Die Siemens-Forschung entwickelt mit dem französischen Technologiekonzern Segula Matra Technologies einen Elektromotor für einen Einsitzer-Rennwagen, der in einer elektrischen – und weltweit einzigartigen – Rennserie zum Einsatz kommen soll: Formulec. Der Test dieses Prototyps unter Rennbedingungen ist auch für die Entwicklung von Elektroautos für den Straßenverkehr wichtig.
Arbeit im Detail: Bevor der Antrieb seinen Testlauf aufnimmt, muss das Siemens-Matra-Team den Prüfstand optimal aufbauen, justieren und anschließen. Im Teststand wird der Lauf schließlich sorgfältig überwacht.
Hockenheimring, Circuit de Monaco, Silverstone – Namen voll Faszination und Glamour. Dagegen ist die kleine Werkhalle auf dem Gelände des Siemens-Forschungszentrums im Süden Münchens denkbar unspektakulär: Auf den ersten Blick sind lediglich eine Palette mit Metallkästen und ein paar Computer zu sehen. Und doch könnten die Wissenschaftler, die hier an einem Prüfstand der zentralen Siemens-Forschung – Corporate Technology (CT) – arbeiten, den weltweiten Rennzirkus nachhaltig verändern: Sie entwickeln einen Antrieb für einen elektrischen Rennwagen mit Namen Electric Formula EF01. Schon 2011 soll er bei Rennen der neuen Rennserie Formulec zum Einsatz kommen, die der Rennserie GP2 vergleichbar ist. GP2 gilt als Vorstufe der Formel 1 – auch Nico Rosberg und Lewis Hamilton verdienten sich dort ihre ersten Sporen.
Das Konzept der neuen Rennserie wurde in enger Abstimmung mit der Fédération Internationale de l’Automobile (FIA), dem weltweiten Automobil-Dachverband, und deren Kommission für den Einsatz alternativer Energien entworfen. Während die Rennserie Formulec die Kriterien für die Rennwagen vorgibt, beauftragte der französische Technologiekonzern Segula Matra Technologies verschiedene Firmen mit der Entwicklung der benötigten Komponenten. Siemens CT ist für den Antriebsstrang zuständig. Dieser umfasst den Elektromotor sowie den Inverter oder Wechselrichter, der den Gleichstrom aus der Batterie in einen 3 phasigen Wechselstrom wandelt, und die zugehörige Steuerung. „Im Prinzip hatten wir bereits ein Baukastensystem für Elektromotoren verschiedenster Anwendungen in der Schublade, etwa für Züge oder Werkzeugmaschinen, aber auch für Autos“, erklärt Prof. Gernot Spiegelberg, der bei CT das Thema Elektromobilität verantwortet. „Doch dieser Rennwagen braucht einen leistungsstarken, dabei aber kompakteren und leichteren Motor.“
Doppelt stark. Auf dieses Ziel richten die Forscher alle Entwicklungsbemühungen aus. Sie optimierten die vorhandenen Antriebe und entwarfen für das EF01-Projekt einen Doppelmotorantrieb. „Um doppelte Leistung zu erreichen, haben wir zwei Motoren nebeneinandergeschaltet“, erklärt Spiegelberg und zeigt auf einen der Metallkästen. Dieser hat es in sich: Die beiden Motoren darin haben eine Spitzenleistung von je 125 kW. Die Batterie begrenzt jedoch die Leistungsaufnahme, so dass im Fahrbetrieb insgesamt 180 kW zur Verfügung stehen; das entspricht 245 PS. Damit bringt der Doppelmotor den Rennflitzer auf eine Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h.
Karl-Josef Kuhn, der in Spiegelbergs Team die Projekte zur Elektromobilität an den Prüfständen leitet, ergänzt: „Entscheidend ist aber natürlich die mechanische Ausgangsleistung, also das, was nach Abzug der Verluste auf den Rädern ankommt.“ Beim Antrieb des Electric Formula EF01 beträgt diese Leistung 176 kW. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 98 %. „Das“, sagt Kuhn, „ist extrem gut.“
Normalerweise liegt dieser Wert bei Elektroautos maximal bei etwa 95 %. Bei den herkömmlichen Verbrennungsmotoren beträgt der thermodynamische Wirkungsgrad etwa 30 %, die restliche Energie geht als Abwärme verloren. Betrachtet man die gesamte Wirkungskette von der Energiequelle bis zum Rad (den „Well-to-Wheel“-Wert), erreichen Elektroautos auf Basis erneuerbarer Energien über 70 %, Verbrennungsmotoren wenig mehr als 20 %.
100 km/h in drei Sekunden. Auch ein weiterer Parameter des Antriebsstrangs birgt Pionierleistungen: Der Doppelmotor wird auf ein zentrales Getriebe mit zwei Gängen geschaltet. Das ist ungewöhnlich, denn bei Elektroautos ist über den gesamten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment verfügbar, so dass normale Elektrofahrzeuge für den Straßenverkehr auch ohne Getriebe und Gangwechsel starten und bis zur Endgeschwindigkeit beschleunigen können.
„Im Prinzip könnte auch das EF01-Auto die meisten Rennen durchgehend im zweiten Gang bestreiten“, sagt Kuhn. Doch auf Rennstrecken mit sehr engen Kurven, beispielsweise dem Circuit de Monaco, müssen die Fahrer die Geschwindigkeit zwischendurch so weit absenken, dass sich für eine optimale Rennfahrt ein Gangwechsel per Wippschalter empfiehlt.
Der EF01-Doppelmotor beschleunigt also im ersten Gang in drei Sekunden von 0 auf 100 km/h und im zweiten auf bis zu 250 km/h. Um dabei die Zugkraftunterbrechung auf den Rädern so kurz wie möglich zu halten, schrieb das Lastenheft einen besonders schnellen Schaltvorgang vor: Der Gangwechsel wird ge- rade einmal 150 ms dauern. Das Forscherteam und der Leiter des Projektes Segula Matra, Dr. Tilo Moser, sind besonders stolz auf diesen Parameter: „Das erfordert für das kupplungslose Getriebe eine hochpräzise Steuerung. Dafür mussten wir die Steuerungssoftware optimieren.“ Kein anderer Hersteller, der sich bisher an Schaltungen für Elektromotoren versucht hat, habe das so sauber hinbekommen.