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Das Geheimnis des Energie-Managements

So funktioniert die Hybrid-Formel der Formel 1

Formel 1 - F1- Renault - Motor - V6-Turbo - MGU-H - MGU-K Foto: Renault F1 (Screenshots) 19 Bilder

Das Energie-Management der V6-Turbos samt ihrer Hybridkomponenten ist für viele ein Brief mit sieben Siegeln. Renault-Ingenieur Remi Taffin lüftet nun erstmals das Geheimnis, wann Energie gespeichert und wann ins System eingespeist wird. Renault lieferte die grafische Darstellung dazu.

25.12.2014 Michael Schmidt

So viel ist bekannt. Die neuen Antriebseinheiten der Formel 1 bestehen aus drei Bausteinen. Dem Verbrennungsmotor mit 1,6 Liter Hubraum, sechs Zylindern und einem Turbolader. Der MGU-K, die kinetische Energie in Strom umwandelt. Und der MGU-H, die ihre Energie aus der Wärmeausdehnung der Auspuffgase gewinnt. Für die Energiegewinnung gilt eine simple Regel. Die MGU-K darf pro Runde maximal zwei MegaJoule in die Batterie einspeisen. Aus der Batterie dürfen pro Runde höchstens vier MegaJoule entnommen werden. Die von der MGU-H generierte Energie ist nicht limitiert.

Formel 1 - F1- Renault - Motor - V6-Turbo - MGU-H - MGU-K
Renault Formel 1-Motor im Video erklärt 3:40 Min.

Die einfachsten Strecken sind Monte Carlo und Singapur

Wo auf der Strecke die Motorenhersteller Energie gespeichert und wieder abgegeben haben, aus welchen Quellen sie stammt und wann, welche Strategie zum Einsatz kommt, war bislang ein großes Geheimnis. Renault-Einsatzleiter Remi Taffin hat für auto motor und sport den Schleier gelüftet und erzählt, was sich wirklich im Fahrbetrieb in den V6-Turbos mit ihren beiden Elektromaschinen abgespielt hat. Taffin macht dabei zwei wichtige Unterscheidungen. Qualifikation und Rennen sind aus Sicht des Motoreningenieurs zwei verschiedene paar Schuhe. Und er teilt jede Strecke nach zwei Gesichtspunkten ein: "Es gibt den Grip-bestimmten oder den Power-bestimmten Bereich."

Grip bestimmt sind all jene Passagen, in denen mehr Power als Traktion vorhanden ist. Also langsame und mittelschnelle Kurven und Beschleunigungszonen. Der Rest ist Power-bestimmt. Dort wo der Fahrer Vollgas gibt. Das Spektrum reicht von 48 Prozent Volllast in Monte Carlo bis 65 Prozent in Monza. Dazu Taffin: "Für das Energiemanagement sind zunächst drei Dinge relevant: Die Anzahl der Bremspunkte, die Länge der Geraden und die Charakteristik der Kurven. Grundsätzlich gilt: Du versuchst immer so viel Energie wie möglich beim Bremsen zu rekuperieren. Das ist der effizienteste Weg, Energie zu speichern."

Der Franzose schränkt aber ein: "Es ist nur sehr selten möglich, diese zwei MegaJoule allein beim Bremsen zu bekommen. Deshalb ist die MGU-K auf die maximale Energie-Ernte bei jedem Bremspunkt programmiert." Die beiden einfachsten Strecken nach diesem Gesichtspunkt sind Monte Carlo und Singapur. Die schwierigste ist der neue Kurs in Sotschi. Montreal sieht wegen seiner vielen Bremspunkte zwar einfach aus, ist es aber nicht, wie Taffin beschreibt: "Selbst da ist es schwierig, mit 120 Kilowatt die gesamte Speichermenge von zwei Megajoule nur über das Bremsen zu erreichen. Wir können da rund 1,5 Megajoule kinetisch rekuperieren, müssen also die restlichen 0,5 Megajoule anderswo herkriegen."

Wenn der Formel 1-Motor "überladen" wird

Sebastian Vettels ehemaliger Motoreningenieur erklärt, was er damit meint: Diesen Rest Energie bekommen wir durch das so genannte ‚Überladen“ des Verbrennungsmotors. Was ist das? Wir verwenden Benzin, um Strom zu gewinnen. Und wie geht es? Beim Beschleunigen brauchst du nicht gesamte Motorpower. Du hast mit diesen Motoren viel zu viel Drehmoment. Der Fahrer fährt in der Anfangsphase der Beschleunigung nur mit Halb- oder Dreiviertel-Gas. Das gibt uns einen Spielraum zur Energieproduktion. Statt jetzt entsprechend weniger Benzin einzuspritzen, um das Drehmoment zu drosseln, verbrennen wir mehr Sprit. Die überschüssige Power, die dabei produziert wird, wird nicht in zusätzlichen Vortrieb investiert. Dieses extra Drehmoment, das wir nicht zum Antrieb nutzen, wird dazu verwendet, um die MGU-K als Generator laufen zu lassen. Mit dieser Energie wird die Batterie gefüllt."

Das gleiche wird am Ende der Geraden in den Phasen gemacht, in denen der Fahrer den Fuß vom Gas nimmt aber noch nicht auf der Bremse steht. Taffin präzisiert: "Es ist aber effizienter, die Energie im Teillastbereich abzugreifen." Die neuen Regeln erlauben das. "Wir dürfen mit den neuen Motoren Energie speichern, wann immer wir wollen. Der Fahrer muss nicht zwingend dabei auf der Bremse stehen, wie das beim alten Kers der Fall war. Die einzigen Limitationen betreffen die Energiemengen, die man speichern und abrufen darf. "

In der Qualifikation wird die ganze Leistung verballert

Die Motoreningenieure unterscheiden nun zwischen Training und Rennen. "In der Qualifikation fahren wir die Batterie leer und nutzen jede Gelegenheit durch ‚Überladen‘ die Batterie zu füllen. Wir brauchen die Power ja nur für die eine Runde. Im Rennen ist die Strategie komplizierter. Weil da auch der Spritverbrauch mit reinspielt. Du kannst den Motor also nicht nach Belieben ‚überladen‘, sonst geht dir irgendwann das Benzin aus. In Monte Carlo ist es wegen der Kürze des Rennens kein Problem. In Singapur wegen der vielen Bremsmanöver und kurzen Geraden. Anderswo wird es ein Rechenexempel. Wann immer du in der Lage bist, Benzin in Strom umzuwandeln, wirst du es tun. Die Menge bestimmt der spezifische Kraftstoffverbrauch auf dieser Strecke."

Der Ladezustand der Batterie hängt von der Technologie der Batteriezellen ab, die man verwendet. Häufiges Laden und Entladen verkürzt ihre Lebensdauer, wobei in diesem Jahr keiner mit dem Kontingent an Batterien in Schwierigkeiten gekommen ist. Normalerweise pendelt der Ladezustand zwischen 20 und 90 Prozent hin und her. Auf manchen Strecken ist es schwierig, in diesem Fenster zu bleiben. Zum Beispiel Suzuka.

"In Suzuka besteht der erste Teil der Strecke aus wenig Geraden, aber vielen schnellen Kurven. Du musst darauf achten, dass die Batterie in diesem Bereich 80 bis 90 Prozent voll ist", verrät Taffin. "Nach der Haarnadel muss die Batterie viel Energie abgeben. Sie fällt dann auf ein Niveau von etwa 40 Prozent. Du kannst also nicht alles verballern, auch wenn dir das Reglement gestattet, vier Megajoule pro Runde abzugeben.“

Das Geheimnis der "Klippe"

Es gibt aber noch eine zweite Elektromaschine. Die MGU-H liefert Leistung vermeintlich zum Nulltarif. Nicht ganz, wie Taffin ausführt: "Wir haben da die Wahl: Entweder speisen wir Energie aus der Batterie ins System, aus der MGU-H direkt oder aus einer Kombination von beidem. Die Energie, die wir direkt über die MGU-H in das System bringen, zählt nicht zu den vier MegaJoule. Es gibt da zwei Spielarten, wie man Turbine und Kompressor bei niedrigen Drehzahlen elektrisch antreibt. Wenn du die Auspuffgase dazu hernimmst, Energie über die MGU-H zu gewinnen, verlierst du durch den Abgasgegendruck Power beim Verbrennungsmotor. Du kannst die Turbine aber auch mit der aus der Batterie gewonnenen Energie antreiben. Dabei gibt der Verbrennungsmotor ganz normal seine Leistung ab."

Das bestimmt die Renn-Strategie. Überraschenderweise wird die Power nicht gleichmäßig über die gesamte Runde abgegeben. Taffin beschreibt das Energie-Management wie folgt: "Im Rennen ist der schnellste Weg um die Strecke, die elektrische Energie so früh wie möglich in der Runde einzusetzen. Dazu musst du zu Beginn der Runde den Verbrennungsmotor möglichst ohne Gegendruck durch die MGU-H fahren. Die MGU-K liefert maximale Leistung. Sie wird in dem Moment allein von der Batterie gespeist. Bis zu dem Punkt, den wir die ‚Klippe‘ nennen. Dann gehst du dazu über, die MGU-K direkt durch die MGU-H anzutreiben."

Der Überholknopf und seine Tücken

Das ist einer der vielen neuen Begriffe, die uns das Hybrid-Zeitalter gebracht hat. "An dieser Grenze wird nichts mehr aus der Batterie abgesaugt, sonst müsste man eine ganze Runde dazwischen hängen, um die Batterie wieder vollzuladen", erklärt Taffin. "Ab der ‚Klippe‘ muss die MGU-H nachhelfen und die MGU-K unterstützen. Bei Vollgas wird die Power aus der MGU-H direkt abgegeben, ansonsten in die Batterie geladen. Alles andere wäre nicht effizient. Der Umweg über die Batterie würde zu Verlusten führen. Die Batterie wird ja bei jedem Bremsmanöver und jedem Beschleunigungsvorgang geladen. Die MGU-H speichert nur am Ende der Geraden, wenn die MGU-K abgeschaltet ist und die Abgase noch überschüssige Energie haben, die nicht in Ladedruck umgewandelt wird. Generell gilt: Je länger die Geraden, umso mehr Energie musst du aus den Auspuffgasen ziehen."

Der Verbrennungsmotor wird immer voll gefahren, außer du bewegst dich außerhalb des Verbrauchsfensters. Dann muss der Fahrer ‚lift and coast‘ betreiben. "Wenn der Fahrer im Rennen den Überholknopf drückt, passiert folgendes: Dann werden sämtliche Warnungen in Bezug auf die ‚Klippe‘ oder ‚Lift and coast‘ ignoriert. Für einen Sektor, für eine Geraden, manchmal auch für eine ganze Runde. Aber dafür bezahlst du natürlich. Doppelt und dreifach. Wenn dir der Maximal-Power-Modus eine halbe Sekunde bringt, wirst du in den nächsten Runden bis zu zwei Sekunden einbüßen, um die Batterie wieder aufzufüllen."

Was aber laut Taffin nichts ausmacht. "Nutzt du die extra Power zur Verteidigung, weißt du, dass der Hintermann in das gleiche Dilemma kommt, weil er ja sämtliche Energie zum Angriff nutzt. Verwendest du die gespeicherte Energie zum Überholen und es klappt, dann bleibst du auch vorne. Weil du ja schneller bist als dein Gegner. Dein überlegener Speed hält dich auch mit reduzierter Power so lange vor deinem Gegner, bis die Energiewerte wieder im grünen Bereich sind."

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