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Ein langer Weg

Von der Rennstrecke auf die Straße

30. April 2021, 10:30 Uhr   |  Von Dave Priscak

Von der Rennstrecke auf die Straße
© On Semiconductor

Im Laufe der Jahre haben sich Technologien aus der Formel 1 auf die Serienfertigung von Straßenfahrzeugen übertragen. Dieser Wissenstransfer unterstützt die Entwicklung sicherer und effizienter Autos. Das gleiche Potenzial bietet nun die Formel E als Erprobungsfeld für Elektrofahrzeuge.

Die ABB FIA Formula E World Championship ist eine internationale Rennserie, die ihre Läufe ausschließlich mit elektrisch angetriebenen Formelfahrzeugen austrägt. Im Markenkern der Rennserie stehen Werte wie Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und technologischer Fortschritt. Sie soll als Inkubator für die Automobilindustrie dienen, um die Entwicklung von Elektroautos voranzutreiben.

Mit Mercedes, Porsche, Audi, BMW, Jaguar, Nissan engagieren sich namhafte Automobilhersteller in der Meisterschaft. Aber auch immer mehr Automobilzulieferer und Halbleiterhersteller wählen die Formel E, um ihre Systeme und Bausteine im herausfordernden Umfeld des Motorsports zu testen und zu optimieren. Dazu zählt beispielsweise auch On Semiconductor. Der Hersteller von Bauelementen und Systemlösungen u.a. für Elektrofahrzeuge nutzt die Formel E für den Wissenstransfer vom Rennfahrzeug zum serienmäßigen Stromer. Neben Chancen und möglichen Vorteilen gibt es dabei auch Einschränkungen und Risiken.

Innovation beim BatterieDesign

Ein Haupthindernis bei der groß angelegten Einführung von Elektrofahrzeugen ist die Sorge der Verbraucher, wie weit sie mit einer Batterieladung fahren können. Diese »Reichweitenangst« spiegelt die Sorge wider, mit einer Ladung nicht ans Ziel zu kommen. Man sollte jedoch bedenken, wie lang die meisten Fahrten in der Regel dauern.

Durch moderne Batterietechnik und fortschrittliche, effiziente Antriebsstränge stehen zahlreiche Serienfahrzeuge mit mehr als 300 km Reichweite pro Vollladung zur Verfügung. Diese Entfernung deckt die meisten täglichen Fahrten ab, zum Beispiel zur Schule, zur Arbeit und zum Einkaufen. Dennoch gibt es viel Spielraum nach oben und den Wunsch, die Batterieleistung weiter zu verbessern.

Die Batterieentwicklung ist eine elektrochemische Wissenschaft und äußerst unbeständig. Die Formel E arbeitet mit Unternehmen zusammen, die sich auf Batterien mit hoher Leistungsdichte konzentrieren und gleichzeitig einen sicheren Einsatz in der rauen Rennumgebung garantieren. Ein standardisiertes Batteriesystem minimiert die Gefahren unter extremen Beschleunigungs-/Regenerationsbedingungen und gewährleistet eine sichere Trennung im Falle eines Unfalls. Die Rennteams müssen auch die Wettbewerbsbedingungen mit einer bestimmten Batterieimpedanz und charakterisierten Lade-/Entladeprofilen erfüllen.

Optimierung des Antriebsstrangs

Der Antriebsstrang unterliegt dabei keinerlei Regularien. Jedes Team fügt seine »geheime Zutat« hinzu, um die Beschleunigung zu maximieren, die Effizienz der Energierückgewinnung beim Bremsen zu verbessern und das Leistungsbudget zu verwalten – um sicherzustellen, dass das Fahrzeug nicht nur das Rennen beendet, sondern auch den Sieger stellt. Außerdem kann sich jedes Team auf den Antriebsstrang konzentrieren, der sich am mechanischen Aufbau der Formel 1 und den dort verwendeten kinetischen Energierückgewinnungssystemen orientiert.

Aufgrund der extremen Natur der Formel E verwenden Rennteams viel mehr Embedded-Systeme als aktuelle Serienfahrzeuge, um den Stromer im laufenden Betrieb zu überwachen, zu steuern und zu optimieren. Während eines Rennens übertragen die Systeme Echtzeitdaten zur Verarbeitung und Analyse an den Kontrollraum. Aufgezeichnete Daten wie Energieübertragungseffizienz, Temperaturanstieg oder der Prozentsatz der zurückgewonnenen Energie ermöglichen es, die Software zu verbessern, die den Antriebsstrang von der Batterie bis zu den Rädern steuert.

Nach dem Rennen tauschen die Teams diese Daten mit ihren Industriepartnern aus, um die Funktion des Antriebsstrangs weiter zu optimieren und die Leistungsfähigkeit weiter zu verbessern. Die Daten helfen auch bei der Entwicklung neuer Produkte, was wiederum die Leistungsfähigkeit der Komponenten für das nächste Antriebsstrangdesign verbessert. Dieser kontinuierliche Verbesserungsprozess hält nicht nur die Partner des Rennteams wettbewerbsfähig – auch die Fahrzeugdesigns profitieren von einem immer höheren Maß an Know-how und praktischer Anwendungserfahrung. Halbleiterhersteller wie On Semiconductor können dann leistungsfähigere, effizientere und zuverlässigere Bauelemente für den gesamten Antriebsstrang entwickeln.

Per Software definierte Fahrzeuge

Elektronik in Form von Hardware und Software dominiert die Innovation in neuen Fahrzeugen, und Software ist heute ein wesentlicher Bestandteil des Antriebsstrangs. In modernen Elektrofahrzeugen finden sich bereits zahlreiche Softwarekonfigurationen. Algorithmen zur Traktionskontrolle passen zum Beispiel den Antrieb an den Rädern an und balancieren ihn aus, um bei vereisten Straßen ein sicheres Vorankommen zu ermöglichen, oder um re- generatives Bremsen auszulösen, sobald der Fuß vom Gaspedal genommen wird.

Moderne Stromer werden immer komplexer – mit zusätzlichen Antriebsmotoren und höheren Stufen für automatisiertes Fahren. Nutzer können ihre bevorzugten Fahrmodi auswählen, beispielsweise Leistung vor Reichweite für den täglichen Weg zur Arbeit oder Allradantrieb für das Gelände bzw. winterliche Bedingungen.

Zu den aus der Formel E übertragenen Leistungswahltechniken zählt der Schlupf bei Kurvenfahrten, der durch Beschleunigungsprofile gesteuert wird. Durch die Übertragung dieser Softwarealgorithmen werden die Eigenschaften zukünftiger Elektrofahrzeuge weiter angepasst, differenziert und verbessert.

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1. Von der Rennstrecke auf die Straße
2. Ähnlichkeiten im Antriebsstrang
3. Schnellladen bleibt Herausforderung

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