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Elektrifizierung der Supersportwagen

Hybrid-Power schlägt Alles

Porsche 918 Spyder, Seitenansicht Foto: Hardy Mutschler 51 Bilder

Von wegen Hybride sind nur was für Öko-Freaks: Die kommenden Hypersportwagen Ferrari LaFerrari, McLaren P1 und Porsche 918 Spyder werden mit Strom erst richtig schnell, wie der sport auto-Technikvergleich zeigt.

02.06.2013 Alexander Bloch Powered by

Für viele Sportwagen-Fans ist der Elektro-Antrieb einfach nur öde: kaum Sound, wenig Charakter und mit seiner Hochvolt-Steuerung zudem mysteriös und kompliziert. Da zündet nix, da vibriert nix, und die lokale Emissionsfreiheit bedeutet eher den Wegfall der geliebten Auspuffanlage als mehr Spaß am Öko-Trip. Dieser aseptische Antrieb soll jetzt der Heilsbringer der Hyper-Sportwagen werden? Wenn es nach dem Vorstellungen von Ferrari, McLaren und Porsche geht, mit absoluter Sicherheit.
 
Während Sinn und Zweck eines rein elektrisch betriebenen Sportwagens zu Recht bezweifelt werden dürfen - viel zu schnell wird der schwere Akku bei hoher Leistungsabgabe leergesaugt - ist der Stromläufer ein idealer Partner für leistungsstarke Verbrenner. Die bringen breite Elastizität und blitzschnelles Ansprechen nur schwer in Einklang. Verbrennungsmotoren entwickeln im niedrigen Drehzahlbereich prinzipbedingt wenig Kraft. Ein Elektromotor startet dagegen ansatzlos mit voller Potenz. Damit lassen sich zielgenau Schwächen des Verbrenners kompensieren und seine Stärken ausbauen.

Idealpartner E-Motor

McLaren optimiert so im P1 seinen M838T-Motor, was für acht Zylinder mit 3,8-Liter-Hubraum und Turbolader steht. Der Neue trägt das Anhängsel TQ, und außen am V hängen gewachsene Turbolader. Die blasen den V8 statt mit 2,2 bar wie beim 12C mit 2,4 bar Ladedruck zu 737 PS und damit gewaltigen 196 PS pro Liter Hubraum auf. Das maximale Drehmoment liegt bei relativ hohen 4.000/min mit 720 Nm an.
 
Große Lader produzieren aber große Nachteile: Sie entwickeln untenrum eine ausgeprägte Schwäche in der Drehmomentkurve und sprechen zudem spürbar schlechter an. Hier kommt der Elektropartner ins Spiel: Mit effektiv 260 Nm füllt der Permanentmagnet Synchron-Motor die Kraftlücke. Weil er dabei nicht erst mechanisch Ventile und Kolben sortieren muss, sondern Frequenz und Strom variiert, geschieht das blitzschnell. Laut McLaren soll das Hybridsystem (IPAS für Instant Power Assist System) ein verzögerungsfreies Ansprechverhalten wie ein Saugmotor entwickeln.
 
Während sich System-Drehmomente bei Hybriden aufgrund unterschiedlicher Arbeitspunkte nicht direkt addieren lassen - immerhin 900 Nm - kurbeln summierte 916 PS an der Antriebswelle. Der mit einer Kupplung exakt zwischen Motorblock und Siebengang- Doppelkupplungsgetriebe angreifende 26 kg schwere E-Motor bewegt so den Hybrid-Sportler auch rein elektrisch bis zu zehn Kilometer weit und 160 km/h schnell. Dafür lagert eine bei 230-Volt-Strom in zwei Stunden aufladbare 96 Kilogramm schwere Lithium-Ionen-Batterie inmitten des Monocoques.

Akku definiert Leistung der Hybrid-Sportwagen

Prinzipiell gilt: Der Akku ist nicht nur Energielieferant wie der Tank beim Verbrenner, sondern seine Stromlieferfähigkeit definiert auch die Kraft des Elektromotors. Vereinfacht gesprochen ist also der Elektromotor eher ein Äquivalent zur Kurbelwelle und der Akku auch zum Hubraum.
 
Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor bauen ungekühlte E-Motoren aber schon nach wenigen Sekunden an Maximalleistung ab, weil Hitze ihren Innenwiderstand ansteigen lässt. Der McLaren P1 verfügt beim E-Motor daher über eine seltene interne Rotorkühlung. Leider produzieren die E-Systeme ein immenses Zusatzgewicht. McLaren peilt dennoch niedrige 1.395 kg (Trockengewicht) an: Die aus vorimprägnierten Kohlefasermatten (Prepreg) geformte Karosserie-Mittelzelle wiegt nur 90 Kilo.

Das Thema Gewicht bleibt jedoch der große Malus der Hybrideinheiten. Und so wirkt es nur zu verständlich, wenn Ferrari-Chef-Ingenieur Roberto Fideli wie alle bekennenden Sportfahrer seufzt: „Eigentlich wiegt der LaFerrari immer noch zu viel.“

Ferrari Enzo-Nachfolger hat nicht zugenommen

Dabei wollen es die Jungs in Maranello geschafft haben, das Gewicht ihres Supersportlers auf dem Niveau des Enzo zu halten, trotz zusätzlichen 150-Elektrifizierungs-Kilogramm. Im Vergleich zum Enzo wiegt zum Beispiel das in der Formel 1-Abteilung gebackene Kohlefaser-Monocoque mit seinen T800-Fasern (siehe Fotoshow) mit nur 70 Kilogramm ein Drittel weniger.
 
Beim Hybridantrieb geht der Ferrari LaFerrari den auf den ersten Blick einfachsten Weg: Er ist ein Parallel-Hybrid (HY-KERS) mit relativ kleinem Akku mit 2,6 kWh Energieinhalt und dem mit 120 kW kleinsten Elektromotor im Trio. Rein elektrisch fährt er nicht schneller als 5 km/h, und externes Aufladen ist nur zum Erhalt der Ladung bei langem Stillstand gedacht. So erreicht er keine ultratiefen Verbrauchswerte, doch dazu später mehr.
 
Bei der Steuerung und Optimierung verlässt sich der Enzo-Nachfolger voll auf seinen Strompartner. Den 6,3 Liter großen V12 konstruierte Ferrari neu und schmückt ihn mit kontinuierlich variablen Ansaugrohren, einer leichter und aerodynamischer(!) gestalteten Kurbelwelle sowie einer hohen Verdichtung von 13,5:1. Vor allem wurde seine Drehmomentkurve mit angepassten Ventilsteuerzeiten zu höheren Touren hin verschoben: 700 Nm bei 6.750/min. Was untenrum fehlt, schiebt wieder der 270 Nm starke Permanentmagnet-Synchronmotor nach. Traumhaftes Ansprechverhalten versprechen die Italiener, auch weil HY-KERS versucht, den V12 allzeit bei hohen Drehzahlen zu halten.
 
Doch damit ist die Arbeit des E-Motors noch nicht getan. Mit gezielten Drehmomentstößen verbessert er auch die Schaltzeiten sowie Übergänge des Siebengang-Doppelkupplungsgetriebes und rekuperiert zusammen mit einem neuentwickelten ABS (Bosch) selbst bei sehr scharfem Abbremsen Energie. Nebenbei gönnt sich die Batterie noch einen tiefen Strom-Schluck aus dem Generator, wenn der Zwölfzylinder überschüssige Kraft abführen muss. Es gibt keine Fahrsituation, in welcher der E-Motor nicht seine Wicklungen im Spiel hat.
 
Beim Akku haben wir voll auf Leistungsdichte gesetzt., erklärt Fideli. Daher wiegt die in der Mitte am Boden kauernde Samsung-Einheit mit Lithium-Mangan-Kobalt-Zellen für 2,6 kWh nutzbare Energie mit 60 kg auch relativ viel. „Das ist der Flaschenhals. Die Batterie schiebt zwar bis zu 250 Ampere Strom, aber der E-Motor könnte theoretisch noch mehr.“

Wunderverbräuche

Weniger wäre jedenfalls bei Verbrauch und Emissionen möglich gewesen. Der Ferrari LaFerrari liegt hier mit 14,1 L/100 km (330 g CO2/km) über vier Mal höher als der Porsche 918 Spyder mit wundersamen 3,3 Liter auf 100 km. Doch dafür hätte er größere Strecken rein elektrisch mit an der Steckdose aufgeladenem Strom zurücklegen müssen. Was laut Fideli aber nicht zur Ferrari-Philosophie passt: „Wollen Sie ihn wirklich nur surren hören?“
 
Der Grund für die Traumwerte liegt an der ECE Norm R101, bei der der Verbrauch abhängig von der elektrischen Reichweite über einen Faktor ((el. Reichweite plus 25 km)/ 25 km) sinkt. Beispielhaft rechnen wir das für den Porsche 918 Spyder einmal durch: Seine elektrische Reichweite liegt nach neuesten Messungen bei zirka 35 km, was einem Verbrauchsreduktions-Faktor von 2,4 entspricht. Bei drei Liter pro 100 km Normangabe ergibt das 7,2 Liter (2,4 x Hybridbetrieb. Ohne jegliche elektrische Unterstützung dürfte der 4,6-Liter-Sauger jedoch rund elf Liter/100 km verbrauchen. Was immer noch sehr wenig für einen so hoch drehenden (9.000/min) und verdichtenden (13,5:1 wie beim LaFerrari) Motor ist.
 
Während die Konkurrenten das Thema Umwelt eher halbgar angehen, wollte Porsche beim 918 den vollen Spagat - Kleinwagenverbrauch und Rennwagenwerte. Wobei der Sinn der ECE-Verbräuche bei Supersportwagen mehr als zweifelhaft ist. Die komplette Neuentwicklung auf der Basis des RS-Spyder-Aggregats baut extrem kompakt und wiegt nur 140 Kilogramm. Was auch daran liegt, dass er komplett ohne riemengetriebene Nebenaggregate auskommt. Diese werden alle elektrisch versorgt.

Porsche 918 Spyder mit über 880 PS

„Mit seiner Leistung sind wir sehr zufrieden, ohne alles gesagt zu haben”, deutet der Gesamtprojektleiter Frank-Steffen Walliser an, dass die 600 V8-PS noch lange nicht das Leistungsende sind. Walliser legt noch nach: „Wir werden die höchste spezifische Leistung für einen Saugmotor, der die EU 5-Norm erfüllt, bieten.” Was mindestens 608 PS und damit eine Systemleistung von über 880 PS bedeuten würde.
 
Die mit Abstand höchste elektrische Leistung des Super-Hybrid-Trios rotiert beim Porsche 918 Spyder sowieso. Mit seinem 115 kW-Hybridmodul an der Hinterachse (Synchronmotor mit Außenläufer) und seinem - nennen wir es - 95-kW-Allradmodul (Synchronmotor mit Innenläufer) an der Vorderachse, spurtet er rein elektrisch so schnell wie ein Golf GTI von null auf Tempo 100. Damit das auch auf Dauer so bleibt, sorgt eine aufwendige Luft- und Wasserkühlung für wohltemperierte Wicklungen.
 
Ansonsten wäre auch im Hybridbetrieb auf der Rennstrecke schon nach wenigen Sekunden Schluss mit Vollstrom. Der kommt wiederum aus der mit 6,8 kWh größten und schwersten Lithium-Ionen-Batterie im Trio. Ihre 138 Kilo wiegen fast so viel wie das gesamte Hybridsystem des Ferrari. Dennoch schleppt der Allrad-918 beim reinen Trockengewicht (also ohne flüssige Betriebsmittel und Fahrer) mit 1545 kg nur drei bis vier Zentner mehr als die Konkurrenten.
 
Dafür greift Porsche beim Chassis tief in die Kohlefaser-Wundertüte und verbaut von vorlaminierten Faserplatten bis hin zu Karbonfaser-Schnipseln das komplette Fertigungs-Portfolio. Insgesamt 380 Kilogramm der schwarzen Faser stecken in dem laut Walliser „konsequentesten Kohlefaser-Serien-Sportwagen”. Immerhin erzeugt das etwas höhere Gewicht beim Bremsen auch wieder mehr Rekuperationsleistung. Hinzu kommt: Nur beim 918 sitzt ein Elektromotor an der Vorderachse. Bis zu 0,5 g Verzögerung gewinnt der Spyder Energie zurück - das ist drei Mal mehr als bei üblichen Hybriden.

Showdown Nordschleife

So beeindruckende Daten alle drei Supersportler bereits zu bieten haben, die Abrechnung kommt auf der schönsten Rennstrecke der Welt, der Nürburgring-Nordschleife. Porsche hat mit einem 918 Prototypen vorgelegt undseine eigene Zielzeit von 7:22 Minuten um acht Sekunden unterboten. Wobei der Porsche 918 Spyder laut Beobachtern dabei noch lange nicht ausgereizt war. Sein Plus ist die Allrad-Traktion, von 200 auf 300 km/h geht er langsamer.
 
Die Konkurrenten spekulieren gleich mit Fabelzeiten unter sieben Minuten für die 20-Kilometer-Tour durch die Eifel. Fragt man die Chef-Ingenieure nach konkreten Zeitangaben, kommt nur ein trockenes: „schneller als die anderen.” Wir bleiben elektrisiert.

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