Porsche: Wie Serien-Elektroautos von der Formel E profitieren

Porsche ist zur sechsten Saison (2019/2020) der Formel E mit eigenem Werksteam in die elektrische Fia-Rennserie eingestiegen. In einer ausführlichen Meldung erklärt der schwäbische Sportwagenbauer, wie sich die Bereiche Rennsport und Serie austauschen und so das Stromer-Angebot der Marke verbessern.

Porsche tritt in der Formel E mit dem Boliden 99X Electric an. Sein E­-Motor beschleunigt den schwarz-­weiß-­roten Rennwagen in 2,8 Sekunden von 0 auf 100 km/h, die Technik dafür wird in einem Hochvoltverbundprüfstand im Porsche-Entwicklungszentrum Weissach getestet. Auf dem Prüfstand optimieren die Ingenieure den Wirkungs­grad des Antriebs weiter, dafür dreht er Runden auf einer virtuellen Rennstrecke mit zahllosen Beschleunigungs-­ und Brems­vorgängen. Die Tests sollen auch möglichst viele Innovationen für Serienfahrzeuge ermöglichen. „Wir haben den Auftrag, Rennen zu gewinnen. Aber es geht auch immer darum, den Weg zur Serie zu ebnen“, erklärt Martin Füchtner, der die Entwicklung von Hochvoltantrieben für den Motorsport leitet.

Um die E-Mobilität voranzubringen und eine Kostenexplosion zu verhindern, gel­ten in der Formel E andere Gesetze als etwa bei der Formel 1. So müssen die Renn­ställe größtenteils identische Fahrzeuge verwenden, das Fahrzeugchassis und die Einheitsbatterie werden von den Veranstaltern der Rennserie gestellt. Sämtliche Antriebskomponenten sind dagegen Eigenentwicklungen. Dazu gehören Elek­tromotor, Umrichter, Brake-­by-­Wire-System, Getriebe, Differenzial, Antriebswellen, die tragende Struktur und die dazugehörigen Fahrwerksteile an der Hinterachse sowie Kühlsystem und Steuergerät.

In der Formel E müssen die Teams weniger Teile selbst entwickeln, sie konzentrieren sich daher auf den eigentlichen Elektroantrieb. „Wir müssen die Grenzen des technisch Machbaren austesten“, so Porsche-Entwickler Füchtner. Dabei stünden zwei Bauteile im Fokus: die E­-Maschine und der Umrichter. Die E-­Maschine wandelt Wechselstrom in Dreh­moment um, welches zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Es gilt, interne Wirbelstrom­ und Leitungsverluste zu minimieren und ein minimales Bauteilgewicht zu erreichen. Dem Porsche-Team kommt dabei die bereits zu Zeiten des Le­-Mans­Prototypen (LMP) begonnene Grundlagenforschung zugute. „Es ist faszinierend zu sehen, welchen immensen Technologiesprung wir in den letzten Jahren geschafft haben – heute bietet ein Antrieb mit kaum fünf Litern Volumen bereits Antriebsleistungen eines ausge­wachsenen Sportwagenmotors. Und das bei kaum für möglich gehaltenen Wirkungsgraden“, unterstreicht Füchtner.

Es reicht nicht, nur eine Komponente zu optimieren, das Zusammenspiel des Triebstrangs ist entscheidend. So kann es sinnvoll sein, Wirkungsgradeinbußen bei der E-Maschine in Kauf zu nehmen, um beim Umrichter mehr zu gewinnen – oder umgekehrt. Was zählt, ist das Gesamtergebnis. Der Umrichter ist der Partner der E-Maschine und wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom um. Dafür ist ein Halbleiterbauelement zuständig, das viele Tausend Mal pro Sekunde umschaltet und bei jedem Schaltvorgang kleine Verluste produziert. Diese versucht Porsche Schritt für Schritt zu reduzieren – das sei „eine echte Hightech-Aufgabe“. Bei der Suche nach dem effizientesten Halbleiter für den Schalter würden sich die Ingenieure auf der atomaren Ebene bewegen. Als Material der Wahl gelte derzeit Siliciumcarbid, ein in reiner Form sehr teurer Werkstoff.

Eine zweite Stellschraube für effizientere E-Antriebe ist das Taktmuster des Umrichters, also die Art und Geschwindigkeit, in der er schaltet. Komplexe mathematische Algorithmen bestimmen dieses Muster, kleinste Veränderungen können auf der Rennstrecke über Sieg oder Niederlage entscheiden. „Über verschiedene Generationen von Halbleitern und Algorithmen hinweg haben wir jetzt einen außergewöhnlich hohen Wirkungsgrad erreicht“, sagt Füchtner. Bei der Weiterentwicklung von Umrichter und Maschine profitiere das Team von engen Verbindungen zur Forschung. Viele Mitarbeiter kommen frisch von der Uni und bringen das neueste Wissen mit.

Entscheidung für 800 Volt unterstützt

Dass die Serienentwicklung von den Innovationen aus dem Rennsport profitiert, zeigt der Porsche Hybrid 919, der drei Hersteller-WM-Titel sowie drei Siege beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans in den Jahren 2015, 2016 und 2017 gewann. Beim LMP war es entscheidend, dass er Energie schnell speichern und abrufen konnte. Deshalb entschieden sich die Porsche-Ingenieure für eine interne Spannung von 800 statt der sonst üblichen 400 Volt. Die Erfahrungen von der Rennstrecke – „insbesondere mit der hohen elektromagnetischen Abstrahlung“ – halfen bei der Umsetzung in der Serie. „Der LMP hat die Entscheidung für 800 Volt beim Taycan unterstützt“, so Füchtner.

Am meisten Anknüpfungspunkte gebe es bei der Prüfstandstechnik. Auf diesen Anlagen lassen sich einzelne Komponenten unter genau kontrollierten Bedingungen testen, ohne dass Runden auf einer realen Teststrecke gedreht werden müssen. „Um die gesetzlich vorgeschriebenen Testzyklen zu absolvieren, sind im realen Fahrzeug zehn Tage nötig. Auf dem Prüfstand reichen ein Arbeitstag und eine Nachtschicht“, erläutert Christian Wiedenbrügge, Teamleiter Antriebssoftware und Applikation für batteriebetrie­bene Fahrzeuge.

Die unterschiedlichen Teams verfolgen bei den Prüfstandstests unterschiedliche Ziele. Der Rennstall würde zum Beispiel die Nordschleife des Nürburgrings simulieren, um ein Bauteil auf schnellste Rundenzeit zu trimmen, während der Serienentwickler auf der Jagd nach noch mehr Reichweite womöglich eine virtuelle Fahrt durch den Schwarzwald wählt. „Die Methoden sind jedoch die gleichen“, betont Wiedenbrügge. Beide Seiten trieben zudem die Technik der Prüfstände voran. Die Rennwagen­-Ingenieure hätten zum Beispiel die Temperierung der Prüflinge verfeinert, weil beim E-Antrieb jedes Zehntelgrad eine Rolle spielt. Aus der Serie seien Verbesserungen in der Automatisierung der Prüfläufe gekommen.

Expertenkreise für Austausch zwischen Rennsport & Serie

Porsche hat intern Expertenkreise zu bestimmten Komponenten eingerichtet, die alle zwei Monate zusammenkommen. Hier sprechen beispielsweise Umrichter-Fachleute aus Serie und Rennsport miteinander. Porsche: „Wenn sich die Technikexperten treffen, fangen viele Sätze an mit: ‚Wir haben da was, das für euch interessant sein könnte …’.“ Genau das sei gewünscht: Renn- und Serienentwickler sollen beim jeweils anderen die eigenen Herausforderungen wiedererkennen und sich über mögliche Lösungen austauschen.

Vielleicht am wichtigsten sei der Technologie­transfer über Köpfe: „Ein Großteil der Taycan-­Mann­schaft stammt aus dem Team, das vorher den 918 Spyder entwickelt hat“, berichtet Wiedenbrügge. Sol­che Seitenwechsel seien bei Porsche an der Tagesord­nung. So habe ein Experte für Schwingungstechnik aus der Serie den Motorsportlern geholfen, die Schwingungen an den E-Boliden in den Griff zu bekommen. Eine wichtige Rolle spiele auch die örtliche Nähe – das Porsche Entwicklungszentrum ist nur rund 1000 Me­ter von der Motorsportbasis entfernt. „Wir benutzen alle den gleichen Eingang – und wir essen zusammen“, sagt Füchtner.

Nicht alle Verbesserungsideen der Porsche-Entwickler lassen sich umsetzen. „Es wäre toll, wenn die Formel-E-Teams auch ihre Batte­rien selbst entwickeln könnten. Hier schlummert noch eines der größten Entwicklungspotenziale für elektri­sche Fahrzeuge, denn beim Antrieb sind wir schon sehr gut aufgestellt“, meint Füchtner. „Andererseits könnte der Batteriewettbewerb der Formel E schaden, da hohe Kosten anfallen und dadurch ein verzerrter Wettbewerb entstehen würde. Wir haben reichlich Ideen für Zelltechnologien, die über eine ganze Saison halten und auch für die Serienproduktion interessant sein könnten.“