; während des Rennens ist die Leistung gemäß Reglement auf 133 kW begrenzt. Eine begrenzte Zahl von „Push-to Pass“-Leistungsverstärkern sorgt bei Bedarf für zusätzliche 67 kW. Die Maschine fungiert beim Bremsen als Generator, lädt die Batterie wieder auf und hilft dabei, das Fahrzeug zu verlangsamen.
Das Hewland-Getriebe (4) ist hinten an der Maschine befestigt und sorgt für die fünf Gänge plus Rückwärtsgang.
Wie verhält sich dies zu dem Motor in einem Standard-Elektroauto? Sehr gut – der Formel E-Motor liefert 200 KW aus einem 26 kg-Paket, mit einer Leistungsdichte von 7,7 kW/kg. Demgegenüber wiegt der Motor des vollständig elektrischen Nissan Leaf 58 kg, erzielt eine Leistung von 80 kW (110 PS), was eine Dichte von 1,4 kW/kg ergibt.
Dieser Antriebsstrang war für alle Fahrzeuge der ersten Saison verpflichtend, in der zweiten Saison verwendet DS Virgin Racing jedoch seinen eigenen Virgin DSV-1, einen Antriebsstrang, der von Citroen, dem Eigentümer der Marke DS, in Zusammenarbeit mit Spark Racing Technology entwickelt wurde.
Die Formel E-Vision
Die FIA, die Kontrollautorität der Formel E, hofft, dass der Motorsport die Elektroautoindustrie und die technologische Entwicklung inspirieren wird und hat sehr ehrgeizige Pläne für diese Klasse in den nächsten Jahren.
In der zweiten Saison sahen wir bereits neue Entwicklungen bei der Antriebsstrangtechnologie. In der dritten Saison wird die Karosserie unverändert bleiben, abweichende Batterien werden jedoch möglich sein. Ab Saison 5 wird eine bedeutende Änderung darin bestehen, dass nur noch ein Fahrzeug pro Rennen erlaubt sein wird.
Dazu kommen auch nichttechnische Änderungen im Regelwerk. Um die Aufmerksamkeit für diesen Sport zu erhöhen, wird ab der zweiten Saison „Fan Boost“ drei Fahrern auf der Grundlage einer unter Fans durchgeführten Abstimmung einen Vorsprung von 5 Sekunden/40 PS geben. Die Abstimmung kann vor dem Rennen und während der ersten sechs Minuten stattfinden – möglicherweise wird die in künftigen Jahren auch auf das gesamte Rennen ausgeweitet.
Die Vision der Formel E geht weit über Rennen und Elektrofahrzeuge hinaus – es geht durchaus um umfassendere Veränderungen.
Auf der Formel E-Website finden Sie einen Abschnitt zum Thema Nachhaltigkeit mit Inhalten zu Umweltschutzrichtlinien, Tipps für einen umweltbewussten Lebensstil, zur globalen RE100-Initiative und vieles mehr. Dazu kommt die Zusammenarbeit mit Partnern wie ONE DROP für die Versorgung von Menschen in unterentwickelten Ländern mit sauberem Trinkwasser.
Dies sind sehr sinnvolle Ziele, und Arrow Electronics ist stolz darauf, an der Formel E beteiligt zu sein. Verfolgen Sie, wie wir weiterhin unsere Erfahrungen bei Elektronikkomponenten für Kraftfahrzeuge nutzen, um DS Virgin Racing auf diesem faszinierenden Weg zu unterstützen.