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Ohne Batterie: So funktioniert der Hybridantrieb in der IndyCar-Serie

Wie der Hybrid-Antriebsstrang von Chevrolet und Honda im Detail funktioniert und ab Juli 2024 die IndyCar-Rennen auf Rundstrecken, Stadtkursen und Ovalen prägt

Ohne Batterie: So funktioniert der Hybridantrieb in der IndyCar-Serie

In der IndyCar-Serie wird am kommenden Wochenende (5. bis 7. Juli 2024) eine neue Ära eingeläutet. Mitten in der laufenden Saison, nämlich am Rennwochenende auf dem Mid-Ohio Sports Car Course, gibt die in den vergangenen rund zehn Monaten intensiv getestete Hybrid-Antriebstechnik ihr Debüt im Wettbewerb.

Entwickelt wurde der Hybridantrieb für die IndyCar-Serie in Zusammenarbeit zwischen Chevrolet und Honda. Die 2,2-Liter-V6-Verbrennungsmotoren mit Twinturbo, welche seit 2012 fester Bestandteil der IndyCar-Serie sind, bleiben erhalten.

Ab dem Mid-Ohio-Wochenende 2024 allerdings werden diese Verbrennungsmotoren von Chevrolet und Honda mit einer elektrischen Motor-Generator-Einheit (MGU) und mit einem Superkondensator-Energiespeichersystem (ESS) gekoppelt. Beide Bestandteile sind im Kupplungsgehäuse zwischen Verbrennungsmotor (ICE) und Getriebe untergebracht.

Wie der IndyCar-Hybridantrieb funktioniert

Die MGU und das ESS sind zwei von vier Hauptkomponenten des Energierückgewinnungssystems (ERS). Die MGU befindet sich im unteren Bereich des Gehäuses, die ESS im oberen Bereich.

Abgesehen von MGU und ESS umfasst das ERS außerdem einen Spannungswandler (DC/DC für Gleichstrom/Gleichstrom) und ein Spannungssteuerungsgerät. In Summe aller vier Bestandteile bringt das ERS ein Gewicht von 42,5 Kilogramm auf die Waage. Zusammen mit dem Verbrennungsmotor bildet das ERS den ersten Hybrid-Antriebsstrang der IndyCar-Serie.

Die Besonderheit des ERS in der IndyCar-Serie ist das ESS. Dieses Energiespeichersystem, bereitgestellt von der Honda Racing Corporation (HRC) USA, besteht aus 20 in Reihe geschalteten Superkondensatoren. Diese Superkondensatoren, entwickelt von Skeleton, speichern die von der MGU gewonnene Energie, bis sie von den Fahrern abgerufen wird.

Pro Runde stehen in der aktuellen Konfiguration des Hybridantriebs bis zu 320 Kilojoule Energie zur Verfügung. Der Wert kann von Strecke zu Strecke variieren. Beim Hybrid-Renndebüt in Mid-Ohio beispielsweise sind es 280 Kilojoule pro Runde.

ESS: Energiespeichersystem des IndyCar-Hybridantriebs

ESS: Energiespeichersystem mit Superkondensatoren

Foto: Honda

Die Entscheidung für den Einsatz von Superkondensatoren anstelle einer Batterie (wie sie beispielsweise in der GTP-Klasse der IMSA-Serie verwendet wird) fiel aufgrund der Fähigkeit, Energie schneller speichern und bereitzustellen zu können.

Das ESS ist mit einer maximalen Betriebsspannung von 60 Volt und einer Stromstärke von 2.000 Ampere in der Lage, in vier bis fünf Sekunden vollständig aufgeladen zu werden, wobei die gespeicherte Energie in weiteren vier bis fünf Sekunden vollständig genutzt werden kann.

Und hier kommt die von EMPEL in Zusammenarbeit mit Chevrolet und Ilmor bereitgestellte MGU ins Spiel. Die MGU fängt die beim Bremsen entstehende Energie auf und wandelt sie um in Strom, der im ESS gespeichert wird.

Die MGU arbeitet mit einer Maximaldrehzahl von 12.000 U/min und ist mit der Antriebswelle des Motors verbunden, sodass der Fahrer die gewonnene Energie für bis zu 45 Kilowatt Zusatzleistung nutzen kann. Das entspricht rund 60 PS.

Auf Stadtkursen und auf permanenten Rundstrecken stehen mit Einführung des Hybridantriebs mehr als 120 zusätzliche PS bereit. Warum 120? Weil auf diesen Streckentypen, wie bisher, noch 60 PS von "Push to Pass" kommen. Das bedeutet: Mit "Push to Pass" kommen die 2,2-Liter-V6-Twinturbo-Motoren dank der Kopplung mit dem ERS auf eine Spitzenleistung von mehr als 800 PS.

ERS: Energierückgewinnungssystem des IndyCar-Hybridantriebs

Das gesamte ERS wiegt in der aktuellen Konfiguration 42,5 Kilogramm

Foto: Honda

Der Spannungswandler, entwickelt von Brightloop in Paris, befindet sich im hinteren Bereich des Gehäuses (und somit direkt vor dem Getriebe). Der Wandler sorgt dafür, dass die Energie aus dem ESS oder der MGU mit der für den aktuellen Antriebsstrang richtigen Spannung (zwölf Volt) ausgegeben wird.

"Normale elektrische Systeme in Autos haben eine Spannung von zwölf Volt", sagt HRC-Präsident David Salters in einer Hybrid-Technik-Serie auf dem YouTube-Kanal von Honda Racing US. "Dieser [Wandler] aber nimmt die 60 Volt, 40 Volt, 50 Volt, was auch immer, denn es geht ständig rauf und runter, und gibt sie in Form von schön stabilen zwölf Volt an das Gehirn des Autos ab, nämlich die MGU."

"Deshalb spricht man von einem DC/DC-Wandler: eine Spannung in eine andere Spannung", erklärt Salters und stellt die kompakte Größe des Spannungswandlers heraus: "Normalerweise sind diese Dinger zwei- oder dreimal so groß, aber Größe und Einbau sind optimiert. Es ist eine Sonderanfertigung für uns (alle IndyCar-Teams; Anm. d. Red.)."

Das Spannungssteuerungsgerät, das eher einer überdimensionierten Sicherung gleicht, ist eine Sicherheitskomponente, die das System drosselt, sodass 60 Volt niemals überschritten werden. Die Komponenten sind mit der elektronischen Steuereinheit (ECU) verbunden.

Die ECU wurde von TAG in Zusammenarbeit mit McLaren Applied Technologies entwickelt, wobei zusätzliche Software von HRC eingesetzt wird, um die korrekte Synchronisation zwischen einerseits dem ERS und andererseits den Motoren von Chevrolet und Honda sicherzustellen.

Damit das alles auf der Rennstrecke funktioniert, fängt das ERS die beim Bremsen erzeugte Energie auf und nutzt sie, um die Superkondensatoren des ESS zu laden. Dieser Prozess wird als Regeneration bezeichnet. Was die Steuerung dieses Prozesses der Energierückgewinnung betrifft, so haben die IndyCar-Piloten die Wahl zwischen manueller und automatischer Steuerung.

Bei der automatischen Regeneration gibt die Software den Umfang der Energierückgewinnung vor. Bei der manuellen Regeneration hat der Fahrer mehr Kontrolle über den Grad der Rückgewinnung. Über einen Knopf am Lenkrad wird die Energiegewinnung in einem bestimmten Rhythmus aktiviert, während sich der Umfang der Regeneration durch Betätigen einer Wippe auf der Rückseite des Lenkrads ändern lässt.

Zusätzlich wird die Nutzung der im ERS gespeicherten Energie vom Fahrer manuell über einen Knopf am Lenkrad aktiviert. Die Menge der pro Runde gespeicherten Energie variiert je nach Streckentyp und Streckenlänge.

Wie der IndyCar-Hybridantrieb auf Ovalen funktioniert

Wenngleich sich der Prozess der Regeneration - entweder automatisch oder manuell - in erster Linie auf den Rundstrecken und Stadtkursen im IndyCar-Kalender auswirken wird, so kommt er auch auf den Ovalen zum Einsatz.

Auf Ovalen funktioniert das Verfahren, indem der Fahrer beim Windschattenfahren vom Gas geht, wodurch die Regeneration ausgelöst wird. Der Fahrer hat dann die Möglichkeit, den zusätzlichen Energieschub in der Aufbauphase eines Überholvorgangs zu nutzen.

IndyCar-Hybrid-Test

Auch im Oval (Foto: Indianapolis) wurde der Hybridantrieb getestet und steht bereit

Foto: IndyCar Series

"Wenn man sich auf einem Oval dem vorausfahrenden Auto nähert, beginnt der Fahrer zu lupfen, sobald er in den Windschatten kommt", erklärt Salters. "Auf einem kurzen Oval wird ständig gelupft und beschleunigt. Das gibt reichlich Spielraum für die Regeneration. Die Fahrer können dabei selber entscheiden, wie viel sie regenerieren wollen, um beim nächsten Aufschließen zum Vordermann aus dem Windschatten heraus überholen zu können."

Die maximale Zusatzleistung, die vom ERS kommt, liegt derzeit bei 60 PS. Das zusätzliche Drehmoment liegt bei 45 Newtonmetern. Je nach Anforderungen der IndyCar-Serie und ihrer beiden Motorenlieferanten besteht aber die Möglichkeit, das System aufzurüsten, um eine noch höhere Zusatzleistung zu erzielen.

Wie der IndyCar-Hybridantrieb die Rennen sicherer macht

Salters fügt noch hinzu: "Der Fahrer hat die Kontrolle über den Ladezustand (SoC für State of Charge; Anm. d. Red.). Er kann von 100 Prozent auf null Prozent gehen, von 60 Volt auf 30 Volt." Und: "Da hier viel Energie ein- und ausgeht, müssen wir die Superkondensatoren und den Elektromotor über ein Kühlsystem (eine zusätzliche Pumpe und einen Kühler; Anm. d. Red.) kühlen, um sie im optimalen Temperaturfenster zu halten."

Ein weiteres Feature des IndyCar-Hybridantriebs ist, dass die Fahrer damit die Möglichkeit haben, ihr Auto ohne externe Hilfe zu starten oder neu zu starten. Das ist das Verdienst des ERS. Dieses nämlich nämlich reduziert das Risiko, dass Autos abgewürgt werden.

Hybrid: IndyCar mit Honda-Motor und ERS

Das ERS ermöglicht Starten und Neustarten des Motors ohne externe Hilfe

Foto: IndyCar Series

Das Szenario eines abgewürgten Autos hatte bislang nicht selten eine Gelbphase zur Folge. Dank ERS wird das Risiko eines Abwürgen des Motors reduziert, was gleichzeitig auch das Risiko für die rund um die Strecke postierten Sportwarte verringert.

Für genau diesen Fall hat das ERS immer genügend Energie in Reserve, auch wenn der dem Fahrer zur Verfügung stehende Ladezustand null Prozent beträgt, um bei Bedarf mehrere Neustarts des Motors zu ermöglichen.

Wo und von wem der IndyCar-Hybridantrieb getestet wurde

Bei Testfahrten im August 2023 in Sebring wurden die aktuellen IndyCar-Motoren von Chevrolet und Honda erstmals mit dem ERS gekoppelt. Bei zahlreichen Hybrid-Testfahrten seither haben 30 IndyCar-Piloten zusammengerechnet mehr als 40.000 Testkilometer auf allen Arten von Strecken zurückgelegt.

Neben Sebring waren die weiteren Strecken für die Hybrid-Tests: Indianapolis Motor Speedway (sowohl Oval als auch Rundkurs), Gateway Motorsports Park sowie Iowa Speedway und Milwaukee Mile als Ovale, außerdem Barber Motorsports Park, Homestead-Miami Speedway und Road America als Rundstrecken. Im Falle von Homestead wurde wie auch in Indianapolis der Infield-Rundkurs genutzt.

Will Power, Kyle Kirkwood, Alex Palou, Alexander Rossi

Penske, Andretti, Ganassi, McLaren haben am meisten getestet

Foto: Motorsport Images

Der mit großem Abstand überwiegende Teil der Hybrid-Testfahrten wurde von vier Teams abgespult. Es handelt sich dabei um die zwei Topteams der beiden Hersteller: Andretti und Ganassi für Honda, McLaren und Penske für Chevrolet.

Die meisten der sechs anderen aktuellen IndyCar-Vollzeitteams - Carpenter, Coyne, Foyt, Juncos, Rahal, Shank - konnten erst im Frühjahr 2024 in den Testbetrieb der Hybridmotoren einsteigen. Aus diesem Grund haben diese sechs Teams zumindest auf dem Papier einen erheblichen Erfahrungsrückstand, wenn die Hybridtechnik am ersten Juli-Wochenende 2024 in Mid-Ohio ihr Renndebüt gibt.

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