Hybridtechnologie und Hochvolttechnik

Im Fokus

Porsche hat sich über die Entstehung und den Einsatz des 919 Hybrid im Renntempo ein neues Technologiefeld erschlossen. Bei der 2015 präsentierten Konzeptstudie für den ersten rein elektrisch angetriebenen Straßensportwagen der Marke, den “Mission E” (Projektname “J1“), setzen die Entwickler auf die 800-Volt-Technik aus dem Rennprototyp.

Bei der Entwicklung des zweimaligen Le-Mans-Siegers hat Porsche ausgereizt, was machbar war. Das gilt vor allem für das Antriebskonzept. Es besteht aus einem Zweiliter-Vierzylinder-Turbobenziner, dem effizientesten Verbrennungsmotor, den Porsche bis dato gebaut hat, und zwei unterschiedlichen Energierückgewinnungssystemen.

Beim Bremsen wird an der Vorderachse kinetische in elektrische Energie umgewandelt. Im zweigeteilten Abgastrakt sitzt neben dem Turbolader noch eine zweite Turbine, die überschüssige Energie in elektrische Energie umwandelt. Der Beitrag der Bremsenergie liegt bei 60 Prozent, jener aus dem Abgasdruck bei 40 Prozent. Der gewonnene elektrische Strom wird in einer Lithium-Ionen-Batterie zwischengespeichert und speist bei Bedarf einen Elektromotor. Bedarf heißt: Der Fahrer will beschleunigen und ruft die Energie per Knopfdruck ab. Die Leistung des Verbrennungsmotors liegt nach der jüngsten Reglementänderung bei knapp unter 500 PS (368 kW), die Leistung der E-Maschine bei deutlich über 400 PS (294 kW). Das Resultat ist eine Systemleistung von mehr als 900 PS (662 kW).

Der Einsatz und das Zusammenspiel dieser beiden Quellen erfordern eine ausgeklügelte Strategie. In jeder Bremsphase sammelt der Speicher Energie ein – es wird rekuperiert. Auf der 13,629 Kilometer langen Runde in Le Mans geschieht das 38 Mal, eben vor jeder Kurve. Mal mehr mal weniger stark, das hängt von der Heftigkeit des Manövers ab, sprich: von der Geschwindigkeit, aus der die Fahrer anbremsen und wie eng die folgende Kurve ist. Bis zum Scheitelpunkt jeder Kurve wird gebremst und rekuperiert, dann beschleunigt der Fahrer wieder. In diesem Moment will man so viel Energie wie möglich absetzen. Dafür tritt der Fahrer zum einen aufs Gaspedal und ruft damit Kraftstoffenergie ab, zum anderen “boostet” er elektrische Energie aus dem Speicher. Während der Verbrennungsmotor die Hinterachse antreibt, ist der Elektromotor für die Vorderachse zuständig. Der 919 prescht also ohne Traktionsverluste mit Allradantrieb und beträchtlicher Zusatz-Power aus der Kurve – und sammelt unterdessen bereits wieder Energie ein. Denn der Porsche 919 Hybrid ist der bislang einzige Le-Mans-Prototyp, der nicht nur beim Bremsen, sondern auch beim Beschleunigen Energie zurückgewinnt.

Dafür sorgt die Zusatzturbine im Abgastrakt. Vor allem auf der extrem langen Hunaudières-Geraden, wo der 919 über 330 km/h schnell wird, ist sie fleißig. Mit der hohen Motordrehzahl schnellt der Druck im Abgassystem nach oben und treibt die Turbine an. Sie ist direkt mit einem elektrischen Generator verbunden und treibt diesen mit über 120.000 Umdrehungen pro Minute an. Dank VTG-Technik, also der variablen Anpassung der Turbinengeometrie an die Höhe des aktuellen Abgasdrucks, kann die Turbine auch bei geringen Motordrehzahlen und entsprechend niedrigem Abgasdruck angetrieben werden. Das macht die Technik zukunftsfähig für Serienfahrzeuge.

In der WEC allerdings sind beide Energiequellen limitiert: Mehr als 4,31 Liter Sprit pro Runde darf der Fahrer in Le Mans (13,629 Kilometer) nicht einsetzen und auch nicht mehr als 2,22 Kilowattstunden elektrischen Strom. Er muss sorgfältig haushalten, damit er am Ende der Runde exakt diese Energie verbraucht hat – nicht mehr und nicht weniger. Verbraucht er mehr, wird er bestraft. Ist es weniger, verliert er Performance. Er muss zum exakt richtigen Zeitpunkt aufhören zu boosten und im richtigen Moment vom Gas gehen.

Die 2,22 Kilowattstunden elektrischer Energie entsprechen acht Megajoule – und das ist die höchste Energieklasse, die das Reglement vorsieht. Porsche war der erste Hersteller, der sich so weit vorgewagt hat.

Für die Konzeptwahl wurden die einzelnen Alternativen eingehend betrachtet. Dass man die Bremsenergie von der Vorderachse nutzen würde, war sofort klar – fette Energiebeute auf teilweise bereits erschlossenem Terrain, gepaart mit massiver Weiterentwicklung. Als zweites System kamen eine Bremsenergierückgewinnung an der Hinterachse oder eben Abgasenergierückgewinnung in Frage. Zwei Aspekte sprachen für die Abgaslösung: Erstens das Gewicht und zweitens die Effizienz. Bei der Bremsenergierückgewinnung muss das System die Energie innerhalb sehr kurzer Zeit rekuperieren, also mit sehr viel Leistung umgehen können, und das geht zulasten des Gewichts. Die Beschleunigungsphasen hingegen sind viel länger als die Bremsphasen, es wird also über längere Zeit rekuperiert, und das macht das System leichter. Außerdem hat der 919 durch den Verbrenner ja bereits einen Antrieb auf der Hinterachse. Noch mehr Leistung hinten, hätte mehr Schlupf erzeugt. Kapituliert die Hinterachse vor zu viel Leistung und kann diese nicht in Vortrieb umsetzen, entsteht ineffizienter Schlupf. Überdies strapaziert das die Reifen bis hin zur massiven Beschädigung.

Die wahrscheinlich mutigste Grundlagenentscheidung: Für das Hybridsystem des 919 setzte Porsche auf 800 Volt. Die Spannungslage anzusiedeln, ist eine fundamentale Entscheidung beim Elektroantrieb. Sie beeinflusst alles – Batteriedesign, Elektronikdesign, E-Maschinen-Design und Lade-Technologie. Porsche ist dabei so weit gegangen, wie es nur irgend möglich war.

Es war damals schwierig, für diese hohe Spannung Bauteile zu finden, vor allem ein geeignetes Speichermedium. Schwungradspeicher, Superkondensatoren oder Batterie? Porsche entschied sich für eine flüssigkeitsgekühlte Lithium-Ionen-Batterie. Sie verfügt über hunderte einzelner Zellen, jede eingeschlossen in einer eigenen zylindrischen Metallkapsel.

Bei einem Straßen- wie bei einem Rennwagen muss abgewogen werden zwischen Leistungsdichte und Energiedichte. Je höher die Leistungsdichte einer Zelle, desto schneller kann sie geladen werden und Energie wieder abgeben. Der andere Parameter, die Energiedichte, bestimmt die Menge der Energie, die gespeichert werden kann. Im Rennbetrieb muss die Zelle – bildlich gesprochen – eine riesige Öffnung haben. Denn sobald der Fahrer auf die Bremse tritt, muss im Hieb eine gewaltige Energiemenge hinein, und wenn er boostet, muss sie genauso schnell wieder hinaus. Ein alltagstauglicher Vergleich: Hätte die leere Lithium-Ionen-Batterie eines Smartphones die Leistungsdichte der 919-Batterie, wäre sie in deutlich weniger als einer Sekunde Ladezeit wieder komplett voll. Der Nachteil: Ein kurzer Anruf – und der ganze Saft ist schon wieder weg. Damit das Smartphone tagelang durchhält, steht die Energiedichte im Vordergrund, also die Speicherkapazität.

Übersetzt auf ein Elektroauto im Alltagsbetrieb bedeutet Speicherkapazität Reichweite. In dem Punkt sind die Bedürfnisse für den Rennwagen und ein Elektroauto für die Straße also verschieden, aber Porsche ist beim 919 in neue Regionen des Hybridmanagements vorgestoßen. Der 919 ist das Versuchslabor für das Spannungsniveau von zukünftigen Hybridsystemen.

Aus den im LMP1-Projekt erarbeiteten Grundlagen, etwa für die Kühlung des Energiespeichers (Batterie) und der E-Maschine, für die Verbindungstechnik im extremen Hochvoltbereich sowie das Batteriemanagement und die Systemauslegung, gewannen die Kollegen in der Serienentwicklung wichtige Erkenntnisse für die viertürige Konzeptstudie Mission E mit 800-Volt-Technik. Aus der Studie entsteht bis zum Ende des Jahrzehnts ein Serienprodukt.

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