Mercedes-Benz EQ Formel E

Keine allzu große Hürde nach 125 Jahren Motorsport-Geschichte, könnte man meinen. Tatsächlich ist die Formel E aber auch für unsere erfahrenen Kollegen eine komplett neue Herausforderung. Nicht nur, dass wir statt der Hybrid Power Unit unseres F1-Autos von Mercedes-AMG Petronas Motorsport in der Formel E einen komplett elektrischen Antrieb haben. Alle Teams fahren außerdem mit einem Einheitschassis, aktuell und noch für die nächsten drei Jahre mit dem sogenannten „Gen2“. Heißt, der Teil, an dem Motorsportler unter anderem besonders gerne rumbasteln, darf nicht verändert werden.

Karosserie, Chassis, vorderes Fahrwerk, Reifen und auch die 52 kWh-starke Lithium-Ionen-Batterie (das entspricht ungefähr der Leistung von 6.000 Smartphone-Akkus) sehen bei unserem neuen Formel-E-Auto des Mercedes-Benz EQ Formel-E-Teams genauso aus wie bei allen anderen Formel-E-Autos.

Umso spannender ist die Technik hinter dem Elektroflitzer. Franco Chiocchetti ist in diesem Feld ein wahres Urgestein: Er arbeitete insgesamt 15 Jahre in der DTM und ist nun seit 5 Jahren in der Formel E – zuerst als Renningenieur und später als technischer Einsatzleiter – tätig. Heute ist er Head of Formula E Track Operations.

Die Optik des Formel-E-Autos: Keine Heckflügel, großer Diffusor, kleinere Reifen

„Das Formel-E-Auto und damit auch unser Mercedes-Benz EQ Silver Arrow 01 hat ein besonderes Aussehen. Da wir den Wagen für die nächsten drei Jahre so haben, darf der Look nicht langweilig werden. Außerdem sollte er auch anderen Formel-Wagen nicht zu ähnlichsehen. Das heißt, dieses typische Formel-Auto mit Flügeln vorne und hinten, die beide einstellbar sind, haben wir beim Formel-E-Auto des Mercedes-Benz EQ Formel-E-Teams nicht.“, erklärt er. Zudem hat das Formel-E-Auto keinen Heckflügel, stattdessen gibt es zwei sehr auffällige, kleinere Flügel über den Hinterrädern. Die Vorderräder sind komplett eingehaust. Auffallend ist auch der übergroße Diffusor hinten, der das Fahrzeug regelrecht an den Asphalt saugt. Die Reifen unterscheiden sich auch vom klassischen Formel-Wagen, denn sie sind wesentlich schmaler, nur ungefähr so groß wie normale Autoreifen. Sie wiegen aber deutlich weniger und sind Allwetterreifen, die sowohl im Trockenen als auch bei Regen verwendet werden können.

Das Herz des Formel-E-Autos: Antriebsstrang mit Batterie und Motor

Da das Fahrgestell bei allen Formel-E-Autos gleich ist, spielt die Aerodynamik in der Entwicklung keine große Rolle. Aber an welchen Teilen dürfen die Ingenieure denn nun Hand anlegen und weiterentwickeln? „Der Antriebsstrang des Formel-E-Autos ist der Bereich, in dem wir frei entwickeln dürfen“, erläutert Franco Chiocchetti, „aber es ist im Endeffekt nicht nur der Antriebsstrang. Damit verbunden können wir auch an der Elektronik, der Steuerung und der Autosoftware weiterentwickeln.“

Der Antriebsstrang bildet mit Batterie und Elektromotor das Herz unseres Formel-E-Autos. Zwischen diesen beiden Teilen liegt der sogenannte „Inverter“. Er wandelt den von der Batterie produzierten Gleichstrom in Wechselstrom um und versorgt somit den Elektromotor mit Energie. „Saison zwei war die erste Saison, bei der wir wirklich selber entwickeln durften. Da hatten wir noch große Unterschiede zwischen den Antriebssträngen der Hersteller. Inzwischen sind wir kurz vor Saison sechs und alle haben eine ähnliche Technik im Antriebsstrang verbaut, nur Feinheiten wie zum Beispiel die Achsübersetzung, Motorwirkungsgrad, der Wirkungsgrad des Getriebes, Packaging unterscheiden sich noch zwischen den Herstellern.“

Wie schnell ist die Formel E?

Im Antriebsstrang wird der Elektromotor von der Batterie mit Strom versorgt und je nachdem, wieviel Leistung ein Fahrer seinem Formel-E-Wagen abverlangt, wird mehr oder weniger Energie aus der Batterie verbraucht. Dafür gibt es am Lenkrad des Formel-E-Autos verschiedene Leistungsmodi. 200 kW (ca. 270 PS) ist die normale Rennleistung, 250 kW (ca. 340 PS) haben die Fahrer bei der Qualifikation zur Verfügung. Damit beschleunigt das Formel-E-Auto des Mercedes-Benz EQ Formel-E-Teams in 2,8 Sekunden von 0 auf 100 km/h (übrigens nur 0,3 Sekunden langsamer als ein Formel-1-Auto) und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 280 km/h.

Außerdem gibt es noch den Attack Mode mit 235 kW (ca. 320 PS). Diesen Modus dürfen die Fahrer allerdings nur begrenzt einsetzen. Wie oft und wie lange der Attack Mode genutzt werden darf, legt die FIA vor jedem Rennen individuell fest. Der Fahrer ist dann verpflichtet, diese zusätzliche Leistung zu nutzen, sonst drohen Zeitstrafen. Um den Attack Mode zu aktivieren, drückt er den entsprechenden Knopf am Lenkrad und muss dann innerhalb von fünf Sekunden einen bestimmten Streckenabschnitt überfahren, der außerhalb der Ideallinie liegt.

Vor jedem Rennen dürfen zudem die Zuschauer entscheiden, welche Fahrer den „Fan Boost“ erhalten. Für 2 ½ bis 3 Sekunden stehen damit 250 kW (ca. 340 PS) zur Verfügung. Die fünf Fahrer, die am besten bei der Abstimmung abschneiden, bekommen den „Fan Boost“ und können ihn einmal im Rennen, zum Beispiel für einen Überholvorgang, nutzen. Die Information, dass ein Fahrer „Fan Boost“ hat, erhält er während des Rennens per Funk und kann ihn dann jederzeit einsetzen.

Energieeinteilung auf der Strecke: Regeneration während des Rennens

Durch die verschiedenen „Booster“ hat der Fahrer mehr oder weniger Energie aus der Batterie zur Verfügung. Er muss während des Rennens zum einen darauf achten, dass die Energie aus der Batterie über das ganze Rennen reicht, gleichzeitig braucht er genug Energie, um eine optimierte Rundenzeit zu fahren. Deswegen ist einer der wichtigsten Aspekte auf der Strecke die Energieeinteilung. Das Team lädt die Batterie am Anfang des Rennens voll und kühlt sie deutlich unter die Außentemperatur, ungefähr auf 10-20 Grad Celsius. Während des Rennens heizt sich die Batterie nämlich ordentlich auf. Und Wärme bedeutet immer auch Energieverlust – jeder der sein Handy schon mal in der prallen Sonne liegen lassen hat, weiß was gemeint ist.

Die Batterie kann auf der Strecke nicht geladen werden, denn bei der Formel E gibt es keinen Boxenstopp. „Noch nicht.“, wie Franco Chiocchetti einwirft, „Das ist im Gespräch für die Zukunft.“ Da das heute noch nicht möglich ist, stehen Fahrer und Team im ständigen Austausch über den Energieverbrauch während des Rennens. Der Fahrer bekommt die Information wieviel Energie er noch zur Verfügung hat und einen Vorschlag des Teams, wie er sie am besten einteilt. Letztendlich entscheidet aber der Fahrer, wieviel Energie er wann nutzen möchte.

Der Fahrer kann den Energiehaushalt seines Autos auch aufbessern, ohne auf ein externes Ladegerät zuzugreifen. Und zwar durch Regeneration von Energie durch den Bremsvorgang. Das Formel-E-Auto besitzt eine hydraulische und eine elektrische Bremse. Durch das elektrische Bremsen mit dem Motor gewinnt das Auto Energie zurück. Dabei arbeitet der Motor als Generator, der die Energie aus dem Bremsvorgang in elektrische Energie für die Batterie umwandelt. Somit hat der Fahrer durch die Regeneration mehr Energie zur Verfügung, als nur durch den Ladevorgang vor dem Rennen.

Regeneration geht allerdings nicht zu Beginn des Rennens. Chiocchetti: „Das kann man sich vorstellen wie bei einer vollen Badewanne. Wenn sie voll ist, kann kein Wasser mehr eingelassen werden, sonst läuft sie über. Genauso ist es am Anfang des Rennens mit der Batterie. Wenn sie voll ist, kann sie keine Energie aufnehmen.“ Das heißt, der Fahrer darf die ersten fünf oder sechs Runden nicht die maximale Menge an Energie durch Bremsen zurückgewinnen, denn die Batterie ist gar nicht in der Lage, diese Energie aufzunehmen. Deswegen ist die Energieeinteilung besonders in den ersten Runden einer Strecke wichtig, damit nicht zu viel Energie verloren geht. Erst wenn im Laufe des Rennens der Batteriestand sinkt, kann die komplette Energie aus dem Bremsvorgang regeneriert werden.

Das alles kalkulieren die Formel-E-Teams vor dem Rennen ein, um durch optimierte Energieeinteilung die besten Rundenzeiten herauszuholen. „Wir geben unserem Fahrer zum Beispiel den Ratschlag, dass er für die nächste Runde eine bestimmte Menge an Energie aufwenden sollte.“

Hitze bedeutet Energieverlust für die Batterie

Schon wenn Energie aus der Batterie hinaus- oder hineinfließt, entsteht Wärme. Wenn zusätzlich eine hohe Außentemperatur herrscht, müssen die Teams das vorher in ihre Energieverteilung einkalkulieren, um einen Leistungsabfall zu verhindern. Der tritt ab einer Temperatur von 72 Grad ein, weshalb unser Team immer daran arbeitet, die Temperatur der Batterie unter diesem Wert zu halten.

Wenn es draußen heiß ist, sollte der Fahrer also weniger Energie regenerieren, denn dadurch entsteht aufgrund des Energieflusses in die Batterie zusätzliche Wärme. „Man entwickelt eine Sensitivität für die Außentemperatur und die damit einhergehende Temperatur der Batterie. Zum Beispiel rechnen wir mit circa 0,3 – 0,5 Grad Celsius mehr in der Batterie pro einem Grad Celsius mehr Außentemperatur. Das kalkulieren wir alles im Vorhinein und geben dem Fahrer vor dem Rennen die nötigen Informationen weiter: Im Normalfall würdest du x Energie aus der Batterie nutzen und y Energie hast du noch zusätzlich durch die Regeneration zur Verfügung. Daraus ergibt sich dann die Gesamtenergie für das Rennen.“

Der Fahrer muss sich je nach Wetterbedingungen überlegen, wieviel er regenerieren darf, um nicht am Ende weniger Energie zurückzugewinnen, als er durch zusätzliche Wärme verliert.

Bremsbalance durch Brake-by-Wire

Ein System, das es den Fahrern viel einfacher macht ihre Brems-Energie einzuteilen, nennt sich Brake-by-Wire. Dieses System ist dafür verantwortlich, die Bremsbalance zwischen Vorder- und Hinterachse zu halten und ist in der Software des Formel-E-Autos hinterlegt. Wie oben erklärt, gibt es sowohl die hydraulische, wie auch die elektrische Bremse im Wagen. Elektrisches Bremsen findet nur auf der Hinterachse statt. Die hydraulische Bremse bremst die Vorder- und Hinterachse, sie regeneriert aber keine Energie.

Weil die Regeneration zu Beginn des Rennens nicht funktioniert, kann der Fahrer auch die elektrische Bremse zu Beginn des Rennens nicht einsetzen. Er muss zunächst die hydraulische Bremse verwenden, die dann ihre hydraulische Bremsbalance nach hinten verlagert. Während des Rennens lagert sich die hydraulische Bremse mit zunehmender Regeneration immer weiter nach vorne, denn die elektrische Bremse übernimmt nach und nach die Hinterachse. Das erkennt Brake-by-Wire und reguliert die Bremsbalance, sodass sie ausgeglichen und gleichzeitig eine maximale Regeneration möglich ist. Das passiert weitgehend automatisch, sodass der Fahrer die Bremsbalance durch Geschwindigkeit und Druck auf das Gaspedal beeinflussen kann, die hauptsächliche Arbeit übernimmt aber das System. Dadurch ist der Fahrer entlastet und dennoch ist durch die richtige Bremsbalance eine optimale Regeneration möglich.

Also gilt als Erfolgsformel einfach maximale Regeneration, minimaler Energieverlust und schnelle Rundenzeiten? Nicht ganz, die Rechnung kann auch schiefgehen: „Ja, es kam auch schon vor, dass Formel-E-Autos nicht ins Ziel gekommen sind, weil ihre Batterie leer war.“, lacht Franco Chiocchetti. Eines ist jedenfalls sicher: Auch nach 125 Jahren Motorsport ist die Technik im Auto-Rennsport noch lange nicht ausgeschöpft.